论文部分内容阅读
摘要：PID控制是一种应用很普遍的控制技术，目前在很多方面都有广泛的应用。本文主要研究的是PID控制器继电自整定方法。根据瑞典学者K.J.Astrom提出的在继电反馈自动整定PID控制参数理论，在Z-N方法整定出PID基础上，对继电自整定作了进一步的深入研究。
关键词：PID 自动控制 自整定 继电
一、引言
PID控制算法是迄今为止最通用的控制策略，PID调节器是工业过程控制中最常用的控制器。一个大的工业生产过程可能包含上千个控制器，它们必须被分别整定以提供良好的及鲁棒的控制性能。整定过程如果由手动来完成，整定费时费力，得到的系统性能主要取决于工程师具有的经验和过程知识[1]。实际上，有许多工业控制回路PID参数整定较差。自整定对于研究者和现场工程师具有极其重要的意义。
通过自整定技术，可以实现控制器按照操作者和外部信号要求来进行自动整定，同时能够实现在线整定，工业过程控制已经清楚地表明这是一个高度需要和十分有价值的技术。国内外许多专家学者致力于这方面的研究，已经取得了一些重大的成果，国外已有商品化的控制器应用于实际工业过程控制中，但国内用于商品化研究还很少。
二、PID自整定控制的研究现状及发展
将过程对象的动态性能的确定和PID控制器参数的计算方法结合起来就可实现PID控制的自整定。自整定的含义是控制参数可根据用户需要自动整定，用户可以通过按动一个按钮或给控制器发送一个命令来启动自整定过程。
自从有了PID控制，回路整定就一直是人们研究的问题之一。许多整定方法及公式已经开发出来。最早提出的PID参数工程整定方法是1942年由Ziegler和Nichlos提出简称为Z-N整定公式，尽管时间已经过去半个世纪了，但至今还在工业控制中普通应用。1953年Cohn和Coon继承和发展了Z-N公式，提出了一种考虑被控过程时滞大小的Conhn-Coon的整定公式。近年来，国内外不少学者研究PID调节器参数自整定的方法，并取得了很大的进展。如基于过程特征参数按ITAE最佳传递函数的PID控制器自整定技术，基于给定相位裕度的PM法，基于给定相位裕度和幅值度的SPAM法等等[2][3]。
关于PID自整定方法的研究，国内已有大量的文献发表。Astorm和Hagglund于1998年出版了专著《PID控制自整定》，特别是近年来，国际自动控制领域对该课题的研究仍在继续，许多重要的国际杂志不断发表新的研究成果。如Automiac，Control Engineer Practic，IEEE Trans.On Control System Technology等。Astorm和Hagglund于1995年再次出版了《PID控制器（第二版）》。王等（2000），Astrom&Haglund(2001)，Cominos&Munro(2002)分别PID控制器参数整定方法作了综述和展望[4][5][6]。
三、研究的主要思想和实现
Astorm和Hagglund提出了在继电馈下观测被控程的极限的环振荡自整定方法。在自整定调节期间，继电控制使过程产生极限环振荡，由振荡曲可以得到动态过程数学模型特征参数 和 ，再利用Z-N整定公式计算PID参数。
1.继电反馈的基本原理
继电反馈的基本思想是在控制系统中设置两种模态：测试模态和调节模态，在测试模态下，由一个继电非线性环节来测试系统的振荡频率和增益，而在调节模态下，由系统的特征参数首先得到PID控制器，然后由此控制器对系统的动态性能进行调节。调节过程结束后，系统切换到PID控制。如果系统的参数发生变化，则需要重新进入测试模态进行测试，测试完毕之后再回到调节模态进行控制[7]。如图1所示。
图1 继电整定的原理框图
2.继电整定法
在实际的工业过程控制中，继电控制信号往往是系统执行器的输入信号，这个信号不能为
负值。因而只能在仪表最大控制量程内施加一Bang-Bang控制信号[8]。
图2 自整定过程曲线
如图4-3所示。其中 表示控制信号的中值，为划分对称继电特性的振幅。在实际应用中，公式（4-5）中A的计算是通过测量系统的峰-峰值求A的。当输出几个振荡周期时，测出每个周期内的最大，则振幅
（4-6）
如果输出曲线的振荡的上下幅值相同，可用求相邻2次过零的时间来计算，即
（4-7）
准确来说，可按等幅振荡峰值对应的时间来计算，即
（4-8）
3．继电自整定算法[9]
（1） 启动自整定按钮；
（2） 计算误差e(t)=sv-pv，当e(t)>0时，取控制量的最大值，当e(t)<0时，取控制量的最小值；
（3） 计算临界振荡参数 和kU；
（4） 利用PID参数整定，求出PID参数的值；
（5） 退出自整定过程，转入PID控制模式。
四 继电自整定Matlab的仿真实现
一般而言，对控制系统进行计算机仿真，首先应建立系统模型。在继电自整定的仿真研究中，选用二阶惯性加纯滞后环节（
）为研究对象，其传递函数为（）为研究对象，可以建立图3的系统仿真模型。
图3 系统仿真模型
