专利名称：一种数字pid控制方法
技术领域：
本发明涉及的是一种伺服系统PID控制方法。
背景技术：
在工程实践中，为提高系统的控制性能，PID控制规律是一般伺服系统及调节系统常用的控制方法。但是理想的积分、微分环节不具有可实现性，另外，积分环节在应用过程中往往会出现零位漂移和饱和现象，这直接限制了PID的实际应用效果。
JP63006601的日本专利文件中公开的技术方案，在PID控制器中通过通道因子滤波器进行微分信号的检测比较，从而动态调节PID的微分形式，达到控制的目的。在该控制器中当控制信号超过了设定阈值，则启动二阶微分环节代替一阶微分环节；反之则采用一阶微分环节。
JP3097003的日本专利文件中公开的技术方案，该控制器主要由一个具有非线性特性的PI控制单元以及一个考虑目标值和对外界扰动进行微分作用的被控制变量组成的综合滤波器，该滤波器在PI控制单元工作前工作。这样，通过综合滤波器何以获得输出偏离量以精确、简单自如地进行含有微分特性的非线性处理，该方法可以方便地实现两自由度控制。
JP2001092501的日本专利文件中公开的技术方案，两个基本滤波器设置在PID控制器前面，被控制量的目标值输入控制器，该控制器通过前面的两个滤波器组成一个连续的反馈控制系统。其中一个滤波器中的时间常数为定值，另一个滤波器的时间常数为一组数值，可以随时间变化。
GB2389283的英国专利文件中公开的技术方案，为一自适应低通滤波器，其时间常数t由来控制，其中a为常数，w为两连续信号通过滤波器的差分，b是比例增益Kp和积分环节Ki/(1+z-1)的和，这样，该PI控制器可以修改自适应控制器的带宽。PI控制器可以改为PID控制器，其中b中添加一个微分环节(1-z-1)Kd。
美国专利5,572,558的文件中公开得技术方案是一种带有PID滤波器的锁相环，用于电磁记录中姿态采样读通道的同步采样中锁相环的动态恢复。其中PID滤波器包含一个派生单元通过提高相边际和阻尼来减少锁相环的设定时间。
美国专利5,105,138的文件中公开的技术方案，两自由度PID控制器包含一个定点滤波器，在噪声信号处理中根据给定值和被控系统的控制值实现微分作用，以输出以给定信号。PI控制器根据给定信号和控制量的偏离情况，完成PI控制操作，形成控制信号。该控制信号与处理过的噪声信号相加，获得控制系统的最终控制指令信号。
92109857.X的中国专利文件中公开的技术方案，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。
200510112230.8的中国专利文件中公开的技术方案，步骤如下1)当工控机的检测部分接到主机发出的采样命令后，对被控制对象进行采样滤波，由模拟量输入通道将采样信号送入检测变送装置，再经A/D转换后得到数字信号后对对象进行辨识；2)通过确定控制器可调参数λ的下限，保证对应的PID控制器的四个参数取值为正；3)判断经过A/D转换后的数字量输入信号极性，据此计算误差信号；4)计算极限PID控制器参数值；5)计算控制信号增量的值，由D/A转换后输出至执行器，使被控对象运行在给定的范围内。本发明得到的控制器逼近理论设计出的最优控制器性能，可达到用户满意的标称性能和鲁棒性能，实现更好的控制效果。
200480024024.5的中国专利文件中公开的技术方案，包括模型存储单元(1)，预先存储受控系统的数学模型；PID控制器存储单元(2)，预先存储控制器算法；约束条件存储单元(3)，预先存储针对操作的约束条件；仿真计算单元(5)，根据约束条件执行对控制系统的仿真；理想控制结果存储单元(6)，预先存储理想控制响应特性；评价函数计算单元(7)，计算表示仿真结果与理想控制响应特性之间的近似性的评价函数值；以及PID参数搜索计算单元(8)，通过在改变PID参数的同时，执行仿真，来搜索使评价函数值最优的PID参数。
Vehicular Electronics and Safety，2006 IEEE International Conferenceon；Shanghai，China中国公开的技术方案为For conducted interference inthe control circuit of the DC/DC converter used in FCEV，the second orderButterwoth and Chebyshev active low-pass filters and their circuitconfigurations are analyzed and discussed in this article.The articlepresents the process of their network realization and simulates them withMatlab.Furthermore，an advanced second-order active low-pass filter isdesigned in this article for occasions that need a large time constantin practice. (Low-Pass Filters Design and Simulation for the Control Circuit ofDC/DC Converters；DC/DC转换器控制电路中低通滤波器的设计和仿真)车辆电子与安全.2006.2006 IEEE国际会议，上海，中国.