PID自整定.doc

背景 实际系统千差万别，又有滞后、非线性等因素，使PID参数的整定有一定的难度，致使许多PID控制器没能整定的很好，这样的系统自然无法工作在令人满意的状态，为此人们提出了自整定PID控制器，将过程动态性能的确定和PID控制器参数的计算方法结合起来就可实现PID控制器的自整定。 定义 自整定的含义是控制器的参数可根据用户的需要自动整定，不再需要人为干预，只需用户发送一个命令来启动自整定过程。该技术是为了解决PID参数整定困难这个问题而产生的。将受控对象特性的确定和PID控制器参数的计算方法结合起来就可实现PID控制器的自整定。 目前自整定PID控制器可以分为两大类：基于模型的方法和基于规则的方法。国际上已经出现许多商业产品,如Foxboro EXACT (760/761)，它采用阶跃响应分析和模式识别技术再加上启发式规则进行参数调整；Alfa Laval Automation ECA400控制器，它采用继电反馈和基于模型的整定方法；Honeywell UDC6000控制器，它采用阶跃响应分析和一个规则库来调整参数；Yokogawa SLPC-181/281，它采用阶跃响应分析和基于模型的整定方法。还有一些自整定软件包,如Intelligent Tuner，它是Fisher-Rosemount公司用在分散控制系统中的一个软件包；Looptune，它是Honeywell公司DCS系统TDC3000 中的整定软件包；DCS Tuner，它是ABB Master系统中整定控制器的一个软件包。 1.基于模型的自整定方法 基于模型的自整定方法需要对模型进行辨识。 参数模型辨识方法首先将过程假定为一种模型结构，再确定模型的参数。如果模型结构也无法完全确定，则需要使用一些结构辨识方法首先确定模型结构(如模型的阶次)。参数模型辨识使用的方法有最小二乘法、梯度法、极大似然法。 非参数模型辨识方法通过简单的调节试验获得过程的阶跃响应或频率响应曲线，再由响应曲线的特征辨识过程的非参数模型。 继电反馈方法是一种基于非参数模型辨识的自整定方法，通过在过程输出至其输入的反馈回路中连入继电器以近似确定极限点，并获得模型信息。基于继电反馈方法有众多的扩展和改进方法。 新加坡学者Hang和Sin提出了基于互相关度的自整定方法[7]，利用二进制伪随机序列的输入与过程输出间的互相关度来识别最大增益和相位，并应用于RZN整定公式，其主要优点是可以应用于噪声很强的环境。并通过自制的过程仿真器对基于这种方法的自整定调节器和两种典型的商用自整定调节器进行了性能比较。 基于频率响应的方法也是一类常用的参数整定方法。利用幅值裕度和相角裕度整定PID参数能使系统具有良好的控制性能和鲁棒性能。 基于内模原理(IMC)的整定方法需要整定的参数只有一个(滤波器参数)，该参数直接与闭环系统的响应速度和鲁棒性相关。对于含有时滞的过程，可以直接采用一阶Taylor近似处理，也可以用一阶Pade近似时滞项来进行处理。 2.基于规则的自整定方法 基于规则的自整定方法无需获得过程模型，整定的规则类似有经验的操作者的手动整定。基于规则的自整定过程与基于模型的方法一样，使用阶跃响应、设定值响应或负载扰动等信息，观测被控过程的特性，若被控量偏离设定值，则基于规则整定控制器参数。 为获得一个基于规则的自整定过程，需要对响应特性进行量化。通常使用的量是描述控制系统稳定性的超调量和衰减比，以及用来描述控制回路响应速度的时间常数和振荡频率。获得决定不同控制器参数应该减少或增加的相应的规则比较容易，但确定相应的量较困难。因此，基于规则的整定方法更适于连续自适应控制。与基于模型的整定方法相比，基于规则的整定方法对于处理负载扰动和处理设定值变化的方法相同，而前者比较适用于设定值变化的情况。 一种基于模式识别的PID参数自整定方法试图避开过程模型问题，使用闭环系统响应波形上的一组足以表征过程特性而数目又尽可能少的特征量作为“状态变量”，以此为依据设计通用的自整定方法。在整定过程中，过程连接一个PID控制器，观察过程的阶跃响应及扰动变化，基于响应曲线调整控制器参数。该方法的优点在于应用简单，它不需要用户设定模型阶次等先验信息，甚至不需要预校正测试就能自动地整定。其主要缺点是需要大量的启发式规则，从而造成设计上的复杂性。另外，该方法对于系统存在正弦干扰、非最小相位动态特性及多变量交叉祸合的情况性能较差。 一种基于频域辨识的基于规则的自整定方法的优点在于:其整定过程不必中断正常的闭环控制，并可使用频域辨识技术从闭环系统获得的数据中估计出过程的开环频率响应。除了几乎没有任何动态特性先验知识的情形外，该方法不必进行继电整定或开环阶跃响应整定。该方法使用周期性激励，应用频率响应估计以获得闭环内的相对高的信噪比。辨识易于自动执行，且计