pid算法

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1、标签： 无标签关于关于 AI 系列仪表的人工智能控制算法系列仪表的人工智能控制算法哈尔滨电机实业开发总公司 谢振国哈尔滨电信公司 李 红 摘 要：阐述了 AI 系列仪表的一些控制算法的改进及功能，并简述了该类仪表在实际应用中的价值。 关键词：AI 系列仪表 控制 参数引言引言在工业控制中，许多控制过程机理复杂，滞后大，控制对象具有变结构、时变 等特点。采用常规的 PID 控制算法，难以适应参数变化及干扰因素的影响，大 都出现较大超调，PID 参数较难确定，不仅给调试带来麻烦，调节的效果也不 理想。目前由国外引进的某些调节仪表中，推出了许多改进型如加入抗饱和积 分功能，采用自整定来协助确定 PI

2、D 参数及自适应技术来改进控制效果。为了 克服常规 PID 调节的不足，提高其性能，现在各大仪表公司及仪表生产厂，都 在致力于新的控制算法开发和自整定技术的探究，下面以厦门宇光电子技术研 究所开发研制的 AI 系列仪表为例，简述 AI 系列仪表中的人工智能控制算法和 特点。AI 系列仪表中的人工智能控制算法系列仪表中的人工智能控制算法AI 系列仪表中的人工智能控制算法，即对 PID 算法加以改进和保留，加入模糊 控制算法规则，并对给定值的变化加入了前馈调节。在误差大时，运用模糊算 法进行调节，以彻底消除 PID 饱和积分现象，如同熟练工人进行手动调节。当 误差趋小时，采用改进后的 PID 算法

3、控制输出。其控制参数采用被控对象特征描述方式。一组(MPT)参数即可同时确定 PID 参数和模糊控制参数。系统具有 无超调和高控制精度等特点。针对不稳定的非线形复杂调节对象，表内设有自 适应调节规则，可使系统进一步加快响应速度，改善控制品质。针对控制参数 较难确定的现实，表内设有自整定专家系统，可使系统的控制参数确定简单， 准确度提高，因此，自整定系统的引入，不仅使复杂劳动简化，节约了调试时 间，而且提高了控制系统的调节品质。PDI 算法的改进 常规 PID 算法构成如下： 输出=比例作用(P)+积分作用(I)+微分作用(D) 在常规 PID 的控制系统中，减少超调和提高控制精度是难以两全其美

4、的，这主 要是积分作用有缺陷造成的。如果减少积分作用，则静差不易消除，有扰动时， 消除误差速度变慢，而当加强积分作用时，又难以避免超调，这也是常规 PID 控制中经常遇到的难题。 在 AI 系列仪表中，当控制参数在比例带以外时，采用模糊控制，不存在抗饱和 积分问题，而对 PID 算法部分又加以改进如下：输出=比例作用(P)+积分作用(I)+微分作用(D)+微分积分作用(I) 由于仪表中增加了微分积分作用，所以，使常规 PID 算法中的积分饱和现象得 到较大缓解。不过从上式中可以看到，原有参数已经较难确定了，又增加了一 个新参数(I)，所以，这些参数必然互相影响，使得新算法参数更加难以确定。 为

5、此，经过认真的研究和实验分析，比例作用与微分作用的比值和积分作用与 微分作用的比值可取相同的值，并且比例作用与微分作用的最佳比值同控制对 象的滞后时间有关。滞后时间越大，则比例作用响应减少，而微分作用响应增 加。两者存在的关系如下： 比例作用=K(1/t) 微分作用=K(1-1/t)d 式中，K 为系数；t 为滞后时间与控制周期的比值；t1；d 表示微分作用。 由此，可将人工智能控制算法公式改为： 输出=P1/t+(1-1/t)d+(1/M)1/t+(1-1/t)d 式中，P 用于调整微分和比例的大小，P 增加，相当于同时将微分时间增加及减 少比例带。反之，P 减少，相当于同时将微分时间减少和

6、增大比例带。M 类似 积分时间，可用于调整积分和微分积分的大小，t 用于调整微分与比例的相互比 例成分。如果 t=1，则微分作用为 0，如果 1，则积分作用为 0。 这样，控制参数又减少为 3 个，由于常规 PID 参数的定义只根据算法本身，其 特点是不需要考虑被控对象的精确模型，而改进后的 3 个控制参数，由于同原 参数概念不同，所以，定义为 MPT 控制算法，具体含义如下： M50 为保持参数。 M50 定义为输出值为 50%时，控制对象基本稳定后测量值的差值。50 表示输出 值变化量为 50。 例如某电炉温度控制，为了找出最佳的 M50 值，手动输出为 50%时，电炉温度 最后稳定在 8

7、00左右，而 0%输出时，电炉温度最后稳定在室温，为 25， 则 M(最佳参数值(=800-25=775 参数 M 值主要对调节算法中的积分作用进行调 整。M 值越小，系统积分作用越强。M 值越大，积分作用越弱(积分时间增加)。 如果，M=0，则系统取消积分作用。 P 为速率参数 P 与每个控制周期内仪表输出变化 100%时测量值对应变化的大小成反比，其数 值定义如下： P=100每秒钟被控参数的变化值，单位是或 10 个定义单位(线形输入时)。 例如电炉温度控制，如果仪表以 100%功率加热，并假设没有散热，电炉每秒升 高 1时，则 P=1001=100 在实际应用时，因为没有散热的前提条件