中公开的技术方案为为解决FCEV中DC/DC转换模块控制电路产生的传导干扰，本论文对二阶Butterworth低通滤波器、有源Chebyshev低通滤波器及其电路配置进行了分析讨论。本论文介绍了该网络的实现方法，并用Matlab进行了仿真。此外，为在实际中需要大时间常数的场合设计了一先进的有源二阶低通滤波器。
基于斩波及数字信号处理技术的无零漂积分器(《系统工程与电子技术》(2001年23卷7期，p8-20，62))中，论述了基于斩波及数字信号处理(DigitalSignal Processing，DSP)技术的长时间无零漂积分器的设计和实现。通过对传统模拟积分器及数字信号处理等方面的深入调研，给出了实际积分电路的误差分析，并据此采用了斩波技术和数字信号处理技术，以解决零点源移、非线性误差和泄漏等传统模拟积分器存在的问题，设计并制做了一个适合于等离子体物理的托卡马克装置放电实验中诊断信号测量的长时间无零漂积分器。
数字PID的设计与调试(《机电一体化》(2001年7卷4期，p69-71))中，介绍了数字伺服系统中数字PID(比例，积分，微分)滤波器参数的设计方法和这些参数对控制系统响应的影响，阐述了如何调整PID滤波器参数，使控制系统达到临界阻尼，以提供最佳的跟踪特性和建立时间。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能解决PID控制器的长期工作问题，消除PID控制器中微分环节的高频噪声和积分环节的零位漂移问题，同时解决PID的数字化问题，使PID能够满足一些伺服系统长期稳定的数字控制需求的一种数字PID控制器方法。
本发明的目的是这样实现的采集后的信号分别进行比例运算、微分运算和积分运算后进行信号叠加，微分运算后的信号先进行低通滤波再进行信号叠加，积分运算后的信号一部分直接进行积分信号提取、另一部分先进行超低通滤波后再进行积分信号提取，积分提取后的信号在进行信号叠加。
所述的微分运算环节的传递函数为 积分运算环节的传递函数为 上述两函数中，Kd为微分环节的增益系数，Td1为微分环节的时间常数1，Td2为微分环节的时间常数2，且有Td1＜Td2，KI为积分环节的增益系数，TI为积分环节的时间常数。。
所述的低通滤波是采用二阶巴特沃兹型滤波器进行低通滤波，表达式如下 其中ωc为滤波器的3db截止频率。
微分运算、积分运算环节采用双线性变换进行离散， 微分运算环节离散化后，表达式为 其中 积分运算环节离散化后，表达式为 其中 低通滤波和超低通滤波用微分方程的进行离散化，获取对应的差分方程 离散化后， 用z表示，则 该滤波器中，滤波器的3db截止频率ωc可根据需要进行选择。本发明专利中，该滤波器既可以设定成低频滤波器，用于微分环节信号的高频滤波；同时可以设置成超低频滤波器，用于积分环节中直流分量的过滤，获取积分环节引起的零位漂移分量。
采用本发明的设计方法，比较容易实现伺服系统数字PID控制规律的设计，有效解决PID控制器中积分环节的零位漂移和高频扰动，确保系统能够长期连续稳定工作，从而提高系统的稳定性、鲁棒性和可靠性。本发明专利简单实用，能很好满足实际系统控制的工程需要。
本发明发明针对一些伺服系统长期稳定工作的需要，通过对传统的积分、微分环节的改造，使积分、微分环节仅在系统工作频带内有效，同时采用Butterworth算法设计了低通滤波器，进而给出一种新的数字PID控制器，可以有效解决PID控制器的零位漂移问题，保证系统的长期稳定工作。
图1是本发明的框图； 图2是微分环节典型波特图； 图3是积分环节典型波特图； 图4是特定频段具有PID特性的波特图。
具体实施例方式 下面结合附图举例对本发明做更详细地描述 结合图1，考虑到微分环节在使用过程会引来高频扰动，积分环节在长期使用时会出现累计误差，产生零位飘移现象，进而严重影响PID的实现问题。为消除这些问题，本发明中对微分环节，采用近似环节替代微分环节，使微分环节仅在系统工作频带内有效，引入一低通滤波器，对微分输出信号进行光滑处理；对积分环节，采用惯性环节替代，同时引入一超低频滤波器，提取引起零位漂移的直流分量，再利用原积分输出信号减去零漂直流分量，从而保证积分环节的稳定性，进而确保PID控制器在随机输入信号的作用下，能够长期稳定工作。针对需要解决的上述问题，本发明的数字PID控制方法是采集后的信号分别进行比例运算、微分运算和积分运算后进行信号叠加，微分运算后的信号先进行低通滤波再进行信号叠加，积分运算后的信号一部分直接进行积分信号提取、另一部分先进行超低通滤波后再进行积分信号提取，积分提取后的信号在进行信号叠加。其中，微分环节的低通滤波器主要用于消除微分运算带来的高频扰动，超低通滤波器则用于过滤出积分运算引起的零位漂移直流分量。在上述运算的基础上，对各环节进行离散化处理，即可获得数字PID控制器。
