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1、上海交通大学 硕士学位论文 基于继电反馈的PID控制器的参数整定 姓名：叶岚 申请学位级别：硕士 专业：控制理论与控制工程 指导教师：李少远 20070101 上海交通大学硕士学位论文 I 基于继电反馈的基于继电反馈的 PID 控制器的参数整定控制器的参数整定 摘摘 要要 随着工业生产的发展，于 20 世纪 30 年代，美国开始使用 PID 调节器， 它比直接作用式调节器具有更好的控制效果， 因而 很快得到了工业界的认可。至今，在所有生产过程控制中，大 部分的回路仍采用结构简单、 鲁棒性强的 PID 控制或改进型 PID 控制策略。 PID 控制作为一种经典的控制方法， 几乎遍及了整个 工业自
2、动化领域，是实际工业生产过程正常运行的基本保证； 控制器的性能直接关系到生产过程的平稳高效运行以及产品的 最终质量，因此控制系统的设计主要体现在控制器参数的整定 上。随着计算机记住的飞跃发展和人工智能技术渗透到自动控 制领域，近年来出现了各种使用的 PID 控制器参数整定方法。 作为最通用的控制方法，对 PID 的参数整定有许多方法； 对于不同的控制要求、不同的系统先验知识，考虑用不同的方 法；这些算法既要考虑到收敛性、直观、简单易用，还要综合 负载干扰、过程变化的影响，并能根据尽可能少的信息和计算 量，给出较好的结果。 上海交通大学硕士学位论文 II 论文在较为全面地对 PID 控制器参数自
3、整定方法的现状分 析研究的基础上，针对基于继电器反馈自整定方法以及其应用 的可行性进行了相关的研究： 由于实际工业运行中系统工况条件存在的不确定性， 系统的 性能往往达不到设计要求，本文提出一种基于继电反馈测试的 方法，在线测量实时控制系统的幅值裕度和相位裕度这两个频 域指标，并在此基础上对性能较差的系统进行 PI 控制器的参数 调整，以保持系统的闭环性能； 在此基础上，鉴于实际工业系统中的干扰因素很多，要求系 统具有很强的抗干扰能力，引入基于继电反馈的串级系统结构， 利用串级系统中主副回路特性的协调配合，采用两步整定法优 化控制器参数，达到预期的频域性能指标。仿真试验均证明了 本文方法的可靠
4、性和有效性。 最后是对本文工作的总结和展望。 关键词：PID 控制，继电反馈，频域指标，串级系统 上海交通大学硕士学位论文 III PID Controller Tuning Based on Relay-feedback Test ABSTRACT With the development of industrial technology, PID tuner, which appeared in 1930s, was accepted for its better control performance than direct-action tuner. Because of simple
5、 structure and strong robustness, PID controllers and trans-formative PID controllers have been widely used in industrial control systems. The capability of controller directly influences the qualities of producing process and products. Therefore, parameter tuning of controllers is the most importan
6、t step during system design. With the development of computer technology and artificial intelligence in automatic control field, auto-tuning PID controllers began to be used in recent years. Parameters of PID controllers can be obtained with various algorithms. Excellent control algorithms are astri
7、ngent, intuitionistic and simple. Load disturbance and set-point variety also need to be considered. 上海交通大学硕士学位论文 IV This thesis studies various methods of parameter auto-tuning of PID controllers. Furthermore, it focuses on the feasibility of auto-tuning methods based on relay-feedback. The main re
8、sults obtained in this thesis are as follows: Due to the uncertainty of process, the desired performance always can not achieve. In this paper a relay feedback test approach is proposed to estimate the systems two measurements of frequency domain. And PI parameters are tuned to retain the closed-loo