8、是无法满足的，所以，用人工的方式 确定 P 的最佳值是不可能的，因此，一般利用自整定方法确定 P 的最佳值，P 值对调节中的比例和微分均有作用。P 值越大，比例、微分作用成正比增加， 而 P 值越小，比例、微分作用相应减弱。P 参数与积分作用无关。 T 为滞后时间参数 T 定义为某电炉以某功率开始升温，当其升温速率达到最大值的 63.5%时所需 要的时间，T 值单位是秒(s)。引入参数 T 并正确设置时可以完全解决温度控制 的超调现象及振荡现象，同时使控制响应速度最佳。 T 值的变化，可对调节作用中的比例和微分起作用，T 值越小，比例作用越强， 微分作用越弱。T 值越大，则比例作用减弱，微分作

9、用增强。如果 TCT1(控制周期)，则微分作用被完全取消，这时，系统的调节规律将成为比例或比例积分 调节规律。自适应功能对于许多复杂的调节对象，例如电炉温度控制中的电网电压变化、外界干扰因素和工作环境多变等，针对有严重非线形的控制对象，国外仪表公司也推出了 不少对策和方法。例如，日本导电公司生产的仪表中，采用了多组算法；欧陆 和欧姆龙仪表中采用了自适应功能；KMM 智能调节仪表中采用了折线模块来适 应系统的非线性；还有的仪表公司在仪表中采用辩识方法来提高仪表在非线性 系统中的调节质量。 在 AI 系列仪表中，针对有严重中非线性的控制对象，选择了自适应方式来解决。 其改进的特点是：当控制偏差大于

10、估计的误差时，自适应系统不是修改 MPT 参 数(国外仪表的自适应功能是修改控制参数)，而是修改输出值来降低误差。虽然 修改范围有限，但不会出现将原来正确控制参数改错的现象，使响应速度加快， 使控制精度大大提高。模糊控制技术所谓模糊控制是以模糊集合论、模糊语言变量以及模糊逻辑推理为基础的一种 计算机智能化数字控制方法。该方法无需建立对象的精确数学模型，并且具有 适应性好，算法简易实现和容易操作等特点。 在控制误差很大时，用公式调节输出没有太大意义，相反容易带来积分饱和一 类的问题，即使使用 MPT 算法，如果控制参数设置不准，也可能出现积分饱和 或过积分的现象。所以，仪表引入模糊控制规则确定输

11、出，将取得理想的控制 效果。在误差较大时，仪表的 PID 算法没有启动，因此，AI 仪表中的人工智能 算法能够获得更为平滑的控制曲线。专家自整定系统由上面可知，AI 系列仪表中的人工智能控制算法，已将常规的 PID 控制参数改 成 MPT 参数，为了方便操作人员确定 MPT 参数，引入了一套自整定专家系统。 由于 MPT 参数是面向被控对象进行描述的，所以，其自适应及自整定都比常规 的 PID 参数来的简单，并且准确。一般情况下，如果自整定操作正确，成功率 几乎为 100%。 自整定过程是采用位式控制来进行系统调节的，系统振荡后，根据其周期确定 滞后时间参数 T，根据振荡幅度，可确定速率参数

12、P。参数 M 一般不易直接确 定，对于温度，一般假设其零输出时测量值为 25，根据振荡时输出值可确定 出参数 M。对于线性输入，以其刻度范围作为 M 值。可见，参数 P 和 T 可以通 过自整定获得最佳值，而参数 M 只能是大致的。另外，如果系统的速率参数或 滞后时间很长时，自整定也可能加大控制周期(CT1)值，以使系统符合实际的控 制对象要求。AI 系列仪表中引入专家自整定系统后，不仅降低了操作人员的劳 动强度，方便了操作，而且进一步提高了控制系统的控制质量。使用价值使用价值AI 系列仪表与同类进口仪表价格相差 23 倍，其性能并不逊色国外仪表。即使 同国内同类仪表相比其价格与性能也有很大优

13、势。笔者第一次用该系列仪表是 1997 年为哈尔滨电机股份有限公司多种事业部两台砂轮片烧结炉。该炉为硅碳 棒电加热炉，要求按工艺曲线程序控制，控温精度5，采用苏州特种变压器 厂生产的 TSH100/0.5 磁性调压器及控制系统。厂家选用控温仪表基于国外产 品，为了降低费用，决定用 AI708P 替代，该仪表为 30 段程序智能控制，当 时售价仅 1500 元/台。第一次运行时，启用自整定功能，便较快的找到了最佳 的 MPT 参数，保温时控制精度达到1。理想的控制效果使得在以后仪表的选 用时对 AI 系列仪表情有独钟。现在该类仪表在功能上又进一步，其型号也略有 改变。分简易、智能型两大类，智能型仪表不仅具有故障自检和参数锁定功能， 而且选用了高抗干扰和高可靠性结构，所以，系统出现故障时，能及时查出故 障，予以排除，大大提高了控制系统的可靠性和安全性。