專利名稱：掃描式pi參數(shù)自尋優(yōu)控制器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及掃描式PI參數(shù)控制器。
背景技術(shù)：
由于PID控制器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，造價(jià)低廉，使用有效的優(yōu)點(diǎn)，目前大多數(shù)工業(yè)控制過程都采用了PID控制。公式(1)是模擬PID控制的時(shí)域表達(dá)式，u(t)=kpe(t)+ki∫0te(t)dt+kdde(t)dt---(1)]]>其中kp、ki和kd分別是模擬PID控制器比例系數(shù)、積分常數(shù)和微分常數(shù)。
假設(shè)采樣為Ts，用前向差分代替微分，就可以得到數(shù)字PID控制的計(jì)算公式(2)U(k)=Kp*E(k)+Ki*ΣkE(k)+Kd*(E(k)-E(k-1))---(2)]]>其中Kp＝kp，Ki＝ki*Ts，Kd＝kd/Ts，它們分別是數(shù)字PID控制器的比例系數(shù)、積分常數(shù)和微分常數(shù)。
雖然PID控制具有如此簡(jiǎn)單的形式，但是PID參數(shù)整定問題一直以來(lái)是從事自動(dòng)控制的技術(shù)人員最棘手的問題。過去，PID參數(shù)的整定往往是通過有經(jīng)驗(yàn)的工程師預(yù)設(shè)參數(shù)，然后根據(jù)試運(yùn)行的響應(yīng)曲線手動(dòng)調(diào)節(jié)參數(shù)。這個(gè)過程周期長(zhǎng)，而且控制效果跟工程師的經(jīng)驗(yàn)直接相關(guān)，存在很大的局限性。后來(lái)，人們發(fā)展了一系列的開環(huán)或者閉環(huán)的參數(shù)整定方法，比如Ziegle-Nichols規(guī)則以及Astrom整定法等等，這些方法要么需要識(shí)別系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性參數(shù)，要么需要識(shí)別帶參數(shù)的過程模型，而參數(shù)的精確程度往往影響整定的結(jié)果，從而影響控制的性能，所以這些方法也具有一定的局限性。最近隨著人工智能技術(shù)的發(fā)展，人們提出了基于人工智能技術(shù)的PID參數(shù)自整定方法，它們也各自有自己的缺點(diǎn)。比如模糊自適應(yīng)整定PID控制，它的參數(shù)調(diào)節(jié)的規(guī)則表較難得到，而且參數(shù)能否收斂與PID參數(shù)的初值設(shè)定有關(guān)。
中國(guó)專利02145311.X“工業(yè)過程單參數(shù)比例積分微分控制方法”是一種典型的PID參數(shù)整定方法。該方法假定被控對(duì)象可以用一階慣性加純滯后模型來(lái)描述，通過人工或者機(jī)器自動(dòng)識(shí)別的方式來(lái)確定模型參數(shù)，在閉環(huán)整定過程中通過調(diào)節(jié)單參數(shù)λ來(lái)整定控制器。這種方法存在幾個(gè)缺點(diǎn)1)所假設(shè)的模型對(duì)于一些非線性二階或者高階系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，精度就存在嚴(yán)重問題。2)所假設(shè)的模型有3個(gè)參數(shù)需要辨識(shí)，無(wú)論是人工還是機(jī)器要從本身具有不確定因素(各種噪聲干擾)的階躍響應(yīng)測(cè)試的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中來(lái)同時(shí)估計(jì)出3個(gè)比較可信的模型參數(shù)是非常困難的。3)其發(fā)明內(nèi)容中并未就λ的調(diào)節(jié)給予一個(gè)參考范圍，只是要求操作者慢慢增大λ以便達(dá)到一個(gè)滿意的整定結(jié)果。這個(gè)滿意結(jié)果之后是否還有更滿意的結(jié)果也不得而知。4)整個(gè)方法不具有自整定的特點(diǎn)，需要專業(yè)人員干預(yù)。
在描述

發(fā)明內(nèi)容
之前，有必要對(duì)本發(fā)明所引入或者提出的概念加以說(shuō)明。
