分?jǐn)?shù)階積分pid控制器整定和自整定方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及PID控制【技術(shù)領(lǐng)域】，本發(fā)明公開了一種帶有分?jǐn)?shù)階積分的PID控制器整定和自整定實(shí)現(xiàn)方法，其具體步驟如下：步驟一、適當(dāng)?shù)剡x取Bode理想傳遞函數(shù)階次β和幅值穿越頻率ωc，使其滿足1<β<2和0<ωc<ωmax；步驟二、當(dāng)被控對(duì)象數(shù)學(xué)模型P(s)已知，求取被控對(duì)象傳遞函數(shù)模型低階導(dǎo)數(shù)值，進(jìn)入步驟三；當(dāng)被控對(duì)象數(shù)學(xué)模型P(s)未知時(shí)，依據(jù)被控對(duì)象階躍響應(yīng)或者繼電閉環(huán)響應(yīng)辨識(shí)系統(tǒng)信息，進(jìn)入步驟三；否則結(jié)束；步驟三、根據(jù)參數(shù)整定公式快速確定帶有分?jǐn)?shù)階積分的PID控制器參數(shù)。本發(fā)明技術(shù)方案易于實(shí)現(xiàn)一般工業(yè)過程的自動(dòng)控制。
【專利說明】分?jǐn)?shù)階積分PID控制器整定和自整定方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及PID (PID:Proportional-1ntegral-derivative,比例積分微分的簡(jiǎn)稱)控制器【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其涉及一種分?jǐn)?shù)階積分PID控制器一 F0IPID(F0IPID =Fractional-order integrating Proportional-1ntegral-derivative,分?jǐn)?shù)階積分的比例積分微分)控制器的實(shí)現(xiàn)方法。
【背景技術(shù)】
[0002]工業(yè)控制器設(shè)計(jì)的目的就是使被控對(duì)象按要求的指標(biāo)運(yùn)行，或者說使被控對(duì)象具有期望的響應(yīng)。PID控制由于其控制結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且易于實(shí)現(xiàn)而成為最普遍的控制方法。目前，使用較多的PID控制器參數(shù)整定方法以傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)公式為主，也有按設(shè)定值和測(cè)量值之間偏差的積分性能最優(yōu)化方法，但這些方法不能按指定性能和魯棒性設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)。近年來發(fā)展的廣受重視的IMC (Internal-model-control,內(nèi)?？刂?方法,通過使用濾波時(shí)間常數(shù)的可調(diào)參數(shù)λ而使系統(tǒng)在閉環(huán)性能和魯棒性之間折中。但是，正如發(fā)明專利“單輸入單輸出系統(tǒng)的極限PID控制方法”(申請(qǐng)?zhí)?00510112230.8)所述，基于MC方法整定的PID控制系統(tǒng)并沒有保證系統(tǒng) 的魯棒性，其可調(diào)參數(shù)λ的選擇亦主要依賴于經(jīng)驗(yàn)公式或者現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試。
[0003]當(dāng)前，分?jǐn)?shù)階控制系統(tǒng)的研究正成為新熱點(diǎn)。低階分?jǐn)?shù)階控制器的結(jié)構(gòu)多樣，其中最為通用的分?jǐn)?shù)階PID控制器當(dāng)為Podlubny建議的PIaDu控制器。通常，傳統(tǒng)PID控制器主要有比例系數(shù)(Kc)、積分時(shí)間常數(shù)(T1)和微分時(shí)間常數(shù)(Td)三個(gè)參數(shù)需要確定，而與之類同的分?jǐn)?shù)階控制器所需確定的參數(shù)則往往更多，例如除了所述比例積分微分參數(shù)外，仍有積分和/或微分環(huán)節(jié)的階次數(shù)需要確定。由此，分?jǐn)?shù)階PID控制器可能滿足的性能特征會(huì)更多，但其參數(shù)確定的復(fù)雜性也隨之增長(zhǎng)。目前，分?jǐn)?shù)階PID參數(shù)整定方法以滿足多個(gè)指定特征指標(biāo)或者以誤差積分性能指標(biāo)優(yōu)化為主。除了需要確定更多參數(shù)的復(fù)雜性外，分?jǐn)?shù)階PID控制器的實(shí)現(xiàn)也比常規(guī)PID更為復(fù)雜。