对该模型利用自整定算法，在Matlab语言中采用M语言进行编程。仿真结果如图4所示。
图4 仿真结果
五、结论
仿真结果表明，继电整定的PID参数，能平稳达到设定值，满足控制的要求。继电振荡整定法是实现PID参数在线自整定的有效方法，本文就整定的有关技术进行了初步研究，对研究PID自整定控制器有一定的参巧价值。
参考文献：
1.王伟,张晶涛，柴天佑.PID参数先进整定方法综述.自动化学报，2000,vol.(3):347-335
2.Cominos & Munro N. PID controllers:recent tuning methods and design to specification. IEEE Proceedings-Control theory and application,2002,vol.(1):46-53
3.何颖,鹿蕾,赵争鸣.PID参数自整定方法概述.现代电子技术，2004, 24:32-34
4.Zhang M & Atherton D.P. Tuning of optimum PID controllers. Proceedings of IEE,1993,140:216-224
5.Schei T.S. Automatic tuning of PID controllers based on transfer function estimation. Automatica, 1994, vol.(2): 1983-1989
6.Hang C.C.& Sin K.K．An on-1ine auto-tuning method based on cross--correlation．IEEE Transactions on Industrial Electronics, 1991, 38(6):428-437
7.Schei T.S. A method for closed loop automatic tuning of PID controllers. Automatica, 1992, vol.(1):587-591
8.Astrom K.J.& Hagglund T.Automatic tuning of simple regulators with specifications on phase and amplitude margins．Automatica，1984，20(5):645-651
9.Schei T.S．A method for closed loop automatic tuning of PID controllers．Automatica，1992，16(2):789-831
关键词：PID 自动控制 自整定 继电
一、引言
PID控制算法是迄今为止最通用的控制策略，PID调节器是工业过程控制中最常用的控制器。一个大的工业生产过程可能包含上千个控制器，它们必须被分别整定以提供良好的及鲁棒的控制性能。整定过程如果由手动来完成，整定费时费力，得到的系统性能主要取决于工程师具有的经验和过程知识[1]。实际上，有许多工业控制回路PID参数整定较差。自整定对于研究者和现场工程师具有极其重要的意义。
通过自整定技术，可以实现控制器按照操作者和外部信号要求来进行自动整定，同时能够实现在线整定，工业过程控制已经清楚地表明这是一个高度需要和十分有价值的技术。国内外许多专家学者致力于这方面的研究，已经取得了一些重大的成果，国外已有商品化的控制器应用于实际工业过程控制中，但国内用于商品化研究还很少。
二、PID自整定控制的研究现状及发展
将过程对象的动态性能的确定和PID控制器参数的计算方法结合起来就可实现PID控制的自整定。自整定的含义是控制参数可根据用户需要自动整定，用户可以通过按动一个按钮或给控制器发送一个命令来启动自整定过程。
自从有了PID控制，回路整定就一直是人们研究的问题之一。许多整定方法及公式已经开发出来。最早提出的PID参数工程整定方法是1942年由Ziegler和Nichlos提出简称为Z-N整定公式，尽管时间已经过去半个世纪了，但至今还在工业控制中普通应用。1953年Cohn和Coon继承和发展了Z-N公式，提出了一种考虑被控过程时滞大小的Conhn-Coon的整定公式。近年来，国内外不少学者研究PID调节器参数自整定的方法，并取得了很大的进展。如基于过程特征参数按ITAE最佳传递函数的PID控制器自整定技术，基于给定相位裕度的PM法，基于给定相位裕度和幅值度的SPAM法等等[2][3]。
关于PID自整定方法的研究，国内已有大量的文献发表。Astorm和Hagglund于1998年出版了专著《PID控制自整定》，特别是近年来，国际自动控制领域对该课题的研究仍在继续，许多重要的国际杂志不断发表新的研究成果。如Automiac，Control Engineer Practic，IEEE Trans.On Control System Technology等。Astorm和Hagglund于1995年再次出版了《PID控制器（第二版）》。王等（2000），Astrom&Haglund(2001)，Cominos&Munro(2002)分别PID控制器参数整定方法作了综述和展望[4][5][6]。