1.微分、积分环节 理想的微分环节、积分环节在整个频带范围内均具有微分、积分特性，但是任何实际系统均具有特定的频带范围，因此用于系统实际控制的微分、积分环节，并不需要在全频带范围内具有微分、积分特性，只是需要微分、积分环节在系统的工作频带范围内能够具有期望特性就可以。
根据上述特点，PID控制器中的微分环节、积分环节可以用以下函数来代替。其中微分环节的传递函数为 积分环节为 上述两函数中，只需要合理选者参数Kd，Td1，Td2，KI，TI，则可以使式(1)、(2)在期望的频域范围内具有理想微分、积分环节的特性，从而有效解决微分、积分环节的可实现性。
其中，式(1)表示的微分环节典型波特图如图2所示；式(2)表示的积分环节波特图如图3所示；将微分环节、积分环节和比例环节组合，得到的PID的幅频特性如图4所示。其中下凹处就是PID的典型特性。
2.低通滤波器 滤波器按不同的频域或时域特性要求，可分为巴特沃兹(Butterworth)型，契比雪夫(Chebyshev)型，贝赛尔(Bessel)型等标准型。选取不同参数，这些滤波器可以实现不同的滤波功能。其中，巴特沃兹型滤波器具有最平坦的通带幅频特性；契比雪夫型特点是通带内增益有波动，但这种滤波器的通带边界下降快；贝赛尔型通带边界下降较为缓慢，其相频特性接近线性。对于船用伺服控制系统，系统主要工作在零点几个赫兹到一两个赫兹之间，因此，为保证滤波器的使用不会影响到微分、积分运算信号幅值，要求滤波器在工作频段内尽量平坦，而且过渡带和截止带衰减尽量快。本专利中采用二阶巴特沃兹型滤波器，表达式如下 其中ωc为滤波器的3db截止频率。
3.各环节的离散化 微分、积分环节的离散化 在整个数字控制器中，微分、积分环节采用双线性变换来实现，变换式为 其中Ts为离散时间常数。
带入，则有 微分环节离散化后，表达式为 其中 积分环节离散化后，表达式为 其中 滤波器的离散化 滤波器则用微分方程的进行离散化，获取对应的差分方程 离散化后，有 用z表示，则有 该滤波器中，滤波器的3db截止频率ωc可根据需要进行选择。本发明专利中，该滤波器既可以设定成低频滤波器，用于微分环节信号的高频滤波；同时可以设置成超低频滤波器，用于积分环节中直流分量的过滤，获取积分环节引起的零位漂移分量。
4.优点 (1).选取恰当的控制器参数，可以使微分环节、积分环节仅在系统工作频段范围内有效； (2).可以有效克服积分环节的零位漂移，微分环节的高频扰动； (3).该数字PID控制器能够长期工作，适用于船舶控制等长期工作的系统控制。
权利要求
1、一种数字PID控制方法，采集后的信号分别进行比例运算、微分运算和积分运算后进行信号叠加，其特征是微分运算后的信号先进行低通滤波再进行信号叠加，积分运算后的信号一部分直接进行积分信号提取、另一部分先进行超低通滤波后再进行积分信号提取，积分提取后的信号在进行信号叠加。
2、根据权利要求1所述的一种数字PID控制方法，其特征是所述的微分运算环节的传递函数为
3、根据权利要求2所述的一种数字PID控制方法，其特征是所述的积分运算环节的传递函数为
4、根据权利要求3所述的一种数字PID控制方法，其特征是所述的低通滤波是采用二阶巴特沃兹型滤波器进行低通滤波，表达式如下
其中ωc为滤波器的3db截止频率。
5、根据权利要求4所述的一种数字PID控制方法，其特征是所述的微分运算环节采用双线性变换进行离散，离散化后表达式为
其中
6、根据权利要求5所述的一种数字PID控制方法，其特征是所述的积分运算环节采用双线性变换进行离散，离散化后表达式为
其中
7、根据权利要求6所述的一种数字PID控制方法，其特征是低通滤波和超低通滤波用微分方程的进行离散化，获取对应的差分方程
离散化后，
用z表示，则
全文摘要
本发明提供的是一种数字PID控制方法。采集后的信号分别进行比例运算、微分运算和积分运算后进行信号叠加，微分运算后的信号先进行低通滤波再进行信号叠加，积分运算后的信号一部分直接进行积分信号提取、另一部分先进行超低通滤波后再进行积分信号提取，积分提取后的信号在进行信号叠加。本发明发明针对一些伺服系统长期稳定工作的需要，通过对传统的积分、微分环节的改造，使积分、微分环节仅在系统工作频带内有效，同时采用Butterworth算法设计了低通滤波器，通过适当的离散化处理，进而给出一种新的数字PID控制器，可以有效解决PID控制器的零位漂移问题，保证系统的长期稳定工作。
文档编号G05B11/42GK101339405SQ20081013691
公开日2009年1月7日 申请日期2008年8月13日 优先权日2008年8月13日
发明者梁利华, 明 吉, 张松涛, 金鸿章 申请人:哈尔滨工程大学