專利名稱：一種數(shù)字pid控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種伺服系統(tǒng)PID控制方法。
背景技術(shù)：
在工程實(shí)踐中，為提高系統(tǒng)的控制性能，PID控制規(guī)律是一般伺服系統(tǒng)及調(diào)節(jié)系統(tǒng)常用的控制方法。但是理想的積分、微分環(huán)節(jié)不具有可實(shí)現(xiàn)性，另外，積分環(huán)節(jié)在應(yīng)用過程中往往會出現(xiàn)零位漂移和飽和現(xiàn)象，這直接限制了PID的實(shí)際應(yīng)用效果。
JP63006601的日本專利文件中公開的技術(shù)方案，在PID控制器中通過通道因子濾波器進(jìn)行微分信號的檢測比較，從而動態(tài)調(diào)節(jié)PID的微分形式，達(dá)到控制的目的。在該控制器中當(dāng)控制信號超過了設(shè)定閾值，則啟動二階微分環(huán)節(jié)代替一階微分環(huán)節(jié)；反之則采用一階微分環(huán)節(jié)。
JP3097003的日本專利文件中公開的技術(shù)方案，該控制器主要由一個具有非線性特性的PI控制單元以及一個考慮目標(biāo)值和對外界擾動進(jìn)行微分作用的被控制變量組成的綜合濾波器，該濾波器在PI控制單元工作前工作。這樣，通過綜合濾波器何以獲得輸出偏離量以精確、簡單自如地進(jìn)行含有微分特性的非線性處理，該方法可以方便地實(shí)現(xiàn)兩自由度控制。
JP2001092501的日本專利文件中公開的技術(shù)方案，兩個基本濾波器設(shè)置在PID控制器前面，被控制量的目標(biāo)值輸入控制器，該控制器通過前面的兩個濾波器組成一個連續(xù)的反饋控制系統(tǒng)。其中一個濾波器中的時間常數(shù)為定值，另一個濾波器的時間常數(shù)為一組數(shù)值，可以隨時間變化。
GB2389283的英國專利文件中公開的技術(shù)方案，為一自適應(yīng)低通濾波器，其時間常數(shù)t由來控制，其中a為常數(shù)，w為兩連續(xù)信號通過濾波器的差分，b是比例增益Kp和積分環(huán)節(jié)Ki/(1+z-1)的和，這樣，該P(yáng)I控制器可以修改自適應(yīng)控制器的帶寬。PI控制器可以改為PID控制器，其中b中添加一個微分環(huán)節(jié)(1-z-1)Kd。
美國專利5,572,558的文件中公開得技術(shù)方案是一種帶有PID濾波器的鎖相環(huán)，用于電磁記錄中姿態(tài)采樣讀通道的同步采樣中鎖相環(huán)的動態(tài)恢復(fù)。其中PID濾波器包含一個派生單元通過提高相邊際和阻尼來減少鎖相環(huán)的設(shè)定時間。
美國專利5,105,138的文件中公開的技術(shù)方案，兩自由度PID控制器包含一個定點(diǎn)濾波器，在噪聲信號處理中根據(jù)給定值和被控系統(tǒng)的控制值實(shí)現(xiàn)微分作用，以輸出以給定信號。PI控制器根據(jù)給定信號和控制量的偏離情況，完成PI控制操作，形成控制信號。該控制信號與處理過的噪聲信號相加，獲得控制系統(tǒng)的最終控制指令信號。
92109857.X的中國專利文件中公開的技術(shù)方案，在普通不完全微分型PID控制系統(tǒng)的設(shè)定值裝置中加上一個設(shè)定值濾波器(12)，此設(shè)定值濾波器由微分補(bǔ)償器(13)、比例補(bǔ)償器(14)和積分補(bǔ)償器(15)所組成，而積分補(bǔ)償器則由第一積分延時器(15A)、第二積分延時器(15B)和減法器(15C)所組成。通過適當(dāng)選擇各環(huán)節(jié)的二自由度系數(shù)α、β、γ，可以組成各種不同類型的PID控制器，并同時實(shí)現(xiàn)最佳的跟蹤特性和最佳的抗干擾特性。
200510112230.8的中國專利文件中公開的技術(shù)方案，步驟如下1)當(dāng)工控機(jī)的檢測部分接到主機(jī)發(fā)出的采樣命令后，對被控制對象進(jìn)行采樣濾波，由模擬量輸入通道將采樣信號送入檢測變送裝置，再經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后得到數(shù)字信號后對對象進(jìn)行辨識；2)通過確定控制器可調(diào)參數(shù)λ的下限，保證對應(yīng)的PID控制器的四個參數(shù)取值為正；3)判斷經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量輸入信號極性，據(jù)此計算誤差信號；4)計算極限PID控制器參數(shù)值；5)計算控制信號增量的值，由D/A轉(zhuǎn)換后輸出至執(zhí)行器，使被控對象運(yùn)行在給定的范圍內(nèi)。本發(fā)明得到的控制器逼近理論設(shè)計出的最優(yōu)控制器性能，可達(dá)到用戶滿意的標(biāo)稱性能和魯棒性能，實(shí)現(xiàn)更好的控制效果。