1.關(guān)于“掃描式”所謂“掃描式”，指的是將被尋優(yōu)的參數(shù)鎖定到一個(gè)范圍內(nèi)，并且將這個(gè)范圍內(nèi)的參數(shù)離散化得到一系列的參數(shù)組，然后通過某種規(guī)則從這些參數(shù)組中選出最優(yōu)的參數(shù)。
2.三個(gè)性能指標(biāo)在PID控制器的性能衡量方面，人們提出了許多性能指標(biāo)，比如上升時(shí)間，超調(diào)量、調(diào)節(jié)時(shí)間和穩(wěn)態(tài)誤差等等。本發(fā)明將涉及到這些性能指標(biāo)中的三個(gè)上升時(shí)間(用RT表示)、超調(diào)量(用OS表示)和穩(wěn)態(tài)誤差(用SE表示)。
3.滿意度函數(shù)映射和價(jià)格函數(shù)滿意度函數(shù)是一個(gè)從有量綱的物理量到無(wú)量綱的人們的滿意程度的映射，取值范圍為0～1，反映了人們對(duì)某個(gè)物理量取值的偏好程度。
價(jià)格函數(shù)是人們構(gòu)造的通過對(duì)它求極值來(lái)進(jìn)行參數(shù)尋優(yōu)的函數(shù)。
本發(fā)明的尋優(yōu)過程就是根據(jù)的三個(gè)性能指標(biāo)建立價(jià)格函數(shù)，然后從價(jià)格函數(shù)出發(fā)進(jìn)行參數(shù)尋優(yōu)的過程。
由于三個(gè)性能指標(biāo)量綱不一，建立價(jià)格函數(shù)比較困難，所以在尋優(yōu)之前需要對(duì)三個(gè)性能指標(biāo)作一次滿意度函數(shù)映射，使它們無(wú)量綱化。對(duì)于三個(gè)性能指標(biāo)，人們希望其值越小越好，所以滿意度函數(shù)可以選擇一個(gè)取值范圍為0～1的單調(diào)遞減函數(shù)。比如，公式(3)就是一個(gè)非常好的映射函數(shù)S(x)=11+(xa)2b---(3)]]>這個(gè)函數(shù)有兩個(gè)待定常數(shù)a，b。有兩條規(guī)則就可以求出a和b1)對(duì)什么樣的x是非常滿意的比如x＜T1，則S(x)＞0.85。2)對(duì)什么樣的x是非常不滿意的比如x＞T2，則S(x)＜0.1。
假設(shè)上升時(shí)間RT的滿意度函數(shù)是f(RT)，超調(diào)量的滿意度函數(shù)是g(OS)，穩(wěn)態(tài)誤差的滿意度函數(shù)是h(SE)，那么就可以根據(jù)這些滿意度函數(shù)建立價(jià)格函數(shù)了。價(jià)格函數(shù)的形式可以多種多樣，比如公式(4)就是一個(gè)不錯(cuò)的選擇CostFC=f(RT)g(OS)h(SE)3---(4)]]>
由于在實(shí)際的控制過程中，三個(gè)性能指標(biāo)往往存在矛盾關(guān)系，比如，上升時(shí)間極短的情況下，可能超調(diào)很大，甚至引起系統(tǒng)振蕩。所以從某種意義上說(shuō)，三個(gè)性能指標(biāo)的綜合滿意度應(yīng)該是一種排除否定關(guān)系，而不是一種求和平均關(guān)系，而公式(4)中乘積就可以反映這種排除否定關(guān)系。所以它是一個(gè)不錯(cuò)的選擇。
由于本發(fā)明采用的是PI控制，所以三個(gè)性能指標(biāo)是(Kp，Ki)的函數(shù)，從而價(jià)格函數(shù)也是(Kp，Ki)的函數(shù)，它是一個(gè)三維空間的曲面。
4.基于層截面顆粒度分析技術(shù)的PI參數(shù)選優(yōu)法一方面，使價(jià)格函數(shù)取最大值的PI參數(shù)未必是最優(yōu)參數(shù)，這是由于測(cè)量數(shù)據(jù)可能存在誤差或干擾引起的錯(cuò)誤；另一方面，使價(jià)格函數(shù)取最大值的PI參數(shù)也可能不唯一。所以可以這么說(shuō)價(jià)格函數(shù)曲面只是從整體上反映了滿意度的變化趨勢(shì)，其最大值所對(duì)應(yīng)的PI參數(shù)未必是最好的參數(shù)。關(guān)于如何選取最優(yōu)的PI參數(shù)，可以通過基于層截面顆粒度分析技術(shù)的PI參數(shù)選優(yōu)法來(lái)實(shí)現(xiàn)，發(fā)明內(nèi)容對(duì)該法有詳細(xì)說(shuō)明。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是克服傳統(tǒng)PID參數(shù)整定存在的問題，比如要求操作者具有相當(dāng)?shù)慕?jīng)驗(yàn)，要求操作者識(shí)別動(dòng)態(tài)參數(shù)，要求操作者掌握一套參數(shù)調(diào)節(jié)規(guī)則等等，提出一種新的PID控制器。