CN107168047B - 提高重复补偿pid控制***的控制性能的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种改进的重复补偿PID控制***,在重复补偿PID控制器的延时环节所在支路上串联第二PID控制器,第二PID控制器与所述PID控制器的PID参数设置为相同,且位于延时环节之前。本发明还公开了一种上述***的构建方法,先在不加入第二PID控制器的基础上调节***参数,然后再加入第二PID控制器,第二PID控制器的PID参数不需要调节,沿用主支路上PID控制器的参数即可。使用本发明可以优化伺服***的参数,改善***延时对控制***的影响,而且伺服控制***稳定回路的调试时间还不会增加。
Description
技术领域
本发明涉及PID控制技术领域,具体涉及一种提高重复补偿PID控制***的控制性能的方法。
背景技术
很多导引头光学舱采用直流伺服***,要求跟踪输入指令快速无超调,控制回路性能指标高,抗扰动能力强等,这样就对直流伺服***提出了更高的要求,直流伺服***具有结构简单、重量轻,启动力矩大,调速范围宽,控制容易,维护方便等优点,在导引头光学舱中得到了广泛的应用。
常规PID控制器因其结构简单,不需要对象的精确数学模型,易于操作、适用面广等特点而得到了广泛的应用,但鲁棒性差,控制精度不高,适应能力较差,应用在伺服***中,参数调整时间长,很难提高***性能指标。因此需要改进常规PID控制算法,使其满足伺服***对稳定性的要求。
重复补偿控制原理来源于内模原理,其原理指的是,如果参考信号的发生器包含在一个稳定的闭环***中,被控输出就能无误差地跟踪参考信号。Inoue等人基于上述思想提出了重复补偿控制理论,利用内膜原理,在稳定闭环***内设置一个可以产生与参考输入同周期的内部模型,从而使***实现对外部周期参考信号的渐近跟踪。重复补偿控制***框图如图1所示。
重复补偿控制***中,加到被控对象上面的输入信号除了偏差信号之外,还叠加了上一周期同时刻的控制偏差,把上一次运行的偏差反映到现在,和当前的控制偏差叠加到一起对被控对象进行控制。如图2所示。图中r为输入信号,y为***输出,u为控制器输出,由于此***中具有一个延时因子,因此它的开环传递函数在虚轴上含有无数个极点。所以***对任何阶输入或干扰的***误差是渐近趋于零,鲁棒性较强。
重复补偿控制虽可以保证输出精度跟踪给定值,但它却有2个缺点:由图1可以看出,重复补偿得到的控制指令并不是立即输出,而是滞后一个参考周期才输出。如果***内部出现干扰,消除干扰对输出的影响至少要一个参考周期。干扰出现后的一个周期内,***对干扰并不产生调节作用,这一周期***几乎处于开环状态,存在一个延迟因子、控制器在第一个周期里,没有信号输出。
可见,现有的重复补偿PID控制方案会使伺服控制***稳定回路调试时间增加。
发明内容
有鉴于此,本发明提供了一种提高重复补偿PID控制***的控制性能的方法,可以优化伺服***的参数,改善***延时对控制***的影响,而且伺服控制***稳定回路的调试时间还不会增加。
为了解决上述技术问题,本发明是这样实现的:
一种改进的重复补偿PID控制***,在重复补偿PID控制器的延时环节所在支路上串联第二PID控制器,且位于延时环节之前;将第二PID控制器的PID参数设置为与所述重复补偿PID控制器的PID参数相同。
优选地,在两个PID控制器的PID参数被设置为相同的基础上,进一步对两个PID控制器进行参数微调。
基于上述***,本发明提供的一种提高重复补偿PID控制***的控制性能的方法,包括如下步骤:
步骤一、构建传统的重复补偿PID控制器,通过优化PID参数和延时环节参数,调试***的稳定指标,并根据***所需的频率在保证***稳定精度的基础上调节跟踪误差的频率;
步骤二、在延时环节所在支路上增加第二PID控制器,且位于延时环节之前,第二PID控制器的PID参数与步骤一构建的PID控制器的PID参数相同,从而在实现延时控制的基础上,改善跟踪精度和响应时间。
优选地,所述步骤一包括如下两个步骤:
步骤101:在闭环控制***中采用PID控制器,通过优化PID参数,调试***的稳定指标;
步骤102:在步骤101构建的PID控制器基础上增加与PID控制器并列的延时环节,根据***所需的频率,在保证***稳定精度的基础上调节跟踪误差的频率。
优选地,该方法进一步包括步骤三:微调两路PID控制器的参数,可以调节为不同数值,从而获得更加优化的***性能指标。
有益效果:
(1)为了解决重复补偿控制滞后输出和干扰延时的缺点,同时为了使***的控制性能得到提高,本发明在重复补偿延时环节前再增加一个PID控制器,对延时环节做出补偿,从而消除输出周期性的跟踪误差,减小***在负载下的输出畸变。
(2)该增加的PID控制器并非与原有的PID控制器独立,而是参数相同的PID控制器。常规PID进行参数补偿时,调节一个参数,同时影响隔离度和***幅频特性,寻找最优参数比较困难。改进重复补偿PID控制中具有两路PID补偿,两路PID具有相同参数,在保证***稳定特性,提高跟踪精度和响应时间的同时,不增加调节变量,从而减少了PID参数调整的困难和所需时间。
(3)当***性能指标需要微调时,可通过调节***的延时环节前的比例环节实现,方法简单,易于实现。