9、p performance. Cascade system based on relay-feedback is introduced because of its better capability of anti-jamming. Taking advantage of its cooperation between the inner and outer loop, PID parameters are tuned in two relay testing. Also the performance is in expectation. Simulation results show t
10、he effective of the method. The conclusion and perspective are given in the end of this thesis. KEY WORDS: PID tuner, relay-feedback, frequency domain, cascade system 上海交通大学 学位论文原创性声明 木 部威声州I 晰啦窀i I ：I 母恤培童址奉 在峙柙的 旨旨卜 封I 书进L f l t 兜1 二傩伸亍墩栩脚战晕罅茁巾已缝， 刚刁咖0 内由讣 水论立下乜爵f 何埔也十凡或趣悼已妊I 世赶j 犍械芍过呐忭品幔 骧时舡空枘研究敞
11、H j 讯翟咖撼n q l 和趣件均吐盎文t f J 吼删 国宣工t 怀明。水凡宅垒戚诹判采】f I 嘴曲沾雌靠艰山泰凡艰舢。 ? 也比土作抒携名：升l 盏 H I l l ：卿年1 月砩E l 上海交通大学 学位论文驻权使用授权书 乖学位逾空怍岢完垒r 解学幢仃蓑倪萄，她阳擘位昭尘的罐 宦l 嚏邑譬幢惺留蚌向啊豫宵共邪门碱机心适垒塘主帕复L 1 I 件和 电予敷亢许谚文蘸捌和估剧。赤凡援辊卜婀空丑 学叫+ 娃蝣 丰牛怔谚主蛔仝椰或部分内害蝙凡甫* 数槲悼域盯幢虫。廿J 蛆氍 刚瞄印+ 堆日啦扫撇替蔓制手段i I 存年忙蝙丰掌世培文 慑毒口r 芷一年胛椎后噩用丰授收书。 奉辛使论空属于， 下摆
12、督Z c 请柜以I 一矗雁内打”J ”) 学世盹史“ 开棼嵌 拍母技柙答寮： o 一 1 3J J = 叫年IJ J 珥n 1 “ 1 1 t 砷q ，H 啡 上海交通大学硕士学位论文 1 第一章 绪 论 1.1 引言 过程工业和制造业在全球化竞争的推动下正在进行着重大的调整。快 速变化的经济环境、更加严格的环保要求、高度集成的过程和更加灵活的 产品对工业控制技术提出了更高的要求。对现有工业控制技术的改进是使 得工业过程更具经济竞争力的有效手段。 在控制领域许多控制技术都有了快速的发展。 新的控制理论、 控制器、 执行器、传感器、新的工业过程和计算机方法的出现带来了新的机遇也带 来了新的挑战。
13、在理论上，非常先进的控制策略如监督控制、自适应控制、 模型预测控制等本应该成为现代工厂中的工业实践规范1。但事实并非如 此。据有关调查资料显示，在现今使用的各种控制技术中，PID 控制技术 占 84.5%，优化 PID 控制技术占 6.8%，现代控制技术占 1.6%，手动控制 占 6.6%，人工智能(AI)控制技术占 0.6%2。因此，可以毫不夸张的说， 随着工业现代化和其他各种先进控制技术的发展，PID 控制技术凭借其算 法简单，鲁棒性好，可靠性高等优点仍然占据主导地位34。同时，又有 工业过程对象的精确模型难以建立，系统参数又经常发生变化，因而在用 PID 控制器进行调节时，又往往难以得到
14、最佳的控制效果。日本、加拿大 和英国对工业进行的调查显示，现在的情况是超过 90%的控制回路是 PID 类型的，而其中仅有很小比例的控制回路整定良好。而由 Ender 进行的调 查也显示有 30%的控制器是在手动模式下操作的，还有 20%的回路是使用 的工厂经验整定。通过这些调查可以得出结论，目前总的来说在工业实践 中 PID 控制器是广泛应用但却普遍缺乏良好整定。 上海交通大学硕士学位论文 2 早期， Hagglund 和 Astrom 发表的专利包含了使用继电试验来提供 PID 控制器整定数据的思想。继电反馈试验为过程控制领域的工程师和研究者 提供了很大的帮助。这种简单并且有效的整定方法也
15、带动了关于自整定控 制的研究工作。本文就继电反馈算法，对工业应用中常见单回路和串级系 统进行了相关研究。 本章首先阐述了 PID 控制的基本理论，包括算法特点，现状分析，以 及整定算法特点及分析，而后综述了本文研究工作的思路和相应的研究成 果。 1.2 PID 控制简介 PID 控制是指对偏差的比例(Proportional)、积分(Integral)和微分 (Derivative)的综合控制。常规的 PID 控制系统的框图如图 1-1 所示，如图 中所示在连续系统中 PID 控制器对输入的误差信号( )e t进行比例、积分、 微分运算从而给出控制信号( )u t。PID算法综合了被控量过去(
16、I)、现在(P) 及未来(D)三方面的信息，对动态过程无需太多的预先知识，鲁棒性强，控 制效果一般令人满意，被工业过程广泛应用。 Process P I D - + + + + ryue 图 1-1 PID 控制系统结构图 Figure 1.1 Structure of PID control system 上海交通大学硕士学位论文 3 1.2.1 PID 控制算法特点及现状分析 由图1-1得到PID控制器的控制规律为： 0 1( ) ( ) ( )( ) t pd i de t u tKe te t dtT Tdt =+ (1-1) 写成常见的传递函数的形式为： ( )1 ( )(1) ( ) cpd i U s G sKT s E sTs =+ (1-2) 其中： p K比例系数， i T 积分时间系数， d T 微分时间常数。 由(1-2)式可知，PID控制器的比例系数 p K 增大，则控制器对偏差反应 灵敏；积分时间常数 i T 减小，则对偏差的积累量灵敏；微分
