专利名称：二自由度实用型pid控制器的利记博彩app
技术领域：
本发明涉及一种自动化仪表，特别是二自由度PID控制器，其基本控制器为不完全微分型(即实用型)的PID控制器。
目前，工业控制中仍广泛采用PID(比例、积分、微分)控制器，其运算功能为MV(S)＝Kp[1+1/(TiS)+(TdS)/(1+ηTdS)]E(S)(1)式中，MV(S)为操作变量;
E(S)为偏差;
Kp为比例系数;
Ti为积分时间;
Td为微分时间;
1/η为微分增益;
S为拉普拉斯算符。
(1)式为常规偏差PID控制。对于这种控制来说，当设定值SV突变时，PID控制器会产生过分的D(微分)、P(比例)作用，导致操作变量MV的大幅度变化，给控制系统带来冲击，从而使设定值跟踪特性出现相当大的超调。
为克服常规偏差PID控制器的上述缺点，在实践中广泛应用两种类型的PID控制器，即测量值微分先行型PID控制器和不完全微分型PID控制器。
测量值微分先行型PID控制器的运算功能为MV(S)＝Kp[1+1/(TiS)]E(S)-Kp[(TdS)/(1+ηTdS)]PV(S)(2)
式中，PV(S)为受控量或过程变量。
因为该控制器只对测量值做比例微分运算，当设定值突变时，不会引起操作变量的大幅度变化。
不完全微分型PID控制器的运算功能为MV(S)＝Kp[(1+TdS)/(1+ηTdS)][1+1/TiS)]E(S)(3)这相当于在理想的PID运算中串入一个一阶滞后滤波器，故可限制设定值突变所引起的操作变量变化。因此，不完全微分型PID控制器又称为实用型PID控制器。
但上述两种PID控制器仍然属于一自由度控制方式。因此仍然存在一些缺点。
众所周知，反馈控制系统的性能分为两个方面，即设定值跟踪特性(简称跟踪特性)和扰动抑制特性(简称扰动特性)。对于上述一自由度的PID控制器系统而言，跟踪特性与扰动特性各对应着一组最佳的PID参数(比例系数Kp、积分时间Ti、微分时间Td)。两组参数值相差甚远，不能同时独立地整定。这就带来一个问题若按扰动特性整定，系统会出现过大的超调振荡，跟踪特性就很差;若按跟踪特性整定，则系统迟迟不能消除扰动误差，过渡时间变得很长，而使扰动特性恶化。若要兼顾两种特性，一般的处理办法是取两组参数的平均值。但这样一来，系统的两方面特性都变得较差。
1963年，美国学者I.M.Horowitz在其著作《SynthesisofFeed-back》中提出了二自由度控制的概念，认为能够独立地设定跟踪特性与扰动特性的系统是具有二自由度的。
欧洲专利EP0417635A2公开了第一种二自由度控制系统，包括设定值滤波器，按照控制系统的一个设定值(SV)和控制值(PV)，根据过程扰动信号执行微分运算;
PI控制运算器，用于测定信号和控制值之间的偏差(E)，并对此偏差执行PI控制运算，从而输出一个操作变量信号(MV);
一个加法器将过程扰动信号加到由PI控制运算器输出的操作变量信号(MV)上，从而得到一个和信号并将此和信号用于控制系统。
该二自由度控制系统适用于测量值微分先行型PID控制器为基本控制器的PID控制器系统。但不适用于基本控制运算器为不完全微分型的PID控制器。
本发明的目的是提供一种基本控制器为不完全微分型的PID控制器的二自由度控制系统，即提供一种二自由度不完全微分型比例积分微分控制器系统，系统的抗扰动性可由不完全微分PID控制器作最佳整定，而系统的跟踪特性则由几个补偿器的整定来保证。
本发明的另一个目的是在比例、微分项上赋予二自由度系数，而用近似式代替积分环节。
本发明的再一个目的是尽量简化操作，提供二自由度系统参数的最佳值，在提高性能的同时，保持与常规不完全微分型PID控制器同样的整定工作量。