200480024024.5的中國專利文件中公開的技術(shù)方案，包括模型存儲單元(1)，預(yù)先存儲受控系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型；PID控制器存儲單元(2)，預(yù)先存儲控制器算法；約束條件存儲單元(3)，預(yù)先存儲針對操作的約束條件；仿真計算單元(5)，根據(jù)約束條件執(zhí)行對控制系統(tǒng)的仿真；理想控制結(jié)果存儲單元(6)，預(yù)先存儲理想控制響應(yīng)特性；評價函數(shù)計算單元(7)，計算表示仿真結(jié)果與理想控制響應(yīng)特性之間的近似性的評價函數(shù)值；以及PID參數(shù)搜索計算單元(8)，通過在改變PID參數(shù)的同時，執(zhí)行仿真，來搜索使評價函數(shù)值最優(yōu)的PID參數(shù)。
Vehicular Electronics and Safety，2006 IEEE International Conferenceon；Shanghai，China中國公開的技術(shù)方案為For conducted interference inthe control circuit of the DC/DC converter used in FCEV，the second orderButterwoth and Chebyshev active low-pass filters and their circuitconfigurations are analyzed and discussed in this article.The articlepresents the process of their network realization and simulates them withMatlab.Furthermore，an advanced second-order active low-pass filter isdesigned in this article for occasions that need a large time constantin practice. (Low-Pass Filters Design and Simulation for the Control Circuit ofDC/DC Converters；DC/DC轉(zhuǎn)換器控制電路中低通濾波器的設(shè)計和仿真)車輛電子與安全.2006.2006 IEEE國際會議，上海，中國.中公開的技術(shù)方案為為解決FCEV中DC/DC轉(zhuǎn)換模塊控制電路產(chǎn)生的傳導(dǎo)干擾，本論文對二階Butterworth低通濾波器、有源Chebyshev低通濾波器及其電路配置進(jìn)行了分析討論。本論文介紹了該網(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn)方法，并用Matlab進(jìn)行了仿真。此外，為在實(shí)際中需要大時間常數(shù)的場合設(shè)計了一先進(jìn)的有源二階低通濾波器。
基于斬波及數(shù)字信號處理技術(shù)的無零漂積分器(《系統(tǒng)工程與電子技術(shù)》(2001年23卷7期，p8-20，62))中，論述了基于斬波及數(shù)字信號處理(DigitalSignal Processing，DSP)技術(shù)的長時間無零漂積分器的設(shè)計和實(shí)現(xiàn)。通過對傳統(tǒng)模擬積分器及數(shù)字信號處理等方面的深入調(diào)研，給出了實(shí)際積分電路的誤差分析，并據(jù)此采用了斬波技術(shù)和數(shù)字信號處理技術(shù)，以解決零點(diǎn)源移、非線性誤差和泄漏等傳統(tǒng)模擬積分器存在的問題，設(shè)計并制做了一個適合于等離子體物理的托卡馬克裝置放電實(shí)驗(yàn)中診斷信號測量的長時間無零漂積分器。
