Pi參數混合整定法的製作方法
2023-06-19 06:11:01
專利名稱：Pi參數混合整定法的製作方法
技術領域：
本發明涉及PID控制技術領域，特別是涉及一種PI參數混合整定法。
背景技術：
PID控制是迄今為止最通用的控制算法。1915 1940年PID控制器經歷了從產生到普及的過程，推動了工業的極大進步。儘管自1940年至今，大量的專家學者提出了許多先進控制方法，但PID控制器以其結構簡單，計算量小，易於實現，而且還具有很強魯棒性等諸多優點，仍被廣泛應用於冶金、化工、電力和機械等各種工業過程控制中。目前，在全世界過程控制中，純PID調節器佔了 84 %，若將其改進型包含在內，則該比例超過90% (參見文獻1和2。文獻1《PID參數先進整定方法綜述》，王偉，張晶濤， 柴天佑，自動化學報，2000，沈(3) :348 355;文獻2《PID參數自整定方法概述》，何穎，鹿蕾，趙爭鳴· ·現代電子技術，2004，24 :20 23)。在對異步交流電機的控制中，通常採用矢量控制與PID控制器相結合的方式，PID 的參數整定可分為離線式和在線式兩種。離線式整定完全基於系統模型，但交流電機模型複雜，難以構建精確模型；在線式整定一般採用智能算法如模糊、神經網絡等，不依賴系統模型，但容易陷入局部最優值。當前許多應用中基本都採用較為簡單且易實現的在線整定， 不用花費大量精力構建系統數學模型，因此整定效果有限(參見文獻3-5。文獻3《一種 PID模糊控制器(fuzzy PI+fuzzy ID型)》，李慶春，沈德耀..控制與決策，2009，(07) 』文獻4《一種改進的單神經元PID控制策略[J]》，王秀君，胡協和，浙江大學學報(工學版)， 2011, (08)；文獻 5 為 B. M. Mohan, Arpita Sinha. The simplest fuzzy PID controllers mathematical models and stabilityanalysis[J]. Soft Computing，2006，10 (10))。從PID控制器出現以來，各種先進PID參數整定方法層出不窮，但在實際應用中， 這些方法很難達到令人滿意的效果，大多PID控制器的參數是依靠控制工程師所積累的現場調節經驗來整定的，費時費力，整定的參數也不具備通用性。其中一個典型的PID控制系統的結構如圖1所示。在日本、加拿大、和英國對工業實踐的調查顯示，有30%的控制器是手動整定的， 並且有20%依靠現場經驗，僅有很小比例的控制迴路工作在良好整定的條件下。當前比較流行且有效的參數自整定主要分為基於規則的自整定、基於模型的自整定和智能PID參數自整定(參見文獻1和2)。1.基於規則的自整定對於模型結構未知的系統，可採用基於規則的整定方法，根據控制器的輸出和過程變量的觀測值來表徵系統的動態特性，依據特定的規則計算出相應的PID參數，具有易執行、魯棒性較強的特點，可以綜合採用專家的整定經驗進行參數計算。這類方法中最著名的方法為ZN法(臨界比例度法)，目前常見的基於規則的整定方法大多是ZN法的改進算法。ZN法是Ziegler和Nichols於1942年提出的，不依賴於對象的數學模型，總結了前人在理論和實踐中的經驗，通過大量的實驗得到了經驗公式，從而計算出控制器的近似最優整定參數。對於圖1所示閉環系統，ZN整定方法為設凡=C ，Td = 0，即去掉積分和微分環節，僅保留比例控制。然後將Kp從0逐漸增大，直至系統階躍響應出現持續的等副振蕩為止。此時系統處於臨界狀態，對應的臨界增益(即臨界狀態下的Kp)為1，振蕩周期為Tu， 按表1確定最終的PID參數(表1中比例度δ = 1/κρ，臨界比例度為δ k = 1/KU)。