在操作者給出一些性能指標(biāo)的情況下，先確定比例參數(shù)Ki和積分參數(shù)Kp的掃描范圍以及共要掃描的PI參數(shù)的組數(shù)，然后合上閉環(huán)對(duì)每組參數(shù)分別作單位階躍測(cè)試，并記錄每組參數(shù)作用下的閉環(huán)系統(tǒng)的三個(gè)性能指標(biāo)上升時(shí)間、超調(diào)量和穩(wěn)態(tài)誤差，最后針對(duì)這三個(gè)性能指標(biāo)建立價(jià)格函數(shù)進(jìn)行PI參數(shù)尋優(yōu)(出于簡(jiǎn)單，這里的PID控制采用的是PI控制，習(xí)慣上還是稱為PID控制器)。整個(gè)尋優(yōu)過程不需要知道被控系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，對(duì)操作者的經(jīng)驗(yàn)要求極少，操作者可控性強(qiáng)，尋優(yōu)結(jié)果具有全局性最優(yōu)的特點(diǎn)。
本發(fā)明掃描式PI參數(shù)自尋優(yōu)控制器是一種數(shù)字控制器，包括兩個(gè)模塊一個(gè)是PI參數(shù)自尋優(yōu)模塊，一個(gè)是PI控制器模塊。兩個(gè)模塊在閉環(huán)上的連接通過軟開關(guān)來(lái)切換即系統(tǒng)正常工作前，開關(guān)打向?qū)?yōu)模塊，由尋優(yōu)模塊進(jìn)行PI參數(shù)尋優(yōu)，并將選優(yōu)的結(jié)果Kp和Ki傳遞給后者；系統(tǒng)正常工作時(shí)，開關(guān)打向PI控制模塊，由PI控制模塊執(zhí)行控制功能。
PI參數(shù)自尋優(yōu)模塊包含四個(gè)子模塊，串行連接，從頭到尾依次是采樣周期設(shè)定子模塊、PI參數(shù)掃描范圍設(shè)定子模塊、PI參數(shù)性能掃描子模塊、滿意度映射及價(jià)格函數(shù)子模塊以及基于層截面顆粒度分析的PI參數(shù)選優(yōu)子模塊。各個(gè)模塊之間的數(shù)據(jù)傳遞采用控制主機(jī)的共享內(nèi)存的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。各個(gè)模塊在硬件電路結(jié)構(gòu)上具有共同的特點(diǎn)預(yù)設(shè)電壓與反饋電壓之間的誤差信號(hào)經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換器采樣作為輸入，利用工控機(jī)的處理器對(duì)采用信號(hào)作相應(yīng)的存儲(chǔ)和處理，需要輸出時(shí)把相應(yīng)的數(shù)字結(jié)果通過數(shù)模轉(zhuǎn)換器輸出，以控制被控對(duì)象的動(dòng)作行為。
所以各個(gè)子模塊共享數(shù)據(jù)輸入輸出端口以及控制信號(hào)，其功能劃分和執(zhí)行完全由工控機(jī)里面的固件程序決定。
下面分別說(shuō)明上述子模塊所需要完成的功能以及固件程序的具體實(shí)施方法。
1.采樣周期設(shè)定子模塊該模塊完成這樣的功能首先，在系統(tǒng)開環(huán)的情況下，通過數(shù)模轉(zhuǎn)換器給被控對(duì)象一個(gè)階躍信號(hào)，通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器不間斷地讀取Error信號(hào)，即測(cè)出系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線。然后，根據(jù)階躍響應(yīng)曲線自動(dòng)尋找Td，Td是階躍響應(yīng)曲線完全進(jìn)入穩(wěn)態(tài)值附近一個(gè)小的范圍(比如正負(fù)15％)時(shí)對(duì)應(yīng)的時(shí)間，再計(jì)算出采樣周期TsTs＝Td/M(M是一個(gè)用戶事先選好的自然數(shù)，意義是一個(gè)系統(tǒng)延遲時(shí)間內(nèi)采多少個(gè)樣點(diǎn))。如果Ts小于用戶設(shè)定的最小值(用戶需要事先設(shè)定一個(gè)Ts的最小值)，則Ts設(shè)定為用戶給定的最小值，同時(shí)修改M＝Td/Ts.