數(shù)字PID的設(shè)計與調(diào)試(《機(jī)電一體化》(2001年7卷4期，p69-71))中，介紹了數(shù)字伺服系統(tǒng)中數(shù)字PID(比例，積分，微分)濾波器參數(shù)的設(shè)計方法和這些參數(shù)對控制系統(tǒng)響應(yīng)的影響，闡述了如何調(diào)整PID濾波器參數(shù)，使控制系統(tǒng)達(dá)到臨界阻尼，以提供最佳的跟蹤特性和建立時間。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種能解決PID控制器的長期工作問題，消除PID控制器中微分環(huán)節(jié)的高頻噪聲和積分環(huán)節(jié)的零位漂移問題，同時解決PID的數(shù)字化問題，使PID能夠滿足一些伺服系統(tǒng)長期穩(wěn)定的數(shù)字控制需求的一種數(shù)字PID控制器方法。
本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的采集后的信號分別進(jìn)行比例運(yùn)算、微分運(yùn)算和積分運(yùn)算后進(jìn)行信號疊加，微分運(yùn)算后的信號先進(jìn)行低通濾波再進(jìn)行信號疊加，積分運(yùn)算后的信號一部分直接進(jìn)行積分信號提取、另一部分先進(jìn)行超低通濾波后再進(jìn)行積分信號提取，積分提取后的信號在進(jìn)行信號疊加。
所述的微分運(yùn)算環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)為 積分運(yùn)算環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)為 上述兩函數(shù)中，Kd為微分環(huán)節(jié)的增益系數(shù)，Td1為微分環(huán)節(jié)的時間常數(shù)1，Td2為微分環(huán)節(jié)的時間常數(shù)2，且有Td1＜Td2，KI為積分環(huán)節(jié)的增益系數(shù)，TI為積分環(huán)節(jié)的時間常數(shù)。。
所述的低通濾波是采用二階巴特沃茲型濾波器進(jìn)行低通濾波，表達(dá)式如下 其中ωc為濾波器的3db截止頻率。
微分運(yùn)算、積分運(yùn)算環(huán)節(jié)采用雙線性變換進(jìn)行離散， 微分運(yùn)算環(huán)節(jié)離散化后，表達(dá)式為 其中 積分運(yùn)算環(huán)節(jié)離散化后，表達(dá)式為 其中 低通濾波和超低通濾波用微分方程的進(jìn)行離散化，獲取對應(yīng)的差分方程 離散化后， 用z表示，則 該濾波器中，濾波器的3db截止頻率ωc可根據(jù)需要進(jìn)行選擇。本發(fā)明專利中，該濾波器既可以設(shè)定成低頻濾波器，用于微分環(huán)節(jié)信號的高頻濾波；同時可以設(shè)置成超低頻濾波器，用于積分環(huán)節(jié)中直流分量的過濾，獲取積分環(huán)節(jié)引起的零位漂移分量。
采用本發(fā)明的設(shè)計方法，比較容易實(shí)現(xiàn)伺服系統(tǒng)數(shù)字PID控制規(guī)律的設(shè)計，有效解決PID控制器中積分環(huán)節(jié)的零位漂移和高頻擾動，確保系統(tǒng)能夠長期連續(xù)穩(wěn)定工作，從而提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性、魯棒性和可靠性。本發(fā)明專利簡單實(shí)用，能很好滿足實(shí)際系統(tǒng)控制的工程需要。
本發(fā)明發(fā)明針對一些伺服系統(tǒng)長期穩(wěn)定工作的需要，通過對傳統(tǒng)的積分、微分環(huán)節(jié)的改造，使積分、微分環(huán)節(jié)僅在系統(tǒng)工作頻帶內(nèi)有效，同時采用Butterworth算法設(shè)計了低通濾波器，進(jìn)而給出一種新的數(shù)字PID控制器，可以有效解決PID控制器的零位漂移問題，保證系統(tǒng)的長期穩(wěn)定工作。


圖1是本發(fā)明的框圖； 圖2是微分環(huán)節(jié)典型波特圖； 圖3是積分環(huán)節(jié)典型波特圖； 圖4是特定頻段具有PID特性的波特圖。