實踐證明ZN法對計算出的PID參數基本能滿足控制要求，但其阻尼係數太小，不能產生令人滿意的幅相裕度，使得系統對參數的變化過於敏感。因此，每當控制流程中環境的變化導致系統參數發生改變，很可能使得PID控制器處於不穩定的工作狀態。在ZN法的改進算法中，應用最為廣泛的是Astrom和Hagglund提出的繼電反饋法(參見文獻 6 和 7。文獻 6 為 Chen Y Q, Moore K L. Relay feedback tuning of robust PlDcontrollers with iso-damping property. IEEE Transactions on Systems, Man, andCybernetics, Part B, 2005, 35(1) :23-31 ； t· 7 為 Jeng J C, Huang H P, Lin F Y. Modifiedrelay feed-back approach for controller Tuning based on assess-ment of gain and phasemargins[J]. Industrial andEngineering Chemistry Research,2006, 45(12) :4043-4051)。該方法較ZN法而言，選擇振蕩頻率更合理，使得控制迴路具有範圍更寬的增益和相角裕度，對振蕩頻率附近的幹擾魯棒性更強。基於規則的參數整定法計算簡單，易於推廣。但這類方法由於沒有獲取到閉環系統的精確數學模型，過於依賴經驗公式，難以適應千變萬化的工業環境，尤其是針對複雜的被控對象，整定出的參數往往不是最優參數，有時甚至會使控制系統產生振蕩；而且有些方法(如ZN法、繼電振蕩法等)需使系統產生周期性振蕩，這對一些特定控制系統是不允許的。因此，基於規則的整定法有較大局限性。2.基於模型的整定方法對於複雜被控對象(如高階系統)，由於系統具有太多不確定因素，如果不計算出數學模型，僅依靠手動整定或者基於規則的整定方法通常難以獲取到滿意的效果。參數模型辨識方法需一些結構辨識方法(如最小二乘法、梯度法、極大似然法等) 確定模型的結構，獲取到被控對象的模型參數，然後依據極點配置法、零極點相消法、幅相裕度法等設計PID控制器的參數。極點配置法是々計偽！！！在Wiellstead工作的基礎上提出來的，根據閉環系統性能要求來配置極點，達到預期控制目標。該方法適用於低階系統(二階或二階以下)對象，因為低階系統需辨識的參數較少，容易達到穩定狀態。零極點相消法由Astrom首先提出，其核心思想是通過配置控制器傳遞函數中的零極點，使其抵消被控對象傳遞函數中的一些零極點，通過零點提供較高的開環增益，減少斜坡輸入信號下的靜態誤差，通過極點抑制高頻噪聲，兼顧了整個系統的快速響應性和穩定性，使閉環系統達到預期工作狀態。幅相裕度法通過計算幅值和相角裕度配置PID參數，也可使系統具有的良好魯棒性。基於模型的整定方法由於能夠依據數學模型來計算出系統的傳遞函數，從而根據性能需要合理地配置PID參數。這類方法關鍵在於被控對象數學模型的精度，理論上來說， 只要構建的數學模型足夠精確，整定出的PID參數就是最優的。但在實際應用中，由於環境所限，構建的數學模型中一般都含有近似成分，不可能做到完全精準，因此獲取的PID參數通常只是接近最優參數；而且被控對象模型的構建也是一項較為複雜的工作，計算量大，理論性太強，限制了這類方法的使用。3.智能PID參數自整定由於人工智慧技術的飛速發展，其正被逐漸應用於PID參數整定中，在一些特定的應用場合也獲得了較好的效果。