2.PI參數(shù)掃描范圍設(shè)定子模塊該模塊完成這樣的功能1)確定被控系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)增益的倒數(shù)A。過程是首先調(diào)節(jié)數(shù)模轉(zhuǎn)化器的輸出使整個(gè)系統(tǒng)處于平衡位置(即誤差信號(hào)為零)，再通過數(shù)模轉(zhuǎn)換器給被控系統(tǒng)輸入一系列的dUz增量，同時(shí)記錄誤差信號(hào)Error，然后作出dUz-Error曲線(dUz隨Error變化而變化的曲線)，并對(duì)該曲線作最小二乘擬合，則擬合直線的斜率為A。2)確定PI參數(shù)的掃描范圍。Kp和Ki的掃描范圍由A值決定，一般不超過A值為好。比如在N＝20的情況下，Kp和Ki的掃描范圍可以為A/M/N～A/M，掃描步長(zhǎng)為A/M/N。M就是上面第一個(gè)模塊中的定義，N是步數(shù)，總共有N×N組PI參數(shù)。當(dāng)M比較大時(shí)，或者系統(tǒng)存在嚴(yán)重的非線性時(shí)，可以適當(dāng)擴(kuò)大篩選范圍同時(shí)增大N，一般掃描范圍的上限不超過A3.PI參數(shù)性能掃描子模塊該模塊完成這樣的功能分別對(duì)N×N組(Kp，Ki)參數(shù)中的每組參數(shù)作如下處理1)調(diào)節(jié)數(shù)模轉(zhuǎn)換器的輸出使系統(tǒng)出于平衡狀態(tài)2)增大數(shù)模轉(zhuǎn)換器的輸出使Error處于一個(gè)較大的給定值3)合上閉環(huán)，啟動(dòng)PI控制持續(xù)一段較長(zhǎng)的時(shí)間，并記錄三個(gè)性能指標(biāo)上升時(shí)間(用RT表示)、超調(diào)量(用OS表示)和穩(wěn)態(tài)誤差(用SE表示)4.滿意度映射及價(jià)格函數(shù)子模塊該模塊完成這樣的功能1)根據(jù)用戶事先設(shè)定的規(guī)則，計(jì)算出上升時(shí)間RT的滿意度，函數(shù)f(RT)，超調(diào)量的滿意度函數(shù)g(OV)以及穩(wěn)態(tài)誤差的滿意度函數(shù)h(SE)。2)根據(jù)用戶事先設(shè)計(jì)的價(jià)格函數(shù)形式，計(jì)算出價(jià)格函數(shù)CostFC，它是f(RT)，g(OV)和h(SE)的函數(shù)。
5.基于層截面顆粒度分析的PI參數(shù)選優(yōu)子模塊該模塊完成這樣的功能首先將價(jià)格函數(shù)曲面歸一化到0~1之間。然后用一系列的Z平面(比如Z＝0.95，0.90，0.85，…，)去截取價(jià)格函數(shù)曲面，價(jià)格函數(shù)曲面在截面之上的位置標(biāo)記為1，在截面之下的位置標(biāo)記為0，得到一幅二值的黑白圖像，如果這幅黑白圖像的白點(diǎn)太少(比如少于16個(gè)點(diǎn))那么就減小Z值繼續(xù)截取，直到點(diǎn)數(shù)滿足要求。然后對(duì)得到的黑白圖像作數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)操作，以便消去圖像中的白色小顆粒以及大顆粒之間的線狀連接。最后對(duì)處理過的黑白圖像作顆粒分析，找出面積最大的顆粒的中心對(duì)應(yīng)的(Kp，Ki)作為PI參數(shù)尋優(yōu)的結(jié)果。這樣做能從很大程度上避免由于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的誤差引起的錯(cuò)誤。