具體實(shí)施例方式 下面結(jié)合附圖舉例對本發(fā)明做更詳細(xì)地描述 結(jié)合圖1，考慮到微分環(huán)節(jié)在使用過程會引來高頻擾動，積分環(huán)節(jié)在長期使用時會出現(xiàn)累計誤差，產(chǎn)生零位飄移現(xiàn)象，進(jìn)而嚴(yán)重影響PID的實(shí)現(xiàn)問題。為消除這些問題，本發(fā)明中對微分環(huán)節(jié)，采用近似環(huán)節(jié)替代微分環(huán)節(jié)，使微分環(huán)節(jié)僅在系統(tǒng)工作頻帶內(nèi)有效，引入一低通濾波器，對微分輸出信號進(jìn)行光滑處理；對積分環(huán)節(jié)，采用慣性環(huán)節(jié)替代，同時引入一超低頻濾波器，提取引起零位漂移的直流分量，再利用原積分輸出信號減去零漂直流分量，從而保證積分環(huán)節(jié)的穩(wěn)定性，進(jìn)而確保PID控制器在隨機(jī)輸入信號的作用下，能夠長期穩(wěn)定工作。針對需要解決的上述問題，本發(fā)明的數(shù)字PID控制方法是采集后的信號分別進(jìn)行比例運(yùn)算、微分運(yùn)算和積分運(yùn)算后進(jìn)行信號疊加，微分運(yùn)算后的信號先進(jìn)行低通濾波再進(jìn)行信號疊加，積分運(yùn)算后的信號一部分直接進(jìn)行積分信號提取、另一部分先進(jìn)行超低通濾波后再進(jìn)行積分信號提取，積分提取后的信號在進(jìn)行信號疊加。其中，微分環(huán)節(jié)的低通濾波器主要用于消除微分運(yùn)算帶來的高頻擾動，超低通濾波器則用于過濾出積分運(yùn)算引起的零位漂移直流分量。在上述運(yùn)算的基礎(chǔ)上，對各環(huán)節(jié)進(jìn)行離散化處理，即可獲得數(shù)字PID控制器。
1.微分、積分環(huán)節(jié) 理想的微分環(huán)節(jié)、積分環(huán)節(jié)在整個頻帶范圍內(nèi)均具有微分、積分特性，但是任何實(shí)際系統(tǒng)均具有特定的頻帶范圍，因此用于系統(tǒng)實(shí)際控制的微分、積分環(huán)節(jié)，并不需要在全頻帶范圍內(nèi)具有微分、積分特性，只是需要微分、積分環(huán)節(jié)在系統(tǒng)的工作頻帶范圍內(nèi)能夠具有期望特性就可以。
根據(jù)上述特點(diǎn)，PID控制器中的微分環(huán)節(jié)、積分環(huán)節(jié)可以用以下函數(shù)來代替。其中微分環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)為 積分環(huán)節(jié)為 上述兩函數(shù)中，只需要合理選者參數(shù)Kd，Td1，Td2，KI，TI，則可以使式(1)、(2)在期望的頻域范圍內(nèi)具有理想微分、積分環(huán)節(jié)的特性，從而有效解決微分、積分環(huán)節(jié)的可實(shí)現(xiàn)性。
其中，式(1)表示的微分環(huán)節(jié)典型波特圖如圖2所示；式(2)表示的積分環(huán)節(jié)波特圖如圖3所示；將微分環(huán)節(jié)、積分環(huán)節(jié)和比例環(huán)節(jié)組合，得到的PID的幅頻特性如圖4所示。其中下凹處就是PID的典型特性。
2.低通濾波器 濾波器按不同的頻域或時域特性要求，可分為巴特沃茲(Butterworth)型，契比雪夫(Chebyshev)型，貝賽爾(Bessel)型等標(biāo)準(zhǔn)型。選取不同參數(shù)，這些濾波器可以實(shí)現(xiàn)不同的濾波功能。其中，巴特沃茲型濾波器具有最平坦的通帶幅頻特性；契比雪夫型特點(diǎn)是通帶內(nèi)增益有波動，但這種濾波器的通帶邊界下降快；貝賽爾型通帶邊界下降較為緩慢，其相頻特性接近線性。對于船用伺服控制系統(tǒng)，系統(tǒng)主要工作在零點(diǎn)幾個赫茲到一兩個赫茲之間，因此，為保證濾波器的使用不會影響到微分、積分運(yùn)算信號幅值，要求濾波器在工作頻段內(nèi)盡量平坦，而且過渡帶和截止帶衰減盡量快。本專利中采用二階巴特沃茲型濾波器，表達(dá)式如下 其中ωc為濾波器的3db截止頻率。
3.各環(huán)節(jié)的離散化 微分、積分環(huán)節(jié)的離散化 在整個數(shù)字控制器中，微分、積分環(huán)節(jié)采用雙線性變換來實(shí)現(xiàn)，變換式為 其中Ts為離散時間常數(shù)。
