一种指数型闭环控制方法与流程

本发明涉及自动控制技术领域，具体的涉及一种指数型闭环控制方法。

背景技术：

自动控制技术几乎渗透到国民经济的各个应用领域及社会生活的各个方面，如在工农业生产、交通运输、航空航天、家用电器等许多领域获得了越来越广泛的应用。为了实现各种复杂的控制任务，首先要将被控制对象和控制装置按照一定的方式连接起来，组成一个有机的总体，这就是自动控制系统。在自动控制系统中，被控对象的输出量即被控量是要求严格加以控制的物理量，它可以要求保持为某一恒定值，例如温度、流量、液位、或压力等；而控制装置则是对被控对象施加控制作用的机构的总体，它可以采用不同的原理和方式对被控对象进行控制，但最基本的一种是基于闭环控制的自动控制技术。

如图1所示为经典闭环控制系统，把输出量直接或间接地反馈到输入端构成闭环，实现自动控制的系统称为闭环控制系统。它是指由信号正向通路和反馈通路构成闭合回路的自动控制系统，又称反馈控制系统。传统的闭环控制系统一般包括比较器、控制器、执行器、被控对象、反馈环节，一般工业自动控制中均选择pid控制器(比例-积分-微分控制器)，但是pid控制器存在参数调整麻烦、振荡、超调等问题，系统性能分析和设计麻烦。

技术实现要素：

针对上述问题，本发明提供一种指数型闭环控制方法，目的在于能有效解决常规闭环控制中存在的参数调整复杂、自适应能力差、过冲严重等问题。

本发明采用下述的技术方案：

一种指数型闭环控制方法，包括以下步骤：

s1、采集变量数据，包括：给定量sp、反馈量pv、输出量c、误差e、指数周期a和指数系数b；

s2、对指数周期a、指数系数b和误差e赋初值以完成系统初始化，并对给定量sp赋值；

s3、根据变量数据，利用指数运算器计算后得到过程量m；所述指数运算器通过以下计算公式计算得到过程量m：

m＝1/(1+exp(a-b*i))

式中指数周期函数a为时间常数，无量纲；指数系数b为加速度系数，无量纲；

s4、根据不同的控制对象物理特性不同，将过程量m送入不同的执行机构控制，输出输出量c控制被控对象，直至偏差i的绝对值小于等于误差e时闭环控制运行结束。

优选的，所述指数运算器为内嵌硬件乘法器的32位dsp或mcu中的一种。

优选的，所述偏差i为给定量sp与反馈量pv的差值。

本发明的有益效果是：

1、本发明采用指数运算器代替传统闭环控制系统中的pid控制器，可有效减少执行机构出现失步(过冲)或堵转的现象，控制精度高。

2、指数运算器输出指数型加速曲线，具有时间最优和运算简单的特点。

3、所述指数型加速曲线符合执行机构力矩随速度升高而变大的特点，充分利用了执行机构的有效力矩，同时能够减弱机械冲击(偏差越大时速度越大，偏差越小时速度越小)。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅涉及本发明的一些实施例，而非对本发明的限制。

图1为经典闭环控制系统的示意图；

图2为本发明闭环控制系统示意图；

图3为本发明输出位置、速度曲线(a＝5，b＝0.5)示意图；

图4为本发明输出位置、速度曲线(a＝10，b＝0.5)示意图；

图5为本发明输出位置、速度曲线(a＝2.5，b＝0.5)示意图；

图6为本发明输出位置、速度曲线(a＝5，b＝2)示意图；

图7为本发明输出位置、速度曲线(a＝5，b＝0.2)示意图；

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

除非另外定义，本公开使用的技术术语或者科学术语应当为本公开所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本公开中使用的“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

如图1至图7所示，一种指数型闭环控制方法，包括以下步骤：

s1、采集变量数据，包括：给定量sp、反馈量pv、输出量c、误差e、指数周期a和指数系数b；上述参数根据不同的控制目标选择相应的单位，本实施例中单位均为无量纲。

表1指数运算器参数表

s2、对指数周期a、指数系数b和误差e赋初值以完成系统初始化，如表1所示，a＝5，b＝0.5，e＝0.1；

为达到控制目标要求，首先为给定量sp赋值，如表1所示，sp＝30，此时通过给定量sp与反馈量pv相差得到偏差i；在自动控制系统中，将输出量通过检测装置(传感器等)返回输入端并与输入量进行比较的过程，就是反馈的过程。所述执行机构可以电控的阀体，速度可调的电机，加热器件等；所述传感器与控制量对应，可以是压力传感器，流量传感器，速度传感器，位置传感器或者温度传感器等。

s3、根据变量数据，偏差i送入指数运算器中，利用指数运算器计算后得到过程量m；所述指数运算器通过以下计算公式计算得到过程量m：

m＝1/(1+exp(a-b*i))

式中指数周期函数a为时间常数，无量纲；如图3至图5所示，所述指数周期函数a越大(b不变)，速度调整周期越短(速度曲线，t分别在t＝6，t＝4，t＝7时速度变小)，反之调整周期越长；位置曲线(反馈量pv的值越小)的最大值越小，反之越大。指数系数b为加速度系数，无量纲；如图3，图6、图7所示，当指数系数b越大，速度调整周期越长(速度曲线，t分别在t＝6，t＝8，t＝2时速度变小)，反之调整周期越短；位置曲线(反馈量pv的值越大)的最大值越大，反之越小。

所述指数运算器为内嵌硬件乘法器的32位dsp或mcu，本实施例选择的型号为英飞凌的xmc4800的mcu。所述执行器采用以色列埃莫公司的golddue系列低压一体化伺服电机。所述传感器采用电流传感器allegro公司的acs712elctr-30a-t。

s4、根据不同的控制对象物理特性不同，将过程量m送入不同的执行机构控制，输出输出量c控制被控对象，被控对象的运行情况经过传感器采集后转化为反馈量pv，直至偏差i的绝对值小于等于误差e时闭环控制运行结束。

如图3至图7所示，图中位置曲线为反馈量pv参数输出曲线，速度曲线为输出量c参数曲线，当偏差(反馈量pv)变化越大时速度(输出量c)变化越大，偏差变化越小(执行机构越接近被控对象时)时速度变化越小，说明在闭环控制系统中执行机构响应速度快，过冲小，保证了执行机构的稳定运行。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。