CN109298631A - 一种基于传统pid控制器附加二次比例系数的自适应参数整定方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于传统PID控制器附加二次比例系数的自适应参数整定方法，其在PID控制器中加入了关于***偏差的二次项，这样使得比例系数随着***偏差在不断地改变，增加了灵活性，本发明针对此类PID控制器进行了整定方法的研究，通过选择加入二次比例参数的时机来完整该控制器的参数整定，优化后的方法的稳定性更强，抗干扰能力强，且适用性广。

Description

一种基于传统PID控制器附加二次比例系数的自适应参数整 定方法
技术领域
本发明涉及自动控制器领域，具体涉及一种基于传统PID控制器附加二次比例系数的自适应参数整定方法。
背景技术
在工业的发展过程中，随着智能化水平的提升，新的控制方法也在不断地被提出，但是这些方法在实际应用上，都没有很好的效果，传统的PID控制方法应用比例仍达到90％以上。在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简称PID控制，又称PID调节。PID控制器问世至今已有近70年历史，它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时，控制理论的其它技术难以采用时，***控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用PID控制技术最为方便。即当不完全了解一个***和被控对象，或不能通过有效的测量手段来获得***参数时，最适合用PID控制技术。PID控制，实际中也有PI和PD控制。PID控制器就是根据***的误差，利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制的。
传统的PID控制方法虽然简单易行，通用性好，但是也有其弊端，在使用固定的PID参数时，会使得对不同偏差要求不同的响应速度难以实现，在目前，也有模糊PID的方法可使用，但是这种方法的缺点是需要建立适当的规则库，然而这个过程及其的耗时间，而且需要大量的实验数据支持，以至于大家对于这种方法的使用没有那么的广泛。
发明内容
(一)要解决的技术问题
基于此，在调试AGV小车的过程中，本发明提出了一种新的基于传统PID控制器附加二次比例系数的自适应参数整定方法，这种方法可以解决PID参数对于***偏差响应的适应性不够的缺陷，同时也不需要模糊PID建立规则库所需要的大量时间和精力。
(二)技术方案
为了达到上述目的，本发明提供了一种基于传统PID控制器附加二次比例系数的自适应参数整定方法，所述整定方法包括如下步骤：
S1：先使用临界比例法，将PID控制器作为纯比例控制器，在输入端加入阶跃响应，在实际调试的过程中，在输入端加入一个输入偏差来观察扰动，并且采集***误差，调整比例系数Kp的数值来使整个***对阶跃输入的响应达到临界状态，而这个临界状态需要同时满足如下两个条件(1)-(2)：
条件(1)：***响应的超调量σ尽量的小，满足***的误差要求；
σ＝(Y(tm)-Y(∞))/Y(∞)*100％
Y(tm)为***响应最大偏离值；Y(∞)为***稳定时的响应值；
条件(2)：设置调节时间ts到达并保持在终值±5％内所需最短时间，使得***响应的调节能力能够矫正***偏差；
S2：加入微分系数，在对数据进行分析的基础上应用凑试法，进一步缩小超调量，最终能够确定微分系数Kd的大致范围，在此基础上，经过反复调试会得到一个较为合理的值，此时就是所述二次比例系数的加入时机；
S3：设置传统PID控制器控制参数中的比例系数Kp相应于***误差的关系为二次型函数，此时比例系数Kp即为所述的二次比例系数，随着***误差的增大，Kp做出二次的变化，其满足以下公式：
其中，Kp0为比例系数Kp的基础值，其在调试之前已经确定好，e为***误差，K为二次系数，在Kp0已确定的情况下，为使得公式右边两项对Kp具备同等权重，设置Kp0与K*e2的数量级相等，故K的数量级可通过e(t)的数量级确定K，K取值为K≤9，采用凑试法，输入e(t)以检测***的运行偏差范围，取范围最小时K的值；
S4：在整个PID整定过程中，***的阶跃输入要保持恒定，当一组PID参数基本确定时，再改变***输入，针对响应的情况，对PID参数进行适当的微调。