目前智能PID控制器主要有專家系統、模糊PID、神經網絡PID和參數尋優四種種類型。專家型PID控制器有一個存放PID整定經驗的知識庫，將實時獲取到的觀測數據按照啟發式推理機制搜索知識庫相應內容，選擇合適的PID參數，並對PID控制器實施在線實時的參數修改。專家整定法需要大量先驗知識，且不同目標對應知識也不一樣，且整理知識庫費時費力，因此不易推廣。模糊PID控制器和神經網絡控制器主要用於在線實時PID調節。模糊控制器根據誤差和誤差的變化，利用模糊推理方法對控制系統的PID參數進行實時監控並修正。模糊控制器計算量小，因此其實時性強，且結構簡單，目前已應用於許多控制系統中。神經網絡控制器則利用神經網絡的自學習功能整定參數，從而實現參數的最優化，但有時會陷入局部最小從而影響整定效果。參數尋優主要是可藉助計算機的強大計算能力，利用最優化算法或線性二次型指標等，搜索在特定性能指標下的最優參數。優化方法在一般情況下效果較好，但計算量和需求的存儲空間都很大，因此較難推廣應用。
發明內容
本發明所要解決的技術問題是提供一種PI參數混合整定法，以克服上述現有技術存在的問題。本發明解決其技術問題採用以下的技術方案本發明提供的PI參數混合整定法，是一種採用基於模型的離線式整定與模糊PI 在線整定相結合的混合整定法，具體是先根據矢量控制原理構建出異步電機交流調速系統的控制數學模型，採用恆轉矩啟動並自由停機的方法計算出轉動慣量，在異步電機交流調速系統運行前，先根據實際需求設定相應的性能參數，然後依據數學模型計算PI參數和內環補償量，其為系統最優PI參數；然後啟動系統，採用模糊PI控制器進行在線實時整定， 其中模糊控制器的核心為根據實際調試經驗提出新的PI控制規則表；最後通過對比實驗驗證PI參數的準確性。本發明提供的PI參數混合整定法，具體是採用包括以下步驟的方法(1)檢查交流調速系統連線是否正確，以保障系統正常運行；(2)閉合交流調速系統電源，確保電機處於靜止狀態；(3)根據現場需求設定性能參數，其包括阻尼比ζ和中頻段帶寬H參數；(4)啟動離線整定；(5)等待電機自由停機並自動計算出PI參數；(6)離線整定完畢後，開始正常使用該交流調速系統；設定目標速度並啟動電機， 在電機運行時模糊PI控制器會根據現場環境的改變而自動修正速度環PI參數；
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經過上述步驟，實現PI參數混合的整定。所述的離線整定，其需要在電機正常運行前以零速啟動，離線整定完畢後交流調速系統才能正常投入使用；在線整定會在電機運行過程中根據電機運行狀態和環境自動修改PI參數以保持系統最佳運行狀態。所述的離線整定以閉環矢量系統數學模型為基礎，分為內環整定和外環整定兩步，具體是首先進行電流環測試，電機處於靜止狀態，計算出轉矩環和磁通環的PI參數； 然後以恆轉矩啟動電機，到達設定速度後自由停機，分別測出加減速時間，計算出電機轉動慣量，並依此整定出外環即速度環的PI參數。在轉矩環和磁通環輸出處分別加入補償量，以實現轉矩環和磁通環的完全解耦控制；且補償量均根據實際情況通過設定補償係數來增減補償量的大小，實現穩態精度的提