按照本发明，在常规不完全微分PID控制器前面，在设定值输入之后增设一个设定值滤波器，该设定值滤波器由设定值微分补偿器、设定值比例补偿器、设定值积分补偿器所组成，设定值比例补偿器和设定值积分补偿器并联，而设定值微分补偿器则串联在它们的前面和设定值相连接。设定值比例补偿器和设定值积分补偿器并联到一个加法器上。整个设定值滤波器连接到减法器上，而后和基本不完全微分PID控制器相连接。
按照本发明，控制系统抗扰动性可由设定基本不完全微分PID控制器的参数Kp、Ti、Td(按扰动最佳整定)实现最优，例如用齐格勒-尼柯尔斯法或临界比例度法等。
按照本发明的系统设定值跟踪控制器仍为不完全微分PID结构，但在比例、微分项上赋予二自由度系数，而将积分项分解二部分，并赋予自由度系数，通过整定这些二自由度系数来保证跟踪特性。
按照本发明当设定值SV作用于系统时，经设定值滤波器优化处理，弥补了常规不完全微分PID控制器对设定值偏差过分的控制作用，保证整个控制系统实现二自由度控制。
下面结合附图对本发明作详细说明。
图1为常规不完全微分型PID控制器框图。
图2为常规测量值微分先行型PID控制器框图。
图3为本发明的二自由度不完全微分型PID控制器框图。
图1、2、3中A为用部件表示的框图，B为用拉普拉斯算符表示各环节用控制器系统信号传递关系的框图。
图4为常规单自由度控制系统的设定值跟踪特性(A)和扰动抑制特性(B)曲线。
图5为本发明的控制系统的设定值跟踪特性(A)和扰动抑制特性(B)曲线。
如图1所示的不完全微分型PID控制器由设定值(SV)减法器(1)、不完全微分型微分器(D)(2)、比例积分器(PI)(3)、加法器4串接而成。加法器将控制器信号和干扰信号相加，并用运算结果去控制受控对象。此控制器的运算功能如上面第(3)式所示，相当于在理想的PID运算中串入一个一阶滞后滤波器，故可限制设定值的突变所引起的操作变量变化。
如图2所示的测量值微分先行型PID控制器，此控制器的运算功能如上面(2)式所示。
如图3所示，本发明的二自由度不完全微分型(实用型)PID控制器是在图1所示的常规不完全微分型PID控制器前面接上一个设定值滤波器(12)，此设定值滤波器(12)由一个设定值微分补偿器(13)[用拉普拉斯算符表示为(1+γTdS)/(1+TdS)]，与此设定值微分补偿器(13)相接的是并联的设定值比例补偿器(14)和设定值积分补偿器(15)，再将它们的输出端并接到加法器(16)上，此加法器的输出端亦即设定值滤波器的输出端与减法器(1)相接，经设定值滤波器(12)优化后的设定值经减法器(1)与反馈量相减后送到基本不完全微分PID控制器(18)，其输出信号和干扰信号经加法器(4)相加后去控制受控对象。
如图3B所示，此系统抑制扰动的控制器为MV(S)/E(S)＝Kp[(1+TdS)/(1+ηTdS)](1+1/TiS)(4)因此，系统的抗扰性可由不完全微分PID控制器(18)的参数Kp、Ti、Td设定(按扰动特性最佳整定)实现最优，例如可采用齐格勒-尼柯尔斯法或临界比例度法等。
系统设定跟踪的控制器的拉普拉斯算符表示式为MV(S)/SV(S)＝Kp[(1+γTdS)/(1+ηTdS)][α+(1/TiS)-β/(1+TiS)](5)此控制器仍然为不完全微分PID结构，但对设定值比例补偿器(14)赋予二自由度比例系数α，对设定值微分补偿器(13)赋予二自由度微分系数γ，对设定值积分补偿器赋予二自由度积分系数β并以近似式1/TiS-β/1+TiS(6)来取代。通过改变β，即可如下所示等效改变积分时间β＝0积分时间不变;
β＞0积分时间增大;
β＜0积分时间减少。
