一种PID控制的工程实现方法与流程

本发明涉及电力电子技术领域，具体涉及一种pid控制的工程实现方法。

背景技术：

pid控制器是控制应用最广泛的一种自动控制器，由比例单元p、积分单元i和微分单元d组成，pid控制器因其原理简单、易于实现、适用面广、控制参数行对独立且选定简单等特点，在工业控制中利用pid控制器对控制系统进行偏差调节，进而使得被控变量的实际值与工艺要求的预定值一致。

pid控制器的数学表达式为：

δxin＝xin_ref-xin(1)

其中，xin_ref为控制量参考信号，xin为控制量输入信号，δxin为控制量输入信号相对于控制量参考信号的差值，y为pid控制器的调节输出信号，kp为比例系数，ki为积分系数，kd为微分系数。

pid控制器的工程实现表达式为：

δxin＝xin_ref-xin(3)

其中，δxin(k)为第k个采样周期内采样的控制量输入值与第k个采样周期内对应的控制量参考值之间的差值，δxin(k-1)为第k-1个采样周期内采样的控制量输入值与第k-1个采样周期内对应的控制量参考值之间的差值，δt为控制系统的采样周期时间。

pid控制器在工程应用时，采样信号通常存在噪音，当控制系统的采样周期时间δt为很小量时，微分量会将采样信号中的噪音放大，从而导致pid控制器的输出信号y中存在大量噪音，导致控制系统不稳定。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术提供一种在电力电子控制系统中应用，以避免高频噪音被放大的弊端，可以使得控制系统具有更高的截止频率的pid控制的工程实现方法。

本发明解决上述问题所采用的技术方案为：一种pid控制的工程实现方法，其特征在于：

步骤1、向控制系统中的pid控制器中输入控制量参考信号；

步骤2、对于控制系统中的控制量信号和控制量参考信号，根据控制系统的采样周期，采样控制量信号中各采样周期内的控制量输入值以及对应的控制量参考值；

控制系统中pid控制器的工程实现数学表达式为：

δxin＝xin_ref-xin(5)

其中，xin_ref为控制系统中预控制实现的控制量参考信号，xin为控制量输入信号，δxin为控制量输入信号与对应控制量参考信号之间的差值，y为pid控制器的输出信号，kp为比例系数，ki为积分系数，kd为微分系数，δxin(k)为第k个采样周期内采样的控制量输入值与对应控制量参考值之间的差值，xin_ref(k)为第k个采样周期内采样的控制量输入值对应的控制量参考值，xin_ref(k-1)为第k-1个采样周期内采样的控制量输入值对应的控制量参考值，δt为控制系统的采样周期时间；

将作为pid控制器中的微分单元，根据pid控制器的输出信号实现控制系统中控制量信号的控制。

简单地，对于电力电子技术中实现电流信号控制的电流控制系统，对电流控制系统中的输入电流信号和预控制实现的参考电流信号进行数据采样，从而获取各采样周期内的输入电流值及对应的参考电流值；

向pid控制器中输入各采样周期内的输入电流值与参考电流值的差值、电感l两端的电压差值ul；

根据电学原理可得：

其中，iin为流经电感的输入电流信号，由公式(5)、公式(6)和公式(8)得到的电流信号控制对应的pid控制器的工程实现数学表达式为：

δiin＝iin_ref-iin(9)

其中，iin_ref为电流控制系统中预控制实现的参考电流信号，iin为流经电感的输入电流信号，δiin为输入电流信号与对应参考电流信号之间的差值，uref为pid控制器的输出的调节电压信号，δiin(k)为第k个采样周期内采样的输入电流值与对应参考电流值之间的差值，iin_ref(k)为第k个采样周期内采样的输入电流值对应的参考电流值，iin_ref(k-1)为第k-1个采样周期内采样的输入电流值对应的参考电流值；

将作为电流控制系统中pid控制器的微分单元，根据pid控制器的输出的调节电压信号uref实现对电流控制系统中的输入电流信号iin进行调节控制，以使得输入电流信号iin接近参考电流信号iin_ref。

