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PID控制器参数整定方法综述

更新时间：2019-12-29 13:20:16 大小：209K 上传用户：15920593271查看TA发布的资源 标签：PID控制器整定 下载积分：2分 评价赚积分 （如何评价?） 打赏 收藏 评论(0) 举报

资料介绍

PID算法整定

在分析、总结大量文献资料的基础上, 对目前使用较广泛的控制系统参数整定方法进行了
归纳、分类, 分析了各类方法的特点, 并讨论了离线、在线整定等问题

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电ꢀ力ꢀ系ꢀ统ꢀ自ꢀ动ꢀ化  
Automation of Elect ric Pow er Systems  
1997 年 8 月ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ  
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ第 21 卷ꢀ第 8 期  
79  
控制器参数整定方法 述  
PID  
刘ꢀ镇ꢀ姜学智ꢀ李东海  
( 清华大学热能系ꢀ100084ꢀ北京)  
摘ꢀ要ꢀ在分析、总结大量文献资料的基础上, 对目前使用较广泛的控制系统参数整定方法进行了  
归纳、分类, 分析了各类方法的特点, 并讨论了离线、在线整定等问题。  
关
ꢀPID 控制ꢀ参数整定ꢀ离线整定ꢀ在线整定  
案。常用的辨识方法有参数模型辨识方法和非参数  
模型辨识方法。  
0ꢀ引言  
近几十年来, 现代控制理论迅速发展, 出现了许  
对象参数模型辨识方法( 亦称现代的辨识方法)  
是在假定一种模型结构的基础上, 通过极小化模型  
与过程之间的误差准则函数来确定模型的参数, 比  
较常用的方法有最小二乘法、梯度校正法、极大似然  
法。若模型结构无法事先确定, 则必须利用结构辨识  
方法先确定模型的结构参数( 如阶次、纯迟延等) 。在  
辨识得到对象的参数模型后, 可用的参数整定方法  
有: 极点配置整定法, 相消原理法, 内模控制法  
多先进的控制算法, 但到目前为止, 过程工业控制中  
实际应用最多的仍是常规的  
控制算法。这是因  
PID  
控制具有结构简单、容易实现、控制效果好  
为
PID  
和鲁棒性强等特点, 且  
算法原理简明, 参数物  
PID  
理意义明确, 理论分析体系完整, 为广大控制工程师  
所熟悉。但在生产现场往往由于参数整定不好而使  
PID 控制器控制效果欠佳。因此, 多年来人们致力于  
研究 PID 控制器参数的整定方法, 提出了各种各样  
的方法。  
(
) , 增益、相角裕量法(  
) , 基于二次型性能  
IM C  
GPM  
指标(  
/
/
) 的参数优化方法。这类方法  
ITAE IT E ISE  
对特性分明的被控对象的控制参数整定是十分有效  
的, 但这种方法比较复杂, 要得到精确的数学模型,  
需要较复杂的试验手段和数学手段, 并且这种方法  
对被控过程模型有较强的限制, 因而对不能或难以  
用精确数学模型描述的复杂过程难以奏效, 这也是  
目前阻碍这类方法广泛应用的主要原因之一。  
非参数模型辨识方法( 亦称经典辨识方法) 获得  
的模型是对象的非参数模型, 即对象的阶跃响应、脉  
冲响应、频率响应等, 其表现形式是以时间或频率为  
自变量的实验曲线。这种方法在假定过程是线性的  
前提下, 不必事先确定模型的具体结构, 因而可适用  
于任意复杂的过程。其所得的非参数模型经适当的  
数学处理, 可转变为参数模型——传递函数形式, 而  
后应用适当的整定方法或计算公式可得控制器参  
数。  
1ꢀ  
整定方法 述  
PID  
控制器参数整定, 是指在控制器的形式已  
PID  
经确定(  
,
调节规律) 的情况下, 通过调整控制  
PI PID  
器参数, 达到要求的控制目标。  
到目前为止, 国内外对 PID 控制器参数整定方  
法的研究已有几十年的历史, 提出的方法多种多样,  
归纳起来大致有以下几类: 基于被控过程对象参数  
辨识的整定方法; 基于抽取对象输出响应特征参数  
的整定方法; 参数优化方法; 基于模式识别的专家系  
统整定方法及目前发展很快的基于控制器自身控制  
ꢀ
行为( 以偏差 e、偏差变化率e 表征) 的控制器参数在  
线整定方法等。其中第一种方法需建立对象数学模  
型, 第二种方法只需对象在奈氏( N yquist) 曲线上一  
点的信息, 后三种方法不依赖于对象的数学模型。  
1. 1ꢀ基于 象参数辨 的整定方法  
目前工程上常用的方法是对过程对象施加阶跃  
输入信号, 测取过程对象的阶跃响应, 然后由阶跃响  
应曲线确定过程的近似传递函数。当阶跃响应曲线  
比较规则时, 近似法、半对数法、切线法和两点法都  
能比较有效地导出近似传递函数。其中最著名的方  
法是由Kupfmuller 提出的, 用一个带纯迟延的一阶  
惯 性 环 节 ( first order plus dead time, 简 写 为  
基于被控过程对象参数辨识的整定方法是利用  
辨识算法得出对象的数学模型, 在此基础上用整定  
算法对控制器参数进行整定。在这类方法中, 不同的  
辨识方法和整定算法的组合将形成不同的整定方  
1996- 11- 15收稿, 1997- 01- 24改回。  
80  
ꢀ
FOPDT ) 来近似描述对象特性。当对象的阶跃响应  