帶入，則有 微分環(huán)節(jié)離散化后，表達(dá)式為 其中 積分環(huán)節(jié)離散化后，表達(dá)式為 其中 濾波器的離散化 濾波器則用微分方程的進(jìn)行離散化，獲取對應(yīng)的差分方程 離散化后，有 用z表示，則有 該濾波器中，濾波器的3db截止頻率ωc可根據(jù)需要進(jìn)行選擇。本發(fā)明專利中，該濾波器既可以設(shè)定成低頻濾波器，用于微分環(huán)節(jié)信號的高頻濾波；同時可以設(shè)置成超低頻濾波器，用于積分環(huán)節(jié)中直流分量的過濾，獲取積分環(huán)節(jié)引起的零位漂移分量。
4.優(yōu)點(diǎn) (1).選取恰當(dāng)?shù)目刂破鲄?shù)，可以使微分環(huán)節(jié)、積分環(huán)節(jié)僅在系統(tǒng)工作頻段范圍內(nèi)有效； (2).可以有效克服積分環(huán)節(jié)的零位漂移，微分環(huán)節(jié)的高頻擾動； (3).該數(shù)字PID控制器能夠長期工作，適用于船舶控制等長期工作的系統(tǒng)控制。
權(quán)利要求
1、一種數(shù)字PID控制方法，采集后的信號分別進(jìn)行比例運(yùn)算、微分運(yùn)算和積分運(yùn)算后進(jìn)行信號疊加，其特征是微分運(yùn)算后的信號先進(jìn)行低通濾波再進(jìn)行信號疊加，積分運(yùn)算后的信號一部分直接進(jìn)行積分信號提取、另一部分先進(jìn)行超低通濾波后再進(jìn)行積分信號提取，積分提取后的信號在進(jìn)行信號疊加。
2、根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種數(shù)字PID控制方法，其特征是所述的微分運(yùn)算環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)為
3、根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種數(shù)字PID控制方法，其特征是所述的積分運(yùn)算環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)為
4、根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種數(shù)字PID控制方法，其特征是所述的低通濾波是采用二階巴特沃茲型濾波器進(jìn)行低通濾波，表達(dá)式如下
其中ωc為濾波器的3db截止頻率。
5、根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種數(shù)字PID控制方法，其特征是所述的微分運(yùn)算環(huán)節(jié)采用雙線性變換進(jìn)行離散，離散化后表達(dá)式為
其中
6、根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種數(shù)字PID控制方法，其特征是所述的積分運(yùn)算環(huán)節(jié)采用雙線性變換進(jìn)行離散，離散化后表達(dá)式為
其中
7、根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種數(shù)字PID控制方法，其特征是低通濾波和超低通濾波用微分方程的進(jìn)行離散化，獲取對應(yīng)的差分方程
離散化后，
用z表示，則
全文摘要
本發(fā)明提供的是一種數(shù)字PID控制方法。采集后的信號分別進(jìn)行比例運(yùn)算、微分運(yùn)算和積分運(yùn)算后進(jìn)行信號疊加，微分運(yùn)算后的信號先進(jìn)行低通濾波再進(jìn)行信號疊加，積分運(yùn)算后的信號一部分直接進(jìn)行積分信號提取、另一部分先進(jìn)行超低通濾波后再進(jìn)行積分信號提取，積分提取后的信號在進(jìn)行信號疊加。本發(fā)明發(fā)明針對一些伺服系統(tǒng)長期穩(wěn)定工作的需要，通過對傳統(tǒng)的積分、微分環(huán)節(jié)的改造，使積分、微分環(huán)節(jié)僅在系統(tǒng)工作頻帶內(nèi)有效，同時采用Butterworth算法設(shè)計了低通濾波器，通過適當(dāng)?shù)碾x散化處理，進(jìn)而給出一種新的數(shù)字PID控制器，可以有效解決PID控制器的零位漂移問題，保證系統(tǒng)的長期穩(wěn)定工作。
文檔編號G05B11/42GK101339405SQ20081013691
公開日2009年1月7日 申請日期2008年8月13日 優(yōu)先權(quán)日2008年8月13日
發(fā)明者梁利華, 明 吉, 張松濤, 金鴻章 申請人:哈爾濱工程大學(xué)