一種機電系統pid參數整定方法
【技術領域】：
[0001] 本發明屬于機電控制工程領域，特別涉及一種機電系統PID參數整定方法。
【背景技術】：
[0002] 在工業控制系統中，按偏差的比例、積分和微分進行控制的PID控制器是應用最 為廣泛的一種控制器，在許多機電系統控制中獲得了良好的效果，在當今應用的工業控制 器中，有半數以上采用了 PID或變形PID控制器，因此PID參數整定方法研宄是一個極為重 要和具有很大工程應用價值的問題。
[0003] 機電系統的控制效果的好壞，一般用性能評價指標值來衡量，如最大超調量和調 整時間等。如機電工程師能夠全面而系統的建立PID控制器參數與性能評價指標之間的 一一對應關系，則將易于整定出控制性能最優化的PID控制器參數。但是由于PID控制器 有三個參數，所以PID控制器的控制空間為三維歐氏空間，為超越空間，且PID控制器的三 個參數的取值范圍在理論上均是由零到無窮變化的變量，無法用圖形表示。因此全面而系 統的建立PID控制器參數與性能評價指標之間的一一對應關系，整定最優化的PID控制器 參數值是一個非常重要的難點問題。
【發明內容】
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[0004] 本發明針對現有技術中的不足，提出一種機電系統PID參數整定方法，其采用幾 何圖形的方法描述了 PID控制器參數與機電系統性能評價指標之間的一一對應關系，具有 直觀、鮮明、系統、全面的優點。
[0005] 本發明解決其技術問題所采用的方案是：一種機電系統PID參數整定方法，利用 規格化的方法，將三個由零到無窮變化的PID控制器參數轉化到一個范圍有限的空間內， 本發明稱這個范圍有限的空間為機電系統的控制空間（control space)。為便于機電工程 師應用，可將三維控制空間進一步轉化到二維平面內，本發明稱這個二維平面空間為控制 空間的平面圖。控制空間內的每一點都對應唯一一組PID控制器參數，如在控制空間內計 算機電系統控制性能評價指標值，并將性能指標值的等值線繪制在控制空間平面圖內，則 可得到機電系統的控制性能圖譜。機電系統控制性能圖譜建立了 PID控制器參數與性能評 價指標之間的一一對應關系，機電系統性能圖譜使得全面而系統的分析和評價機電系統控 制性能，整定最優化PID控制器參數成為可能。
【附圖說明】：
[0006] 圖1為本發明的具有PID控制器的機電系統框圖。
[0007] 圖2為本發明的整定前機電系統單位階躍響應圖。
[0008] 圖3為本發明的控制空間。
[0009] 圖4為本發明的控制空間平面圖。
[0010] 圖5為本發明的最大超調量性能圖譜。
[0011] 圖6為本發明的調整時間性能圖譜。
[0012] 圖7為本發明的整定后機電系統單位階躍響應圖。
【具體實施方式】：
[0013] 以下結合附圖和實施例對本發明作進一步詳述：
[0014] 如圖1所示為本發明的具有PID控制器的一個實際的機電系統框圖：圖1 *GC(S) 為PID控制器傳遞函數，本發明中取PID控制的數學模型為
[0016] (;P (s)為機i U糸統N 丫丨部分的傳遞i晚數
[0018] 式⑵中為機電系統伺服電動機機電時間常數，T A檢測濾波時間常數。
[0019] 如圖2所示為本發明的整定前機電系統單位階躍響應圖（S = 〇. 02時），即沒有 實施PID控制前，機電系統的單位階躍響應圖。由圖2可見，沒有實施PID控制前系統的動 態性能很差，振蕩次數很多、最大超調量很大、調整時間很長。利用MATLAB計算得其最大超 調量為M P= 67. 2006%，調整時間為t s= 2. 4360s。
[0020] 為全面而系統的探討PID控制器參數與機電系統性能之間的關系，令
[0021] A = (Kc+Ti+T^/S (3)
[0022] kc=Kc/A(4)
[0023] t:= Ti/A (5)
[0024] t2= T2/A (6)
[0025] 式⑶中的人為規格化因子，ke、tJP七2為規格化PID控制器參數。由式（3) _(6) 可得規格化PID控制器參數滿足如下關系式：
[0026] kc+t1+t2= 3 (7)
[0027] 由式（7)可得
[0028] 0 ^ kc^ 3 (8)
[0029] 0 ^ 3 (9)
[0030] 0 ^ t2^ 3 (10)
[0031] 由式（7)-(10)可構建PID控制器的控制空間如圖3所示，圖3中的三角形ABC即 為PID控制器的控制空間。
[0032] 為了便于控制空間的可讀和可用，可利用式（11)將三維的控制空間轉化到二維 平面內。
[0034] 圖4為本發明的控制空間平面圖，控制空間ABC內的任意一點（如圖4中點pj 對應一組唯一確定的PID控制器參數（k。h t2)。如在控制空間內計算機電系統性能評價 指標值，并將其等值線繪制在控制空間內，則可得到機電系統的控制性能圖譜。
[0035] 如圖5所示為本發明的最大超調量性能圖譜，如圖6所示為本發明的調整時間性 能圖譜。對照圖5和圖6可選取相對最優的PID控制器參數值（k。h t2)，并利用系統的單 位階躍響應可進一步驗證選擇的參數是否合理。
[0036] 例，本發明根據圖5和圖6,選取PID控制參數為（k。& t2) = (1.5 1.5 0.3)， 計算機電系統的動態性能指標值為：上升時間仁=0. 0310s，峰值時間t p= 0. 0430s，最大 超調量Mp= 10. 3655 %，調整時間為t s= 0. 0890s。此時機電系統的單位階躍響應（S = 0. 02時）如圖7所示，可見整定后系統性能很好。
【主權項】
1. 一種機電系統PID參數整定方法，其特征是：利用規格化方法，建立PID控制器的控 制空間，將無限多維的優化問題轉化到有限的二維平面內；在所述控制空間內計算并繪制 機電系統的控制性能圖譜，建立了PID控制器參數與機電系統性能之間的一一對應關系； 所述機電系統控制性能圖譜使得全面而系統的分析PID控制器參數與機電系統控制性能 之間的關系，選取最優化的PID控制器參數成為可能。
【專利摘要】一種機電系統PID參數整定方法。本發明涉及機電控制工程領域，其特征是：通過規格化的方法，將PID控制器的三個由零到無窮變化的參數轉化到有限的變化范圍之內，即控制空間。控制空間內每一點對應一組PID控制器參數值，計算機電系統動態性能評價指標值，并將其繪制在控制空間內，則可得到機電系統的動態性能圖譜，進而建立機電系統性能指標與PID參數之間的一一對應關系。利用控制空間和機電系統性能圖譜即可整定出滿足機電系統性能要求的PID參數值。本發明具有直觀、鮮明、系統、全面的優點。
【IPC分類】G05B13/04
【公開號】CN104932260
【申請號】CN201510273853
【發明人】王冰, 韓偉娜, 楊墨
【申請人】北華航天工業學院
【公開日】2015年9月23日
【申請日】2015年5月27日