尚ο在整定開始前必須設定性能參數ζ和H。在線整定是完全自適應的，不需要設定任何參數。定義e、ec、錯誤！未找到引用源。Kp和錯誤！未找到引用源。Ki的模糊子集模糊子集為{肌，匪，賂，2衝5，？11，？8}，子集中元素分別表示負大、負中、負小、零、正小、正中、正大。在線調節PI參數時，其主要在環境發生變化時起作用，如突加突減負載、突然加減速等。以階躍給定為例，其e和ec的變化主要有四個階段，所述模糊控制規則為(l)e>0，eC>0 誤差e有減小的趨勢，e在PB區內時，需增大&，減小Ki ；在PM、 PS區內時，為了減小超調量，需減小Kp，適量增大Ki ；在Z區內，保持Kp、Ki。(2)e 0 誤差e有增大的趨勢，e在Z區內，保持Kp、Ki ；NS、匪區內時， 需增大Kp，減小Ki ；在NB區內時，為了使速度儘快回到給定值，需增大Kp，減小Ki ；(3)e < 0，ec 0, ec > 0 誤差e有增大的趨勢，在Z內，保持Kp、Ki ；PS、PM區內時，需增大Kp，減小Ki ；在NB區內時，為了使速度儘快回到給定值，需增大Kp，減小Ki ；系統在加減速和突加突減負載時情況相同。本發明與現有技術相比具有以下的主要有益效果其一.提高了系統的動態性能和穩態精度，優於僅採用單一整定法的系統，驗證了方法的有效性(具體比較數據見圖8、9和表4、5)。其二.整定操作簡單，操作員只需發送一條指令即可完成整定過程，而其他同類產品(如西門子)則需要在整定前設置多項參數才可完成整定，對於不熟悉變頻器的操作員來說難度較大；整定所需時間短，整個過程不超過1分鐘，而其他同類產品(如西門子、 ABB等)要完成整定通常需要5分鐘以上。其三.在線整定極大地提高了系統對環境的適應性，能夠自動調整PI參數以應對外接幹擾，而其他同類產品不具備該能力；磁通環和轉矩環的補償提高了穩態精度和轉速脈動，其性能與目前性能優越的西門子6SE70型變頻器接近(6SE70穩態精度經實驗測試為 0. 001%，轉速脈動為0. 06% ；混合整定法控制下的電機穩態精度為0. 002%，轉速脈動為 0. 08%)；與西門子6SE70相比，動態性能也較為接近，在某些指標上甚至有所超越(上升時間:6SE70為108ms，混合控制為66ms ；峰值時間6SE70為210ms，混合控制為183ms ；調
7節時間6SE70為45ans，混合控制為435ms ；超調量6SE70為15%，混合控制為8. 7% ；突加負載恢復時間6SE70為M6ms，混合控制為98ms ；速度跌落6SE70為30%，混合控制為 13. )，完全符合工業應用的需求，達到了國際先進水平。
圖1是目前使用的典型的具有PID控制器的閉環系統。
圖2是本發明閉環矢量控制系統的結構示意圖。
圖3是本發明磁通環的結構示意圖。
圖4是本發明轉矩環的結構示意圖。
圖5是本發明轉速環的結構示意圖。
圖6是輸入輸出的隸屬度函數示意圖。
圖7是階躍給定響應曲線。
圖8是階躍響應對比實驗的結果曲線。
圖9是突加負載對比實驗的結果曲線。
具體實施例方式下面結合實施例及附圖對本發明作進一步說明。為了使閉環矢量控制系統即PI控制系統工作在最佳狀態下，本發明採用離線與在線整定相結合的方式，其為PI參數混合整定法，該方法是首先構建較為精確的異步電機矢量控制數學模型，採用恆轉矩啟動並自由停機的方法計算出轉動慣量，根據數學模型計算PI參數和內環補償量。然後啟動系統，採用模糊PI控制器進行在線實時整定，提出新的PI控制規則表。最後通過對比實驗驗證PI參數的準確性。實施例1 :PID參數混合整定法在閉環矢量控制系統中的應用1.閉環矢量控制系統及整定方法異步電機的數學模型是高階、非線性、強耦合的多變量系統，採用矢量控制可以實現異步電機的高性能控制。