[发明专利]基于联合仿真的控制系统设计与PID参数整定方法及系统

说明书

本发明提供一种基于联合仿真的控制系统设计与PID参数整定方法及系统，本发明基于各种物理对象在特定工况附近可以简化为定常传递函数模型的特点，通过联合仿真的基础方法，获取物理对象的输入输出历史数据，建立该物理对象的频率域传递函数模型，与PID控制模块组成闭环控制系统，可快速完成控制系统设计和PID参数整定工作；本发明与现有技术相比不需要实物模型的测试，实物模型不会被破坏或者产生现场安全问题；且所有工作均在联合仿真下完成，设计结果准确性高，尤其特别适合耦合严重的物理模型。

技术领域

本发明涉及计算机仿真分析和自动化控制领域，尤其涉及一种基于联合仿真的控制系统设计与PID参数整定方法及系统。

背景技术

PID(比例-proportion、积分-integral、导数-derivative)控制器是世界上应用最广的工业控制器。它是根据PID控制原理对整个控制系统进行偏差调节，从而使被控变量的实际值与工艺要求的预定值一致。PID控制系统的性能主要取决于PID控制器参数的整定，如Ziegler-Nichols频域响应法、频域分析法、相位裕度整定法、极点配置法、临界比例度法、响应曲线法等。但所有工作的前提是必须有控制对象的传递函数模型。传递函数模型求解方法主要包括等效法，时域法和频域法。

等效法相对简单，常用集中质量弹簧阻尼系统，假设装备为加载集中力并输出位移的系统，通过零位移设置，获得重力，从而获得等效质量；通过实际工况静压下仿真获得近似刚度，再预设阻尼值，即可求得质量弹簧阻尼系统的全部参数。但是这种方法中的等效质量和综合刚度的求解存在较大误差，阻尼值设置全凭经验，无法考虑其非线性耦合等多种因素，其传递函数模型误差最大。

时域法的精度高于等效法，主要通过运用对象的时域飞升曲线实验数据建立模型。在稳定工况下，采用最小、最大和平均负荷下测试三次，测试采用方波信号，得到对象的动态特性响应。然后假定对象的数学模型为具有纯滞后的一阶或者二阶非周期环节。系统可能为非周期自平衡对象或者无自平衡对象。模拟求解各种环节的参数。但是这种方法直接针对实物模型进行试验，操作不方便。

频域法的精度高于时域法，主要通过利用线性系统频率保持性，对测试对象输入不同频率的正弦信号，获得对应响应，将输出振幅、相位与输入振幅和相位比较，获得不同频率下的对数幅相图，模拟出对象频率特性，建立模型。但是这种方法也是直接针对实物模型进行试验，操作也不方便，并且由于要模拟很多高频情况下的响应，可能毁坏实物模型。

综上所述，现有的方法存在着精度不高，操作复杂的缺点，并且均是单独针对物理模型本身(不包括液压或者传动)的控制，具有很大的局限性，因此，亟需一种新的技术手段，能够在保证设计结果的准确性的基础上，完成控制系统最优化设计和参数的最优化整定。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明提供一种基于联合仿真的控制系统设计与PID参数整定方法及系统，以解决上述技术问题。

本发明提供的基于联合仿真的控制系统设计与PID参数整定方法，包括：

采集控制对象的物理模型的输入输出历史数据；

建立所述控制对象的传递函数模型；

将所述传递函数模型与PID控制模块组成闭环控制系统，通过联合仿真完成控制系统设计和PID参数整定；

根据控制系统设计的结果，获取最终控制模型。

进一步，将控制对象的物理模型建模为有限元模型，并将控制输入信号作为边界载荷条件，将被控制量作为仿真结果历史输出量。

进一步，根据控制对象的物理模型的预定工况，获取极限工况和主要工况，并根据所述极限工况和主要工况获取工况覆盖区域，将所述工况覆盖区域作为边界载荷条件。