可选择地，直接检测电感两端的电压以获取电感两端的电压值；

或者分别检测电感两端的对地电压，计算电感两端的对地电压差值作为电感两端的电压值。

简单地，对于电力电子技术中实现电压信号控制的电压控制系统，对电压控制系统中的输出电压信号和预控制实现的参考电压信号进行数据采样，从而获取各采样周期内的输出电压值及对应的参考电压值；

向pid控制器中输入各采样周期内的输出电压值与参考电压值的差值、电容c的充电电流ic；

根据电学原理可得：

其中，uout为电容端的输出电压信号，由公式(5)、公式(6)和公式(12)得到的电压信号控制对应的pid控制器的工程实现数学表达式为：

δuout＝uout_ref-uout(13)

其中，uout_ref为电压控制系统中预控制实现的参考电压信号，uout为电容端的输出电压信号，δuout为输出电压信号与对应参考电压信号之间的差值，iref为pid控制器输出的调节电流信号，δuout(k)为第k个采样周期内采样的输出电压值与对应参考电压值之间的差值，uout_ref(k)为第k个采样周期内采样的输出电压值对应的参考电压值，uiout_ref(k-1)为第k-1个采样周期内采样的输出电压值对应的参考电压值；

将作为电压控制系统中pid控制器的微分单元，根据pid控制器的输出信号iref实现电压控制系统中输出电压信号的控制，以使得输出电压信号uout接近参考电压信号uout_ref。

可选择地，直接检测电容的充电电流以获取电容的充电电流值；

或者检测电容节点的输入电流值和电容节点的输出电流值，计算电容节点的输入电流值和电容节点的输出电流值的差值作为电容的充电电流值。

与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明中对pid控制器的微分单元进行了改进，即将作为pid控制器的微分单元，由于xin_ref为控制系统中预控制实现的控制量参考信号，在工程实现时该控制量参考信号由计算机给定，则不存在噪音，并且对于电力电子控制系统，通常-可以根据物理原理，通过测量的方式得到(电流控制可以测量电感两端电压，电压控制可以测量电容充电电流)而不用通过计算得到，避免计算微分时引入噪音，如此可以避免传统pid控制器中信号噪音被放大的问题，保证了控制系统的稳定性，同时可以将控制系统设计到更高的带宽。

附图说明

图1为本发明实施例一中的控制电路图。

图2为本发明实施例二中的控制电路图。

具体实施方式

以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。本实施例中的pid控制的工程实现方法包括以下步骤：

步骤1、向控制系统中的pid控制器中输入控制量参考信号；

步骤2、对于控制系统中的控制量信号和控制量参考信号，根据控制系统的采样周期，采样控制量信号中各采样周期内的控制量输入值以及对应的控制量参考值；

控制系统中pid控制器的工程实现数学表达式为：

δxin＝xin_ref-xin(5)

其中，xin_ref为控制系统中预控制实现的控制量参考信号，xin为控制量输入信号，δxin为控制量输入信号与对应控制量参考信号之间的差值，y为pid控制器的输出信号，kp为比例系数，ki为积分系数，kd为微分系数，δxin(k)为第k个采样周期内采样的控制量输入值与对应控制量参考值之间的差值，xin_ref(k)为第k个采样周期内采样的控制量输入值对应的控制量参考值，xin_ref(k-1)为第k-1个采样周期内采样的控制量输入值对应的控制量参考值，δt为控制系统的采样周期时间；

将作为pid控制器中的微分单元，根据pid控制器的输出信号实现控制系统中控制量信号的控制。

实施例一

本实施例为电力电子技术中实现对电流信号控制的电流控制系统，对如图1所示的电路中的输入电流进行控制，如图1所示，pid控制器前端设置有一减法器，从而实现对信号的减法运算，减法器计算获取的输出信号作为pid控制器的一个输入变量输入至pid控制器中。