以上是PI參數(shù)自尋優(yōu)模塊的介紹，這個(gè)模塊最終得到的是一組優(yōu)化的PI參數(shù)。有了這組優(yōu)化的PI參數(shù)，就可以讓系統(tǒng)正常工作了，軟開關(guān)可以打向PI控制器模塊。PI控制器模塊要完成的功能相對(duì)簡(jiǎn)單在閉環(huán)情況下，每隔一個(gè)Ts的時(shí)間啟動(dòng)模數(shù)轉(zhuǎn)換器對(duì)誤差信號(hào)Error采樣一次，并按公式(2)(其中Kd＝0)計(jì)算出一個(gè)控制量通過數(shù)模轉(zhuǎn)換器輸出到被控系統(tǒng)。當(dāng)然在計(jì)算控制量的過程中，可以加入一些抗積分飽和之類的操作。其結(jié)構(gòu)是從模數(shù)轉(zhuǎn)化器過來(lái)的誤差信號(hào)作為PI控制器的輸入，工控主機(jī)的運(yùn)算結(jié)果通過數(shù)模轉(zhuǎn)換器輸出到被控對(duì)象，被控對(duì)象的輸出連接到一個(gè)比較器上(比較器的另一個(gè)輸入是預(yù)置信號(hào))，比較器的輸出即誤差信號(hào)。
本發(fā)明不需要知道被控對(duì)象的模型，所以不存在模型精度問題。其次，本發(fā)明只牽涉到兩個(gè)參數(shù)的識(shí)別，而且兩個(gè)參數(shù)識(shí)別過程是獨(dú)立的，有相應(yīng)的算法保證參數(shù)的可信度。第三點(diǎn)，所有的需要調(diào)節(jié)的參數(shù)都給出了參考范圍，這些范圍都是通過理論分析得到的。最后，整個(gè)參數(shù)尋優(yōu)結(jié)果具有全局最優(yōu)性，并且全部過程可以完全由機(jī)器自動(dòng)完成，無(wú)須人工干預(yù)。


圖1本發(fā)明掃描式PI參數(shù)自尋優(yōu)控制器的框圖；圖2開環(huán)情況下，本發(fā)明實(shí)驗(yàn)的高精度定位系統(tǒng)階躍響應(yīng)信號(hào)(誤差信號(hào))曲線；圖3本發(fā)明實(shí)驗(yàn)的高精度定位系統(tǒng)PI參數(shù)掃描后得到的價(jià)格函數(shù)曲面；圖4層截法顆粒度分析后的PI參數(shù)選優(yōu)的結(jié)果；圖5價(jià)格函數(shù)曲面上ABCD四個(gè)具有不同滿意度值的區(qū)域；圖6來(lái)自ABCD四個(gè)區(qū)域的四個(gè)不同PI參數(shù)的階躍響應(yīng)曲線。
具體實(shí)施例方式
如圖1所示，本發(fā)明具體實(shí)施方式
包括PI參數(shù)自尋優(yōu)模塊和PI控制器模塊，兩個(gè)模塊在閉環(huán)上的連接通過軟開關(guān)來(lái)切換。SetPoint是預(yù)置電壓，被控對(duì)象在本實(shí)施例中是一個(gè)高精度的定位儀器，其位置信息通過一個(gè)檢測(cè)裝置檢測(cè)后變?yōu)橐粋€(gè)電壓信號(hào)后反饋到一個(gè)比較器，比較器的輸出就是誤差信號(hào)Error。誤差信號(hào)有兩個(gè)分支通道，根據(jù)不同的工作狀態(tài)由軟開關(guān)的指向來(lái)確定。主機(jī)對(duì)誤差信號(hào)進(jìn)行處理后通過數(shù)模轉(zhuǎn)換器輸出到被控對(duì)象。