故设定值跟踪特性可由α、β、γ的整定来得到保证。即当设定值SV作用于系统时，经设定值滤波器(12)优化处理，弥补了不完全微分PID控制器对设定值偏差过分的控制作用，设定值特性的要求可由设定值比例补偿器(14)中的α、设定值积分补偿器(15)中的β、设定值微分补偿器(13)中的γ取值来保证。
即单独设定图3中的不完全微分PID控制器(18)的Kp、Ti、Td，使系统抗扰特性最佳，通过整定设定值滤波器(12)中的二自由度系数α、β、γ，可保证跟踪特性最优。
对于各种工业过程，一般情况下α取值在0.1～0.85之间，β取值在0.1～0.3之间，γ取值在0.3～0.8之间，形成完全的二自由度PID控制器。
按照本发明，通过对α、β、γ的特殊取值，利用同一个控制器结构，形成各种不同的PID控制器系统。表1示出了7种不同的不完全微分PID控制方式。硬件结构均是相同的。
与普通PID控制器相比较，本发明的二自由度控制系统的优点是1.可同时使控制系统的抗扰性和跟踪性实现最佳化。
2.参数整定方法简单。
3.各种不同的PID控制器系统有同一的结构。
与测量值微分先行型二自由度PID控制器系统相比，本发明有下列优点1.解决了基本控制器为不完全微分型PID控制器的二自由度控制问题，而这种控制器被称为实用型PID控制器。
2.易于在偏差通道施加非线性环节，组成各种非线性PID控制器系统。
3.特别适用于工业控制系统中的基础自动化环节。
将本发明的二自由度控制系统用于鞍钢某厂年产能力为15万t的钢坯加热炉上，使炉温控制误差降低到原来的一半，可节约煤气2%，提高成材率0.1%，年直接经济效益59万元人民币。
表1 各种不完全微分PID的控制方式
权利要求
1.一种由减法器(1)、设定值滤波器(12)、不完全微分PID控制器(18)和加法器(4)所组成的二自由度实用型PID控制系统，其特征在于所说的设定值滤波器(12)由一个设定值微分补偿器(13)、与此设定值微分补偿器相接的并联的设定值比例补偿器(14)和设定值积分补偿器(15)，与它们的输出端相并接的加法器(16)所组成，加法器(16)的输出端(亦即设定值滤波器(12)的输出端)与减法器(1)相接。
2.根据权利要求1的二自由度实用型PID控制系统，其特征在于所说的积分补偿器(15)由第一延时器(15A)、带有二自由度积分系数β的第二积分延时器(15C)，和减法器(15C)相互连接而成。
3.一种权利要求1的二自由度PID控制系统，其特征在于对所述的设定值比例补偿器(14)赋予二自由度比例系数α＝0.1～0.85。
4.一种权利要求1的二自由度PID控制系统，其特征在于对所述的设定值积分补偿器(15)赋予二自由度积分系数β＝0.1～0.3。
5.一种权利要求1的二自由度PID控制系统，其特征在于对所述的设定值微分补偿器(13)赋予二自由度微分系数γ＝0.3～0.8。
全文摘要
一种二自由度实用型PID控制系统，在普通不完全微分型PID控制系统的设定值装置中加上一个设定值滤波器(12)，此设定值滤波器由微分补偿器(13)、比例补偿器(14)和积分补偿器(15)所组成，而积分补偿器则由第一积分延时器(15A)、第二积分延时器(15B)和减法器(15C)所组成。通过适当选择各环节的二自由度系数α、β、γ，可以组成各种不同类型的PID控制器，并同时实现最佳的跟踪特性和最佳的抗干扰特性。
文档编号G05B11/42GK1071017SQ9210985
公开日1993年4月14日 申请日期1992年8月26日 优先权日1992年8月26日
发明者李甲申, 孙刚, 刘国坡, 孟庆贤 申请人:鞍山钢铁公司, 鞍钢职工工学院, 鞍山钢铁公司自动化研究所