本發明所採用的閉環矢量控制系統如圖2所示，其包括模糊PI控制器、速度環PI 控制器、磁通環PI控制器、轉矩環PI控制器、補償模塊(轉矩環和磁通環補償)、調製比和角度計算器、SPWM發波模塊、電流磁鏈位置轉換器、變換器(CLARK變化和PARK變換)、傳感器(編碼器和電流傳感器)和異步電動機，其中編碼器用於測量異步電機的實時轉速，電流傳感器(圖中未畫出)用於測量電機兩相的電流值；系統輸入(速度給定值)與轉速反饋值相減得到速度誤差e並送入速度環PI控制器；同時e和ec (上一次速度誤差值)送入模糊PI控制器並計算出速度環的PI實時調整值Kp和Ki ；速度環根據e、Kp和Ki計算得出輸出值；同時速度反饋值也經由電流磁鏈位置轉換器計算出位置角度並送入PARK變換器和SPWM發波模塊；電流反饋值經過變換器分解為q軸和d軸兩向電流值，其中速度環輸出值與q軸電流值的誤差值進入轉矩環PI控制器，給定磁通電流與d軸電流的誤差值進入磁通環PI控制器；磁通環PI控制器和轉矩環PI控制器的輸出通過補償模塊進入SPWM發波模塊，通過SPWM發波模塊計算輸出給電機的電流波形並驅動電機。由於交流異步電機本身精度較差，要獲取較高的控制精度，就需要獲取最優的PID參數，使整個控制系統工作在最佳狀態。目前大多數調速系統都只採用某一種整定方式 (離線整定或在線實時整定)，如有的系統採用繼電振蕩法計算出PID參數後，在電機運行過程中便不再改變參數，這是離線式整定；有的系統則採用智能整定法對系統進行實時 PID參數修正，這是在線實時整定。單一整定方式都有其局限性，如果採用離線整定，系統運行過程中通常環境或系統本身會發生變化(如外部幹擾或因電機長時間運行導致電機自身電阻、電感等參數發生變化等)，僅採用系統運行前整定的參數難以適應這些變化，導致控制系統性能下降甚至無法穩定運行；如果採用在線實時整定，通常系統啟動時的參數都未經整定，如果參數選擇不合適，會導致實時在線整定時間過長甚至無法正常啟動，對於一些精密系統，啟動時的較大波動容易引起設備損壞。因此，最佳的整定方法應為離線與在線整定相結合的方式，首先根據系統運行之前的狀態整定出較好的PID參數，保證正常啟動， 並使系統平滑過渡到在線整定狀態；在運行過程中，在線整定可使系統能根據環境或系統自身的變化而自動修正PID參數，讓系統始終運行在最佳狀態。2.離線整定為了獲得更加優良的控制效果，採用改進的基於模型的整定方法。在實際電機控制系統中，通常都採用PI控制。由圖2可知，整個控制系統是一個雙閉環調速系統，轉矩環和磁通環屬於內環，速度環為外環。未加PI調節器的內環和外環的開環傳遞函數構成的系統都不是典型系統，難以穩定運行，需要添加適當的PI調節器加以校正，將內環(磁通環和轉矩環)校正為典型I型系統，提高控制系統的動態響應性能，將外環(轉速環)校正為典型II型系統，提高系統的抗幹擾能力。PI調節器設計的一般原則為從內環到外環(參見文獻8和9。文獻8《時滯系統PID控制器增益的穩定範圍研究[J]》，方斌.，信息與控制， 2009，(05)；文獻9《異步電機自抗擾矢量控制調速系統[D]》，蘇位峰，清華大學，2004)。(1)磁通環PI計算要保持電機穩定運行，則必須使磁通在恆轉矩時保持恆定，在負載變化較大時，使其有較好的跟隨性能。磁通環的閉環結構如圖3所示。易推得磁通環的傳遞函數為一般典型二階系統
權利要求
1.一種PI參數混合整定法，其特徵是一種採用基於模型的離線式整定與模糊PI在線整定相結合的混合整定法，具體是先根據矢量控制原理構建出異步電機交流調速系統的控制數學模型，採用恆轉矩啟動並自由停機的方法計算出轉動慣量，在異步電機交流調速系統運行前，先根據實際需求設定相應的性能參數，然後依據數學模型計算PI參數和內環補償量，其為系統最優PI參數；然後啟動系統，採用模糊PI控制器進行在線實時整定，其中模糊PI控制器的核心為根據實際調試經驗提出新的PI控制規則表；最後通過對比實驗驗證PI參數的準確性。