本發(fā)明已在上述精密定位儀器的反饋控制系統(tǒng)中實(shí)驗(yàn)成功。其實(shí)施步驟如下1.設(shè)定采樣周期Ts首先，在系統(tǒng)開環(huán)的情況下，采樣周期設(shè)定子模塊通過數(shù)模轉(zhuǎn)換器給被控對(duì)象一個(gè)階躍信號(hào)，通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器不間斷地讀取Error信號(hào)，測(cè)出系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線。由于本精密定位儀器的反饋控制系統(tǒng)的延時(shí)跟輸入的幅度有關(guān)，所以這里選取了一個(gè)中等大小的輸入，實(shí)驗(yàn)測(cè)得系統(tǒng)的開環(huán)階躍響應(yīng)曲線如圖2所示。然后，根據(jù)階躍響應(yīng)曲線自動(dòng)尋找Td，當(dāng)響應(yīng)曲線完全進(jìn)入穩(wěn)態(tài)值的正負(fù)15％以內(nèi)時(shí)，即圖2中兩條平行直線之間的部分，Td＝420us。事先取M＝2，則Ts＝Td/M＝210us。
2.設(shè)定PI參數(shù)掃描范圍。
PI參數(shù)掃描范圍設(shè)定子模塊首先調(diào)節(jié)數(shù)模轉(zhuǎn)化器的輸出，使即誤差信號(hào)為零，再通過數(shù)模轉(zhuǎn)換器給被控系統(tǒng)輸入一系列的dUz增量，同時(shí)記錄誤差信號(hào)Error，然后作出dUz-Error曲線，并對(duì)該曲線作最小二乘擬合，則擬合直線的斜率為A。之后，確定PI參數(shù)的掃描范圍。
實(shí)驗(yàn)測(cè)得的dUz-Error曲線的擬合直線為dUz＝0.0757*Error+513。事先設(shè)定N＝40，確定PI參數(shù)的掃描范圍是0.0019~0.07573.PI參數(shù)性能掃描PI參數(shù)性能掃描子模塊分別對(duì)1600組PI參數(shù)(形成一個(gè)40×40的一個(gè)方陣)作性能掃描。調(diào)節(jié)數(shù)模轉(zhuǎn)換器的輸出使系統(tǒng)出于平衡狀態(tài)，增大數(shù)模轉(zhuǎn)換器的輸出使Error處于一個(gè)較大的給定值，合上閉環(huán)，啟動(dòng)PI控制持續(xù)一段較長(zhǎng)的時(shí)間，并記錄每組PI參數(shù)下的上升時(shí)間RT、超調(diào)量OS和穩(wěn)態(tài)誤差SE。
4.滿意度函數(shù)映射及價(jià)格函數(shù)滿意度映射及價(jià)格函數(shù)子模塊根據(jù)我們事先設(shè)定的規(guī)則，計(jì)算出上升時(shí)間RT的滿意度，函數(shù)f(RT)，超調(diào)量的滿意度函數(shù)g(OV)以及穩(wěn)態(tài)誤差的滿意度函數(shù)h(SE)，然后計(jì)算出價(jià)格函數(shù)CostFC。
穩(wěn)態(tài)誤差的滿意度函數(shù)h(SE)按如下兩條規(guī)則確定1)SE＜500，h(SE)＞0.852)SE＞700，h(SE)＜0.1根據(jù)以上兩條規(guī)則求出公式(3)中兩個(gè)待定常數(shù)a，b，再計(jì)算h(SE)對(duì)于上升時(shí)間RT的滿意度函數(shù)f(RT)，我們是這樣設(shè)計(jì)的1)將所有穩(wěn)態(tài)誤差SE小于500的參數(shù)組挑選出來(lái)。2)設(shè)被選出來(lái)的參數(shù)組的上升時(shí)間按從小到大排列，如果排位前30％的RT＜T1，排位后30％的RT＞T2，那么就制定兩條規(guī)則RT＜T1時(shí)，f(RT)＞0.85；RT＞T2時(shí)，f(RT)＜0.1。3)有了兩條規(guī)則就可以求出f(RT)函數(shù)了。
對(duì)于超調(diào)量的滿意度函數(shù)g(OV)，其設(shè)計(jì)過程跟f(RT)一樣。
最后，按公式(4)計(jì)算價(jià)格函數(shù)。
實(shí)驗(yàn)得到的價(jià)格函數(shù)曲面如圖3所示。