三、研究的主要思想和实现
Astorm和Hagglund提出了在继电馈下观测被控程的极限的环振荡自整定方法。在自整定调节期间，继电控制使过程产生极限环振荡，由振荡曲可以得到动态过程数学模型特征参数 和 ，再利用Z-N整定公式计算PID参数。
1.继电反馈的基本原理
继电反馈的基本思想是在控制系统中设置两种模态：测试模态和调节模态，在测试模态下，由一个继电非线性环节来测试系统的振荡频率和增益，而在调节模态下，由系统的特征参数首先得到PID控制器，然后由此控制器对系统的动态性能进行调节。调节过程结束后，系统切换到PID控制。如果系统的参数发生变化，则需要重新进入测试模态进行测试，测试完毕之后再回到调节模态进行控制[7]。如图1所示。
图1 继电整定的原理框图
2.继电整定法
在实际的工业过程控制中，继电控制信号往往是系统执行器的输入信号，这个信号不能为
负值。因而只能在仪表最大控制量程内施加一Bang-Bang控制信号[8]。
图2 自整定过程曲线
如图4-3所示。其中 表示控制信号的中值，为划分对称继电特性的振幅。在实际应用中，公式（4-5）中A的计算是通过测量系统的峰-峰值求A的。当输出几个振荡周期时，测出每个周期内的最大，则振幅
（4-6）
如果输出曲线的振荡的上下幅值相同，可用求相邻2次过零的时间来计算，即
（4-7）
准确来说，可按等幅振荡峰值对应的时间来计算，即
（4-8）
3．继电自整定算法[9]
（1） 启动自整定按钮；
（2） 计算误差e(t)=sv-pv，当e(t)>0时，取控制量的最大值，当e(t)<0时，取控制量的最小值；
（3） 计算临界振荡参数 和kU；
（4） 利用PID参数整定，求出PID参数的值；
（5） 退出自整定过程，转入PID控制模式。
四 继电自整定Matlab的仿真实现
一般而言，对控制系统进行计算机仿真，首先应建立系统模型。在继电自整定的仿真研究中，选用二阶惯性加纯滞后环节（
）为研究对象，其传递函数为（）为研究对象，可以建立图3的系统仿真模型。
图3 系统仿真模型
对该模型利用自整定算法，在Matlab语言中采用M语言进行编程。仿真结果如图4所示。
图4 仿真结果
五、结论
仿真结果表明，继电整定的PID参数，能平稳达到设定值，满足控制的要求。继电振荡整定法是实现PID参数在线自整定的有效方法，本文就整定的有关技术进行了初步研究，对研究PID自整定控制器有一定的参巧价值。
参考文献：
1.王伟,张晶涛，柴天佑.PID参数先进整定方法综述.自动化学报，2000,vol.(3):347-335
2.Cominos & Munro N. PID controllers:recent tuning methods and design to specification. IEEE Proceedings-Control theory and application,2002,vol.(1):46-53
3.何颖,鹿蕾,赵争鸣.PID参数自整定方法概述.现代电子技术，2004, 24:32-34
4.Zhang M & Atherton D.P. Tuning of optimum PID controllers. Proceedings of IEE,1993,140:216-224
5.Schei T.S. Automatic tuning of PID controllers based on transfer function estimation. Automatica, 1994, vol.(2): 1983-1989
6.Hang C.C.& Sin K.K．An on-1ine auto-tuning method based on cross--correlation．IEEE Transactions on Industrial Electronics, 1991, 38(6):428-437
7.Schei T.S. A method for closed loop automatic tuning of PID controllers. Automatica, 1992, vol.(1):587-591
8.Astrom K.J.& Hagglund T.Automatic tuning of simple regulators with specifications on phase and amplitude margins．Automatica，1984，20(5):645-651
9.Schei T.S．A method for closed loop automatic tuning of PID controllers．Automatica，1992，16(2):789-831