2.根據權利要求1所述的PI參數混合整定法，其特徵是採用包括以下步驟的方法(1)檢查交流調速系統連線是否正確，以保障系統正常運行；(2)閉合交流調速系統電源，確保電機處於靜止狀態；(3)根據現場需求設定性能參數，其包括阻尼比ζ和中頻段帶寬H參數；(4)啟動離線整定；(5)等待電機自由停機並自動計算出PI參數；(6)離線整定完畢後，開始正常使用該交流調速系統；設定目標速度並啟動電機，在電機運行時模糊PI控制器會根據現場環境的改變而自動修正速度環PI參數；經過上述步驟，實現PI參數混合的整定。
3.根據權利要求2所述的PI參數混合整定法，其特徵是離線整定需要在電機正常運行前以零速啟動，離線整定完畢後交流調速系統才能正常投入使用；在線整定會在電機運行過程中根據電機運行狀態和環境自動修改PI參數以保持系統最佳運行狀態。
4.根據權利要求2所述的PI參數混合整定法，其特徵是離線整定以閉環矢量系統數學模型為基礎，分為內環整定和外環整定兩步，具體是首先進行電流環測試，電機處於靜止狀態，計算出轉矩環和磁通環的PI參數；然後以恆轉矩啟動電機，到達設定速度後自由停機，分別測出加減速時間，計算出電機轉動慣量，並依此整定出外環即速度環的PI參數。
5.根據權利要求4所述的PI參數混合整定法，其特徵是在轉矩環和磁通環輸出處分別加入補償量，以實現轉矩環和磁通環的完全解耦控制；且補償量均根據實際情況通過設定補償係數來增減補償量的大小，實現穩態精度的提高。
6.根據權利要求2所述的PI參數混合整定法，其特徵是必須在整定開始前設定性能參數ζ和H。
7.根據權利要求2所述的PI參數混合整定法，其特徵是在線整定是完全自適應的， 不需要設定任何參數。
8.根據權利要求1所述的PI參數混合整定法，其特徵是在環境發生變化時進行在線調節PI參數，此時模糊PI控制器輸出採用增量式，具體是先定義e、ec、錯誤！未找到引用源。Kp和錯誤！未找到引用源。Ki的模糊子集為{NB，匪，NS, Z，PS, PM, PB}，子集中元素分別表示負大、負中、負小、零、正小、正中、正大，然後按照階躍給定時的e和ec的變化和下述模糊控制規則提出新的PI控制規則表；(1)e> 0, ec > 0 誤差e有減小的趨勢，e在PB區內時，需增大Kp，減小Ki ；在PM、PS 區內時，為了減小超調量，需減小Κρ，適量增大Ki ；在Z區內，保持Κρ、&。(2)e0 誤差e有增大的趨勢，e在Z區內，保持KpJi ；NS、匪區內時，需增大Kp，減小Ki ；在NB區內時，為了使速度儘快回到給定值，需增大Kp，減小Ki ；(3)e< 0，ec 0,ec > 0 誤差e有增大的趨勢，在Z內，保持KpJi ；PS、PM區內時，需增大Kp， 減小Ki ；在NB區內時，為了使速度儘快回到給定值，需增大Kp，減小K。
9.根據權利要求8所述的PI參數混合整定法，其特徵是所述環境發生變化是指包括異步電機交流調速系統突然加減速、突然加減負載時的情況。
全文摘要
本發明涉及一種PI參數混合整定法，其為使閉環矢量控制系統工作在最佳狀態下，提出了採用基於模型的離線式整定與模糊PI在線整定相結合的混合整定法，該方法是首先根據矢量控制原理推導出系統的數學模型，採用恆轉矩啟動並自由停機的方法計算出轉動慣量，根據數學模型計算PI參數和內環補償量；然後採用模糊PI控制器，提出新的PI控制規則表；最後通過對比實驗驗證PI參數的準確性。本發明PI參數混合整定法提高了系統的動態性能和穩態精度，優於僅採用單一整定法的系統，驗證了本方法的有效性。
文檔編號G05B11/42GK102426417SQ201110415788
公開日2012年4月25日 申請日期2011年12月13日 優先權日2011年12月13日
發明者盧家斌, 康現偉, 徐暉, 李傳濤, 李四川, 李海東, 李鵬, 王勝勇 申請人:中冶南方(武漢)自動化有限公司