附图说明
图1为常规PID控制算法原理框图。
图2为重复补偿PID控制算法原理框图。
图3为改进重复补偿的PID控制***框图。
图4为常规PID控制器仿真框图。
图5为导引头光学舱直流伺服***重复补偿PID控制方位轴仿真图框图。
图6为导引头光学舱直流伺服***改进重复补偿PID控制方位轴仿真图框图。
图7为常规PID控制器跟踪误差曲线(跟踪误差幅值为0.037)。
图8为重复补偿PID控制器跟踪误差曲线(跟踪误差幅值为0.035)。
图9为改进重复补偿PID控制器跟踪误差曲线(跟踪误差幅值为0.025)。
图10为普通PID控制器阶越响应曲线超调量为1.41,响应时间为0.1s。
图11为重复补偿PID控制器超调量1.4,响应时间为0.13s。
图12为改进重复补偿PID控制器超调量1.48,响应时间为0.07s。
图13为普通PID控制器幅频特性曲线带宽32Hz,相角裕度65°,幅值裕度9.41。
具体实施方式
针对直流伺服***用常规PID控制方法,调节参数周期长,***精度难以提高的缺点,本发明提出了一种基于重复补偿的PID控制方案。该方案对重复补偿控制结构进行了改进。改进后的控制方案在保证***性能指标的同时,缩短了参数调节周期,提高了***隔离扰动的精度。
本发明所提供的控制方案在导引头光学舱上有着比较好的应用前景。本实施例就以某光学舱的直流电机作为控制对象,如图2所示,该***采用陀螺敏感控制对象的当前位置,进行反馈。PID控制器的输入为给定量r与控制对象的反馈量y的差值,该差值还输入到延时环节,PID控制器与延时环节的输出叠加后作为控制对象的输入。
针对该光学舱的直流电机进行仿真,通过矢量解耦,简化后得到的直流伺服***的开环传递函数为:
陀螺开环传递函数为:
下文的仿真均以上述两个传递函数为基础。
如图3所示,本发明在该重复补偿PID控制***的延时环节所在支路上进一步串联另一个PID控制器,该PID控制器与原PID控制器的PID参数设置为相同,且位于延时环节之前。该改进的重复补偿数字PID控制***的构建和参数优化过程为:
步骤101、搭建常规PID控制器
在控制***中采用PID控制器,通过优化PID参数,调试***的稳定指标,原理框图如图1所示,仿真框图如图4所示,***跟踪误差仿真曲线如图7所示,***阶越响应曲线如图10所示,***幅频特性曲线如图13所示。
步骤102、加入延时环节,形成重复补偿PID控制算法
在步骤101构建的常规PID控制器基础上增加与PID控制器并列的延时环节,根据***所需的频率,在保证***稳定精度的基础上调节跟踪误差的频率。原理框图如图2所示,仿真框图如图5所示,***跟踪误差仿真曲线如图8所示,***阶越响应曲线如图11所示。
本实施例先优化PID参数再加入延时环节优化延时环节参数是为了减少优化难度。在实际中也可以同时进行优化。
步骤103、改进重复补偿数字PID控制器
在延时环节前增加第二PID控制器,保证控制器两个PID相同参数,从而在实现延时控制的基础上,有效改善跟踪精度和响应时间。原理框图如图3所示,仿真框图如图6所示,***跟踪误差仿真曲线如图9所示,***阶越响应曲线如图12所示。
步骤104、微调两路PID控制器
微调两路PID控制器的参数,可以调节为不同数值,从而获得更加优化的***性能指标。
从仿真结果可以看出,伺服***在改进重复补偿PID控制下,响应与参考信号的误差小,改进重复补偿PID控制器,***的性能指标较好,***超调时间短,超调量小。
PID控制器主要是对输出跟踪误差进行实时的控制,减小不确定的干扰造成的输出畸变。当***处在稳态时,重复补偿控制器起主要的调节作用,使得稳态下输出能很好的跟踪参考信号;当***出现比较大的瞬态干扰时,PID控制会起到比较大的作用,调节输出信号,使跟踪误差迅速减小,这样就形成了基于重复补偿的PID控制结构。采用本发明提供的改进重复补偿PID控制算法构建的PID控制***,具有结构简单,设计合理和控制精度高等优点。
综上所述,以上仅为本发明的较佳实施例而已,并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (1)
1.一种提高重复补偿PID控制***的控制性能的方法,用于直流伺服***,其特征在于,包括如下步骤:
步骤一、构建传统的重复补偿PID控制器,通过优化PID参数和延时环节参数,调试***的稳定指标,并根据***所需的频率在保证***稳定精度的基础上调节跟踪误差的频率;
本步骤一包括如下两个步骤:
步骤101:在闭环控制***中采用PID控制器,通过优化PID参数,调试***的稳定指标;
步骤102:在步骤101构建的PID控制器基础上增加与PID控制器并列的延时环节,根据***所需的频率,在保证***稳定精度的基础上调节跟踪误差的频率;
步骤二、在延时环节所在支路上增加第二PID控制器,且位于延时环节之前,第二PID控制器的PID参数与步骤一构建的PID控制器的PID参数相同,从而在实现延时控制的基础上,改善跟踪精度和响应时间;
步骤三:微调两路PID控制器的参数,可以调节为不同数值,从而获得更加优化的***性能指标。
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