5.基于層截面顆粒度分析的PI參數(shù)選優(yōu)層截法參數(shù)選優(yōu)結(jié)果如圖4所示，得到的最大顆粒的中心為(19，12)，對(duì)應(yīng)(Ki，Kp)＝(0.036，0.022)。
6.為了驗(yàn)證該算法的有效性，我們把不同滿意度的PI參數(shù)用于系統(tǒng)的閉環(huán)階躍響應(yīng)測(cè)試，如圖5及圖6所示。來(lái)自A區(qū)的我們選出的最優(yōu)的那組PI參數(shù)對(duì)應(yīng)的階躍響應(yīng)曲線，上升時(shí)間短，超調(diào)小，沒有振蕩，明顯優(yōu)于來(lái)自其它區(qū)的PI參數(shù)。
權(quán)利要求
1.一種掃描式PI參數(shù)自尋優(yōu)控制器，其特征在于包括PI參數(shù)自尋優(yōu)模塊和PI控制器模塊；PI參數(shù)自尋優(yōu)模塊包含按任務(wù)執(zhí)行的先后順序串行連接的5個(gè)子模塊，依次是采樣周期設(shè)定子模塊、PI參數(shù)掃描范圍設(shè)定子模塊、PI參數(shù)性能掃描子模塊、滿意度映射及價(jià)格函數(shù)子模塊以及基于層截面顆粒度分析的PI參數(shù)選優(yōu)子模塊；各個(gè)模塊之間的數(shù)據(jù)傳遞采用控制主機(jī)的共享內(nèi)存的方式實(shí)現(xiàn)；各個(gè)模塊的預(yù)設(shè)電壓與反饋電壓之間的誤差信號(hào)經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換器采樣作為輸入，利用工控機(jī)的處理器對(duì)采用信號(hào)作相應(yīng)的存儲(chǔ)和處理，需要輸出時(shí)把相應(yīng)的數(shù)字結(jié)果通過數(shù)模轉(zhuǎn)換器輸出，以控制被控對(duì)象的動(dòng)作行為；各個(gè)子模塊共享數(shù)據(jù)輸入輸出端口以及控制信號(hào)，其功能劃分和執(zhí)行由工控機(jī)中的固件程序決定；PI參數(shù)自尋優(yōu)模塊和PI控制器模塊在閉環(huán)上的連接通過軟開關(guān)來(lái)切換系統(tǒng)正常工作前，開關(guān)打向PI參數(shù)自尋優(yōu)模塊，由PI參數(shù)自尋優(yōu)模塊進(jìn)行PI參數(shù)尋優(yōu)，并將選優(yōu)的結(jié)果Kp和Ki傳遞給PI控制器模塊；系統(tǒng)正常工作時(shí)，開關(guān)打向PI控制模塊，由PI控制模塊執(zhí)行控制功能在閉環(huán)情況下，每隔一個(gè)Ts的時(shí)間啟動(dòng)模數(shù)轉(zhuǎn)換器對(duì)誤差信號(hào)Error采樣一次，并計(jì)算出一個(gè)控制量通過數(shù)模轉(zhuǎn)換器輸出到被控系統(tǒng)；PI參數(shù)自尋優(yōu)模塊進(jìn)行PI參數(shù)尋優(yōu)過程如下述首先，在系統(tǒng)開環(huán)的情況下，采樣周期設(shè)定子模塊通過數(shù)模轉(zhuǎn)換器給被控對(duì)象一個(gè)階躍信號(hào)，通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器不間斷地讀取Error信號(hào)，即測(cè)出系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線，然后，根據(jù)階躍響應(yīng)曲線自動(dòng)尋找Td，再計(jì)算出采樣周期Ts；PI參數(shù)掃描范圍設(shè)定子模塊確定被控系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