进一步的，设置所述PID控制器具体为PD控制器。
进一步的，所述***为AGV小车的位置或者角度的闭环控制***。
(三)有益效果
由上述技术方案可知，本发明提出了一种新的基于传统PID控制器附加二次比例系数的自适应参数整定方法，其有益效果在于：
1.对于传统的PID控制策略提出了新的改善方法，传统的PID方法对于***的动态响应效果不能达到极致的效果，在加上二次P的优化后，***响应更加速，抗干扰能力强。
2.本发明的改善的重点是在PID参数的优化上，即在的基础值上，加入了关于***偏差的二次项，这样使得比例系数随着***偏差在不断地改变，增加了***的灵活性，该方法特别适用于附加二次比例系数的PID控制器，也可以适用于任何需要较好动态性能的***，该整定方法简单易行，且稳定性、适应性强。
附图说明
通过参考附图会更加清楚的理解本发明的特征和优点，附图是示意性的而不应理解为对本发明进行任何限制，在附图中：
图1为本发明的基于传统PID控制器附加二次比例系数的自适应参数整定方法的流程图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在现有技术的PID控制器中，具有如下的偏差计算公式：
e(t)＝r(t)-y(t)
其中r(t)是给定值，y(t)是实际输出值，给定的值与实际输出的值构成控制输入偏差e(t)。
e(t)作为PID控制的输入，u(t)作为PID控制器的输出和被控对象的输入。所以模拟PID控制器的控制规律为：
计算机控制本身是一整离散控制方法，所以需要对信号进行离散化处理：
t≈kT(k＝0，1，2......)
上式中，为了表示的方便，将类似于e(kT)简化成ek等。
将上式代入前式中，就可以得到离散的PID表达式为：
其中Kp为控制器的比例系数，Ti为控制器的积分时间，也称积分系数，Td为控制器的微分时间，也称微分系数。
传统的PID的比例系数Kp只是一个固定的参数值，这样***的动态性能并不会太好，正如上式所表达，本发明提出了在的基础上，加入一个关于***误差的二次项K*e2，在实际应用中，AGV小车再加入这个方法之后确实对于***输入偏差的适应性大大加强。
同时，因为本发明的整定方法测试所选择的被控对象是需要很好动态性能的AGV方向的调控***，故本发明中只用到了PD控制方法，当然其也可适用于其它的PID控制方法。其中，本发明中的具体附加的二次比例系数公式为：
在实际应用中，计算机***一般是采用恒定的采样周期T，但是，我们需要注意的是在采样周期的选择上，要遵循香农(Shannon)采样定理，为了不失真地复现信号的变化，采样频率至少应大于或者等于连续信号最高频率分量的二倍。根据采样定律可以确定采样周期的上限值。
注：实际采样周期的选择还要受到多方面因素的影响，不同的控制***采样周期的选择要根据具体的情况来确定。这样，我们才可以来确定PID参数中的比例系数Kp，积分系数Ki以及微分系数Kd。此处应用中经试验验证得，可对Kd进行常数化处理，以简化调试过程；在实际应用的一般情况下，次要调试的应该是积分系数，但是小车***的舵轮要求的是快速性和准确性，我们不需加入积分系数，这样小车的动态性能更好，故此处不考虑Ki项，至对Kp和Kd进行调试。
基于上述附加二次比例系数Kp的PD控制器，本发明创新性的提出不同于传统方法的PID参数整定方法，如图1所示，其包括如下步骤(1)-(4)：
(1)在基本参数的整定上，我们采用经验法。在香农采样定理约束下的范围内，需要多次反复的实验，为了减少凑试次数，提高工作效率，可以先使用临界比例法，在设置好采样周期后，先将控制器作为纯比例控制器，在输入端加入阶跃响应，在实际调试小车的过程中，在输入端加入一个位置偏差，来观察小车的运动轨迹，并且采集小车的位置误差，调整比例系数Kp的数值来使整个小车***对阶跃输入的响应达到临界状态，而这个临界状态，满足两个条件1-2：
1.***响应的超调量σ尽量的小，满足***的误差要求；
σ＝(Y(tm)-Y(∞))/Y(∞)*100％
Y(tm)--***响应最大偏离值；
Y(∞)--***稳定时的响应值；
2.***响应的调节能力能够矫正***偏差，常用指标为调节时间ts；调节时间ts指响应到达并保持在终值±5％(也有±2％)内所需最短时间；