曲线呈现不规则形状时, 上述方法就不能获得满意  
的效果, 这时可采用面积法来获取所需数据。面积法  
计算量较大, 且必须正确选择传递函数阶次。李清  
泉、郭莉提出了一种基于特征面积法的一阶模型来  
近似实际工业受控对象[ 1] 。其算法简单, 有一定的实  
用价值。  
和不唯一性, 一个经合理整定的控制器应能容忍对  
象模型的某些摄动而保持系统稳定。由此可见, 可以  
压缩对象模型的信息量, 而抽取其主要特征进行参  
数整定。目前, 基于对象输出响应特征值来进行  
PID  
参数整定的方法较多, 比较常用的是基于开环对象  
曲线上的一个特征点的知识来进行控制器  
Nyquist  
参数整定, 比较著名的有闭环  
—
Z N  
方法、继电整定  
在取得了对象的  
近似模型后, 可应用  
法等。  
FOPDT  
很多整定方法和公式进行控制器参数整定, 其中最  
著名的是 整定公  
整定公式[ 2] 及  
闭环  
法) [ 2] , 是  
—
Z N  
方法( 也称临界比例度法、稳定边界  
—
Z N  
—
和
在1942年提出的, 方法  
Nichlos  
Cohen Coon  
Ziegler  
式[ 3] 。Lopez 在对象的 FOPDT 模型上进行误差积  
分准则寻优[ 4] , 并提出了一套参数整定公式。当对象  
动态特性十分接近 FOPDT 模型时, Lopez 法整定  
的参数将使系统达到或接近 IAE 或 ISE 最优; 当对  
象是一多容环节, 与 FOPDT 模型特性差别较大时,  
Lopez 法仍将得到较好的结果, 即系统 IAE 或 ISE  
指标较小。  
是将对象与一纯比例控制器接成闭环, 将比例作用  
由小到大变化, 直至系统输出出现不衰减的等幅振  
荡, 记录下临界振荡周期 P  
u
和增益 G , 则控制器参  
u
数可通过查表确定。  
过程工业中存在许多不确定因素, 要得到真正  
的等幅振荡并保持一段时间是相当困难的。如不慎  
则常常会引起增幅振荡, 对要求较严格的生产过程,  
这个方法不实用。因此, 可采用与临界比例度相类似  
的衰减曲线法, 其大致思路是将对象与一纯比例控  
制器接成闭环, 由小到大调整比例作用, 使系统过渡  
阶跃响应法的局限性在于对含有积分作用的对  
象来说, 开环阶跃响应会无限增大。  
对象的非参数模型辨识方法除了阶跃响应法以  
外, 还有脉冲响应法、频率响应法、相关分析法和谱  
分析法等。脉冲响应法是测取对象在输入信号为理  
想脉冲信号时的输出响应曲线, 由图解法确定其一  
阶近似模型或二阶近似模型的参数; 频率响应法是  
获取过程对象的频率响应, 在 Bode 图上图解或用  
Levy 法估计其传递函数模型。上述几种非参数模型  
辨识方法对噪声都较敏感, 而相关分析法和谱分析  
法则对噪声有着较强的鲁棒性。相关分析法是通过  
过程达到4ꢁ1衰减。记下此时的控制器比例带 ꢀ  
振荡周期 T , 然后根据经验公式组成的表格计算出  
相应的优化整定参数。  
s
和
s
李卫东等提出一种抽取对象特征参数的方  
法[ 5] , 其设计的主要步骤是将对象与一纯比例控制  
器接成闭环, 由小到大调整其比例系数, 使闭环系统  
的阶跃响应有较大的超调, 此时的闭环对象单位阶  
跃响应近似一个二阶系统的衰减振荡。抽取其衰减  
振荡的周期 T  
2 / T , 进而近似估算其产生等幅振荡时的临界振  
荡频率 ꢁ , 用所得特征参数计算 PID 控制器的参  
d
, 计算其 衰减振荡的频 率 ꢁ  
d
=
计算输入、输出信号的相关函数, 对对象的频率响应  
和脉冲响应进行辨识, 也可采用伪随机序列作为输  
入信号, 辨识出对象的数学模型, 这种方法能克服噪  
声的影响; 谱分析法通过估计对象输入数据的自谱  
密度和输入、输出数据的互谱密度来辨识过程的频  
率响应, 这种方法不同于前面几种非参数模型辨识  
的最大特点是不需对过程对象施加试验信号, 只需  
利用正常操作下的输入输出数据就可辨识过程的动  
态特性, 因此使用方便, 且有较强控制噪声的能力。  
辨识出对象的数学模型后, 就可应用前面介绍过的  
整定方法和整定公式进行控制器参数整定。  
d
p
数。此方法也可避免系统出现等幅振荡, 有一定的实  
用价值。  
以上几种方法均是把比例控制器与对象接成闭  
环,  
等人于1984年提出了继电整定法[ 6] 。用  
Astrom  
继电特性的非线性环节代替  
—
Z N  
法中的比例控制  
器, 能使闭环系统自动地稳定在等幅振荡的状态, 振  
荡的幅值也可通过改变继电特性的特征值控制。其  
优点是不会出现增幅振荡现象, 更不会使系统毁坏;  
缺点是对于纯滞后很小的低阶系统, 整定得到的参  
数往往偏大, 这是由于开环 Nyquist 曲线与负实轴  
的交点离原点太近所致。另外, 当存在噪声的场合,  
需用带滞环的继电环节, 而不能使用理想的继电环  
节。由继电法得到特征参数后, 可用幅值、相位裕度  
法( GPM ) 整定 PID 参数, 也可用其他方法和公式。  
1. 2ꢀ抽取  
程
象
出响 特征 的控制器参数  
整定方法  
基于对象模型辨识的参数整定方法算法较复  
杂, 且从控制器参数整定的角度看, 对象模型中含有  
的冗余信息量往往很大, 这些冗余信息并不影响控  
制器的参数整定, 且控制器参数往往具有不确定性  

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