该电流控制系统中，pid控制器根据设定的采样周期时间δt，对减法器输出的输入电流信号和预控制实现的参考电流信号的差值信号进行数据采样，从而获取各采样周期内的电流差值；

同时向pid控制器中输入电感l两端的电压差值ul，电感l两端的电压差值ul可以通过直接检测电感两端的电压获取，也可以分别检测电感两端的对地电压，将计算的电感两端的对地电压差值作为电感两端的电压值。

根据电学原理可得：

其中，iin为流经电感的输入电流信号，由公式(5)、公式(6)和公式(8)得到的电流信号控制对应的pid控制器的工程实现数学表达式为：

δiin＝iin_ref-iin(9)

其中，iin_ref为电流控制系统中预控制实现的参考电流信号，iin为流经电感的输入电流信号，δiin为输入电流信号与对应参考电流信号之间的差值，uref为pid控制器的输出的调节电压信号，kp为比例系数，ki为积分系数，kd为微分系数，δiin(k)为第k个采样周期内采样的输入电流值与对应参考电流值之间的差值，iin_ref(k)为第k个采样周期内采样的输入电流值对应的参考电流值，iin_ref(k-1)为第k-1个采样周期内采样的输入电流值对应的参考电流值；

将作为电流控制系统中pid控制器的微分单元，根据pid控制器的输出的调节电压信号uref实现对电流控制系统中的输入电流信号iin进行调节控制，以使得输入电流信号iin接近参考电流信号iin_ref。由于iin_ref为计算机给定的参考电流信号，则不存在噪音，同时为一常量，如此可以避免传统pid控制器中信号噪音被放大的问题，保证了控制系统的稳定性，同时可以将控制系统涉及到更高的带宽。

实施例二

本实施例为电力电子技术中实现对电压信号控制的电压控制系统，对如图2所示的电路中的输入电流进行控制，如图2所示，pid控制器前端设置有一减法器，从而实现对信号的减法运算，减法器计算获取的输出信号作为pid控制器的一个输入变量输入至pid控制器中。

该电压控制系统中，pid控制器根据设定的采样周期时间δt，对减法器输出的输出电压信号和预控制实现的参考电压信号的差值信号进行数据采样，从而获取各采样周期内的电压差值；

同时向pid控制器中输入电容的充电电流值ic，电容c两端的充电电流可以通过直接电流检测获取，也可以分别检测电容节点的输入电流值和电容节点的输出电流值，将计算的输入电流值和输出电流值的差值作为电容的充电电流值。

对于电力电子技术中实现电压信号控制的电压控制系统，对电压控制系统中的输出电压信号和预控制实现的参考电压信号进行数据采样，从而获取各采样周期内的输出电压值及对应的参考电压值；

向pid控制器中输入各采样周期内的输出电压值与参考电压值的差值、电容c的充电电流ic；

根据电学原理可得：

其中，uout为电容端的输出电压信号，由公式(5)、公式(6)和公式(12)得到的电压信号控制对应的pid控制器的工程实现数学表达式为：

δuout＝uout_ref-uout(13)

其中，uout_ref为电压控制系统中预控制实现的参考电压信号，uout为电容端的输出电压信号，δuout为输出电压信号与对应参考电压信号之间的差值，iref为pid控制器输出的调节电流信号，δuout(k)为第k个采样周期内采样的输出电压值与对应参考电压值之间的差值，uout_ref(k)为第k个采样周期内采样的输出电压值对应的参考电压值，uiout_ref(k-1)为第k-1个采样周期内采样的输出电压值对应的参考电压值；

将作为电压控制系统中pid控制器的微分单元，根据pid控制器的输出信号iref实现电压控制系统中输出电压信号的控制，以使得输出电压信号uout接近参考电压信号uout_ref。与实施例一相同，该电压信号pid控制系统的工程实现方法可以避免传统pid控制器中信号噪音被放大的问题，保证了控制系统的稳定性，同时可以将控制系统涉及到更高的带宽。