(2)此时我们加上微分系数，应用凑试法，在对数据进行分析的基础上，进一步缩小超调量，首先确定微分系数Kd的大致范围，在此基础上，经过反复调试会得到一个较为合理的值。此时就是我们″二次P″的加入时机。
(3)″二次P″的常数项也就是我们的基础在之前已经确定好，其即是在步骤(1)中调试好的Kp，这时候就可以调试二次系数K了，二次系数和***误差平方的乘积作为比例参数P重要的组成部分，是整个参数整定过程中，最为重要的环节。这个参数也是在与基础Kp相对的比重上进行参数的调整，加上***对于动态性能的要求，从而进行如下的合理设置：
已知
在已确定的情况下，为使得两项对Kp的同等权重，使与K*e(t)2的数量级相等，故K的数量级可通过e(t)的数量级确定，K则可得到一个小于等于[1，9]的取值范围。
采用凑试法，输入e(t)以检测AGV小车的运行偏差范围，取范围最小时K的值。
(4)在整个PID整定过程中，***的阶跃输入要保持恒定，当一组PID参数基本确定时，再改变***输入，针对响应的情况，对PID参数进行适当的改变。
需要注意的是，本发明的控制***可以是AGV小车的位置或者角度的闭环控制***等任何需要较好动态性能的***，且其PID控制器参数整定方法属于技术方案，因为PID控制器整定方法是根据被控过程的特性来确定PID控制器的最优参数组合以取得最好的控制效果。因此，本案请求保护的方案可归属于自动控制器这一技术领域，其也具备实际且广泛的技术效果。
相对于现有技术，本发明的有益效果在于：
1.新提出的PID参数可以适用于任何需要较好动态性能的***，适用性广，在参数的调节方法上，进行了进一步的优化；
2.相较于传统的PID控制方法，优化后的方法的稳定性更强，抗干扰能力强。
在本发明中，术语″第一″、″第二″、″第三″仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。术语″多个″指两个或两个以上，除非另有明确的限定；虽然结合附图描述了本发明的实施方式，但是本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下做出各种修改和变型，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

Claims (3)

1.一种基于传统PID控制器附加二次比例系数的自适应参数整定方法，其特征在于，所述整定方法包括如下步骤：
S1:先使用临界比例法，将PID控制器作为纯比例控制器，在输入端加入阶跃响应，在实际调试的过程中，在输入端加入一个输入偏差来观察扰动，并且采集***误差，调整比例系数Kp的数值来使整个***对阶跃输入的响应达到临界状态，而这个临界状态需要同时满足如下两个条件(1)-(2)：
条件(1)：***响应的超调量σ尽量的小，满足***的误差要求；
σ＝(Y(tm)-Y(∞))/Y(∞)*100％
Y(tm)为***响应最大偏离值；Y(∞)为***稳定时的响应值；
条件(2)：设置调节时间ts到达并保持在终值±5％内所需最短时间，使得***响应的调节能力能够矫正***偏差；
S2:加入微分系数，在对数据进行分析的基础上应用凑试法，进一步缩小超调量，最终能够确定微分系数Kd的大致范围，在此基础上，经过反复调试会得到一个较为合理的值，此时就是所述二次比例系数的加入时机；
S3：设置传统PID控制器控制参数中的比例系数Kp相应于***误差的关系为二次型函数，此时比例系数Kp即为所述的二次比例系数，随着***误差的增大，Kp做出二次的变化，其满足以下公式：
其中，Kp0为比例系数Kp的基础值，其在调试之前已经确定好，e为***误差，K为二次系数，在Kp0已确定的情况下，为使得公式右边两项对Kp具备同等权重，设置Kp0与K*e2的数量级相等，故K的数量级可通过e(t)的数量级确定K，K取值为K≤9，采用凑试法，输入e(t)以检测***的运行偏差范围，取范围最小时K的值；
S4：在整个PID整定过程中，***的阶跃输入要保持恒定，当一组PID参数基本确定时，再改变***输入，针对响应的情况，对PID参数进行适当的微调。
2.根据权利要求1所述的整定方法，其特征在于：设置所述PID控制器具体为PD控制器。
3.根据权利要求1所述的整定方法，其特征在于：所述***为AGV小车的位置或者角度的闭环控制***。
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