[發明專利]基于穩定裕度和動態響應指標的PID控制參數整定方法

有效

• 申請號: 202010481815.1
• 申請日: 2020-05-27
• 公開（公告）號: CN111812967B
• 公開（公告）日: 2023-05-26
• 發明（設計）人: 王家棟;陸海琛
• 申請（專利權）人: 浙江中控技術股份有限公司;浙江中控軟件技術有限公司
• 主分類號: G05B11/42
• 分類號: G05B11/42
• 代理公司: 杭州華鼎知識產權代理事務所(普通合伙) 33217
• 代理人: 項軍

本發明涉及PID控制領域，尤其涉及一種基于穩定裕度和動態響應指標的PID控制參數整定方法，包括：計算得到閉環回路控制系統的穩定裕度；根據閉環回路控制系統的穩定裕度計算得到PID控制參數；根據PID控制參數進行閉環控制系統階躍響應仿真，通過階躍響應曲線獲取動態響應指標，以間接地關聯穩定裕度和動態響應指標；基于穩定裕度和動態響應指標的關聯方式，通過對穩定裕度進行搜索以獲得優化問題的最優解，以對PID控制參數進行整定。通過使用本發明，可以實現以下效果：關聯PID控制參數和動態響應性能指標，從而提高了用戶友好度；使用的網格化搜索尋優可以直接給出滿足用戶對動態性能要求的最優解，從而提高了整定效率，避免了重復整定。

技術領域

本發明涉及PID控制領域，尤其涉及一種基于穩定裕度和動態響應指標的PID控制參數整定方法。

背景技術

比例積分微分(PID)控制是目前工業過程控制領域中最常見也是最有效的控制方法之一。據統計90％以上的自動控制回路采用了PID控制策略。PID控制的優點是：結構簡單、穩定性好、安全可靠、調整方便。

目前，應用較為廣泛的PID參數整定方法主要包括數據驅動型的整定方法和基于模型的整定方法。對于數據驅動型的參數整定方法，閉環控制性能一般不能較為準確地事先估計，因此不能根據實際動態響應需求來調整整定策略；其次，常常在整定過程中需要使過程達到某種特殊狀態并進行曲線的特征提取，例如：Z-N法、臨界比例度法、衰減曲線法等。另外，整定過程中通常存在較多的人機交互；如果過程響應時間較長，則整定會耗費較多時間。對于基于模型的整定方法，例如：Lambda法和基于內模控制的整定方法等，這些方法的優點是可以利用回路歷史數據批量整定大量回路；同時如果模型準確，那么閉環控制性能是可以根據用戶經驗進行調整的。但是，以上列舉的這些方法不能將整定參數與具體的閉環動態響應指標相關聯，因此用戶在參數整定過程中對閉環控制性能是沒有預期的。盡管用戶可以在整定后對參數進行調整，但是調整過程并不能充分保證閉環控制系統的穩定性。特別是當有大量PID回路需要整定時，例如裝置開車階段或者工況發生變化后，技術人員很難有時間對每個回路的參數進行精調直到出現較好的控制性能，一旦調整幅度過大，可能導致控制系統不穩定。

發明內容

為解決上述問題，本發明提出一種基于穩定裕度和動態響應指標的PID控制參數整定方法，以滿足閉環控制系統的魯棒穩定性。

基于穩定裕度和動態響應指標的PID控制參數整定方法，該方法應用于閉環回路控制系統，包括：

計算得到閉環回路控制系統的穩定裕度；

根據閉環回路控制系統的穩定裕度計算得到PID控制參數；

根據PID控制參數進行閉環控制系統階躍響應仿真，通過階躍響應曲線獲取動態響應指標，以間接地關聯穩定裕度和動態響應指標；

基于穩定裕度和動態響應指標的關聯方式，通過對穩定裕度進行搜索以獲得優化問題的最優解，以對PID控制參數進行整定。

優選的，所述穩定裕度包括增益裕度和相位裕度。

優選的，所述計算得到閉環回路控制系統的穩定裕度包括：

增益裕度A_m和相位裕度φ_m的計算公式如下：

其中，ω_g和ω_p分別為閉環回路控制系統的增益穿越頻率和相位穿越頻率，并且滿足：

優選的，所述根據閉環回路系統的穩定裕度計算得到PID控制參數包括：

定義被控對象模型G(s)為一階加時滯模型：