[发明专利]一种基于统计学原理的数字PID参数自整定方法

说明书

技术领域

本发明属于自动化控制领域，具体涉及一种基于统计学原理的数字PID控制器参数自整定方法。

技术背景

PID自动控制器自发明以来得到了广泛的应用。当前新安装的自动控制设备中，有一半以上采用了PID控制器或算法。PID控制器从最初的模拟信号控制发展至今，大部分已经被数字控制方式代替。数字PID控制器的设计中，开发参数整定的新算法，成为改善其性能的重要手段。被控制目标的度量特性稳定时，自动控制器的参数是也是确定的，但当被控制目标的度量特性不断发生变化时，控制器参数只能通过实验数据来得到。PID控制器的参数整定算法是一种自动获取控制过程经验参数的方法。常用于获得PID参数的方法有试差法和曲线周期法。当前应用最广泛的有Ziegler-Nichols和Cohen-Coon两种方法，Ziegler-Nichols法可以用于闭路和开路的控制，Cohen-Coon法通常只用于开路控制。PID参数整定算法的优劣可以通过一段时间内输出值与设定值差的标准差来衡量。方程式(1)是PID控制器的一种通用数学模型。从数学模型可以看出，应用该方法控制工业过程时，具有跨度量衡(如，通过流量控制液位；通过电流大小控制温度等)，自动回归适应物理模型(不需要事先获得被控制对象的准确数学模型)等优良特征。

u(t)=K(e(t)+1Ki∫0te(t′)dt′+Kdde(t)dt+b)--------(1)]]>

式中，u：控制输出信号；

e：当前值与设定值差；

K：比例增益控制参数；

K_i：积分增益控制参数；

K_d：微分增益控制参数；

t：输入采样时间；

b：输出偏移。

实际应用中还需要额外加入一些参数。超出执行机构处理能力的控制信号可能造成信号失真或设备损坏。例如：设置一个噪音带宽参数N_b，当输入值与设置值差小于N_b的时候，参数e置零，这会有效防止输出信号抖动，增加控制器稳定性；设置一个死区参数D_z,防止过大或过小的输出信号。

实际应用中最大的问题是K、K_i、K_d三个参数的确定。工业生产中，岗位操作人员往往无法合理的调整PID控制器的参数。由于控制对象的特性多种多样，经验丰富的技术人员也要费大量时间调整控制器参数。而且随着控制对象特性的变化，PID控制器参数很可能需要重新调整。而采用人工调整参数的PID整定方法通常不能及时发现工控条件的迁移，导致控制器长期运行在不准确的状态下。