[0004]因此，存在一種反饋控制及反饋控制器的需要，該反饋控制能夠獨(dú)立地調(diào)整系統(tǒng)的穩(wěn)定性和性能，并具有參數(shù)整定簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)。而且，該反饋控制器能夠使用低規(guī)格微控制器通過小型電路結(jié)構(gòu)，實(shí)時(shí)、高精度地提供快速控制。
[0005]現(xiàn)有技術(shù)一:發(fā)明專利“單輸入單輸出系統(tǒng)的極限PID控制方法”(中國(guó)專利申請(qǐng)?zhí)?00510112230.8)提出了一種基于一階時(shí)滯模型設(shè)計(jì)PID控制器的方法。其具體步驟為:基于被控對(duì)象的階躍響應(yīng)，依據(jù)階躍響應(yīng)的面積法得到被控對(duì)象的一階純滯后動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模
型
【權(quán)利要求】
1.一種分?jǐn)?shù)階積分PID控制器整定和自整定方法，其具體步驟如下: 步驟一、基于Bode理想傳遞函數(shù)設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)，即選擇參數(shù) '和盧，得到期望系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù):
2.如權(quán)利要求1所述的分?jǐn)?shù)階積分PID控制器的實(shí)現(xiàn)方法，其特征在于所述為分?jǐn)?shù)階積分器，所述分?jǐn)?shù)階積分器按分?jǐn)?shù)階積分的常用定義計(jì)算或者近似計(jì)算。
3.如權(quán)利要求2所述的分?jǐn)?shù)階積分PID控制器的實(shí)現(xiàn)方法，其特征在于所述分?jǐn)?shù)階積分器54通過整數(shù)階有理函數(shù)逼近實(shí)現(xiàn)，其具體過程為:
4.如權(quán)利要求2所述的分?jǐn)?shù)階積分PID控制器的實(shí)現(xiàn)方法，其特征在于所述分?jǐn)?shù)階積分器通過整數(shù)階有理函數(shù)近似實(shí)現(xiàn)，其實(shí)現(xiàn)形式為:
5.如權(quán)利要求1所述的分?jǐn)?shù)階積分PID控制器的實(shí)現(xiàn)方法，其特征在于所述方法還包括:對(duì)于高階滯后被控對(duì)象，增益穿越頻率滿足如下條件:
6.如權(quán)利要求1所述的分?jǐn)?shù)階積分PID控制器的實(shí)現(xiàn)方法，其特征在于所述依據(jù)被控對(duì)象階躍響應(yīng)辨識(shí)系統(tǒng)信息，具體為:以階躍函數(shù)信號(hào)U(S) = lKh激勵(lì)被控對(duì)象P (S)，被控對(duì)象有時(shí)間響應(yīng)，以系統(tǒng)時(shí)間響應(yīng)的低階矩運(yùn)算值代替未知被控對(duì)象在S=O點(diǎn)處的低階導(dǎo)數(shù)值，具體如下:
7.如權(quán)利要求1所述的分?jǐn)?shù)階積分PID控制器的實(shí)現(xiàn)方法，其特征在于所述方法還包括若被控對(duì)象未知，依據(jù)被控對(duì)象繼電閉環(huán)響應(yīng)辨識(shí)系統(tǒng)信息，所述依據(jù)被控對(duì)象繼電閉環(huán)響應(yīng)辨識(shí)系統(tǒng)信息是指以不同形式的繼電閉環(huán)響應(yīng)獲得系統(tǒng)一階時(shí)滯模型或者其他模型，然后以該模型計(jì)算被控對(duì)象的低階導(dǎo)數(shù)在s=0點(diǎn)處的值。
【文檔編號(hào)】G05B11/42GK103558755SQ201310539168
【公開日】2014年2月5日 申請(qǐng)日期:2013年11月5日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月5日
【發(fā)明者】陳永會(huì), 譚功全 申請(qǐng)人:四川理工學(xué)院