[发明专利]PI参数混合整定法

说明书

技术领域

本发明涉及PID控制技术领域，特别是涉及一种PI参数混合整定法。

背景技术

PID控制是迄今为止最通用的控制算法。1915～1940年PID控制器经历了从产生到普及的过程，推动了工业的极大进步。尽管自1940年至今，大量的专家学者提出了许多先进控制方法，但PID控制器以其结构简单，计算量小，易于实现，而且还具有很强鲁棒性等诸多优点，仍被广泛应用于冶金、化工、电力和机械等各种工业过程控制中。

目前，在全世界过程控制中，纯PID调节器占了84％，若将其改进型包含在内，则该比例超过90％(参见文献1和2。文献1《PID参数先进整定方法综述》，王伟，张晶涛，柴天佑，自动化学报，2000，26(3)：348～355；文献2《PID参数自整定方法概述》，何颖，鹿蕾，赵争鸣..现代电子技术，2004，24：20～23)。

在对异步交流电机的控制中，通常采用矢量控制与PID控制器相结合的方式，PID的参数整定可分为离线式和在线式两种。离线式整定完全基于系统模型，但交流电机模型复杂，难以构建精确模型；在线式整定一般采用智能算法如模糊、神经网络等，不依赖系统模型，但容易陷入局部最优值。当前许多应用中基本都采用较为简单且易实现的在线整定，不用花费大量精力构建系统数学模型，因此整定效果有限(参见文献3-5。文献3《一种PID模糊控制器(fuzzy PI+fuzzy ID型)》，李庆春，沈德耀..控制与决策，2009，(07)；文献4《一种改进的单神经元PID控制策略[J]》，王秀君，胡协和，浙江大学学报(工学版)，2011，(08)；文献5为B.M.Mohan，Arpita Sinha.The simplest fuzzy PID controllers：mathematical models and stabilityanalysis[J].Soft Computing，2006，10(10))。

从PID控制器出现以来，各种先进PID参数整定方法层出不穷，但在实际应用中，这些方法很难达到令人满意的效果，大多PID控制器的参数是依靠控制工程师所积累的现场调节经验来整定的，费时费力，整定的参数也不具备通用性。其中一个典型的PID控制系统的结构如图1所示。

在日本、加拿大、和英国对工业实践的调查显示，有30％的控制器是手动整定的，并且有20％依靠现场经验，仅有很小比例的控制回路工作在良好整定的条件下。

当前比较流行且有效的参数自整定主要分为基于规则的自整定、基于模型的自整定和智能PID参数自整定(参见文献1和2)。

1.基于规则的自整定：

对于模型结构未知的系统，可采用基于规则的整定方法，根据控制器的输出和过程变量的观测值来表征系统的动态特性，依据特定的规则计算出相应的PID参数，具有易执行、鲁棒性较强的特点，可以综合采用专家的整定经验进行参数计算。

这类方法中最著名的方法为ZN法(临界比例度法)，目前常见的基于规则的整定方法大多是ZN法的改进算法。ZN法是Ziegler和Nichols于1942年提出的，不依赖于对象的数学模型，总结了前人在理论和实践中的经验，通过大量的实验得到了经验公式，从而计算出控制器的近似最优整定参数。

对于图1所示闭环系统，ZN整定方法为：设T_i＝∞，T_d＝0，即去掉积分和微分环节，仅保留比例控制。然后将K_p从0逐渐增大，直至系统阶跃响应出现持续的等副振荡为止。此时系统处于临界状态，对应的临界增益(即临界状态下的K_p)为K_u，振荡周期为T_u，按表1确定最终的PID参数(表1中比例度δ＝1/K_p，临界比例度为δ_k＝1/K_u)。

实践证明ZN法对计算出的PID参数基本能满足控制要求，但其阻尼系数太小，不能产生令人满意的幅相裕度，使得系统对参数的变化过于敏感。因此，每当控制流程中环境的变化导致系统参数发生改变，很可能使得PID控制器处于不稳定的工作状态。