)增益的倒數(shù)A及PI參數(shù)的掃描范圍；PI參數(shù)性能掃描子模塊分別對(duì)N×N組(Kp，Ki)參數(shù)中的每組參數(shù)作處理；滿意度映射及價(jià)格函數(shù)子模塊根據(jù)用戶事先設(shè)定的規(guī)則，計(jì)算出上升時(shí)間RT的滿意度，并根據(jù)用戶事先設(shè)計(jì)的價(jià)格函數(shù)形式，計(jì)算出價(jià)格函數(shù)CostFC；基于層截面顆粒度分析的PI參數(shù)選優(yōu)子模塊首先將價(jià)格函數(shù)曲面歸一化到0～1之間，然后用一系列的Z平面去截取價(jià)格函數(shù)曲面，價(jià)格函數(shù)曲面在截面之上的位置標(biāo)記為1，在截面之下的位置標(biāo)記為0，得到一幅二值的黑白圖像，然后對(duì)得到的黑白圖像作數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)操作，以消去圖像中的白色小顆粒以及大顆粒之間的線狀連接，最后對(duì)處理過的黑白圖像作顆粒分析，找出面積最大的顆粒的中心對(duì)應(yīng)的Kp，Ki作為PI參數(shù)尋優(yōu)的結(jié)果。
2.按照權(quán)利要求1所述的掃描式PI參數(shù)自尋優(yōu)控制器，其特征在于PI參數(shù)性能掃描子模塊確定被控系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)增益的倒數(shù)A的過程為首先調(diào)節(jié)數(shù)模轉(zhuǎn)化器的輸出使整個(gè)系統(tǒng)處于平衡位置，即誤差信號(hào)為零，再通過數(shù)模轉(zhuǎn)換器給被控系統(tǒng)輸入一系列的dUz增量，同時(shí)記錄誤差信號(hào)Error，然后作出dUz隨Error變化而變化的曲線，并對(duì)該曲線作最小二乘擬合，則擬合直線的斜率為A。
3.按照權(quán)利要求1所述的掃描式PI參數(shù)自尋優(yōu)控制器，其特征在于PI參數(shù)Kp和Ki的掃描范圍由A值決定，不超過A值。
4.按照權(quán)利要求1所述的掃描式PI參數(shù)自尋優(yōu)控制器，其特征在于PI參數(shù)性能掃描子模塊分別對(duì)N×N組(Kp，Ki)參數(shù)中的每組參數(shù)作如下處理1)調(diào)節(jié)數(shù)模轉(zhuǎn)換器的輸出使系統(tǒng)出于平衡狀態(tài)；2)增大數(shù)模轉(zhuǎn)換器的輸出使Error處于一個(gè)較大的給定值；3)合上閉環(huán)，啟動(dòng)PI控制持續(xù)一段較長(zhǎng)的時(shí)間，并記錄上升時(shí)間、超調(diào)量和穩(wěn)態(tài)誤差。
全文摘要
一種掃描式PI參數(shù)自尋優(yōu)控制器，PI參數(shù)自尋優(yōu)模塊進(jìn)行PI參數(shù)尋優(yōu)過程如下首先，采樣周期設(shè)定子模塊通過數(shù)模轉(zhuǎn)換器給被控對(duì)象一個(gè)階躍信號(hào)，測(cè)出系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線。然后根據(jù)階躍響應(yīng)曲線自動(dòng)尋找T
文檔編號(hào)G05B13/02GK1945468SQ200610113550
公開日2007年4月11日 申請(qǐng)日期2006年9月30日 優(yōu)先權(quán)日2006年9月30日
發(fā)明者李敏, 韓立 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院電工研究所