本申请涉及自动控制技术领域，特别涉及一种pid控制方法、装置及设备。
背景技术
pid控制是一种“基于误差来消除误差”的经典控制策略，目前仍是现代工业生产应用中使用最为广泛的自动控制方法。
pid参数(包括比例参数、积分参数和微分参数)的调节对于改善pid控制效果是非常重要的。在工程控制中，根据误差的大小来合理选择这些参数的大小具有非常重要的实际意义。然而，随着社会的不断进步和发展，人们对于pid控制性能的要求也越来越高。同时，实际应用中的工业控制系统大多存在一些非线性环节，特别是时滞环节；这些环节的存在使得传统pid控制方法的控制效果已经无法满足现代化生产的性能要求。
可见，如何改进现有的pid控制结构，以便有效提高综合控制性能，进而有效改善对非线性时滞系统的控制效果，是本领域技术人员所亟待解决的技术问题。
技术实现要素：
本申请的目的在于提供一种pid控制方法、装置及设备，以便有效地提高综合控制性能，进而有效改善对非线性时滞系统的控制效果。
为解决上述技术问题，本申请提供一种pid控制方法，包括：
将δ(t)输入至第一跟踪器以获取输出的第一过渡信号；将δ(t)-1输入至第二跟踪器以获取输出的第二过渡信号；δ(t)为单位阶跃信号；
将所述第一过渡信号与预设比例参数初值的乘积确定为pid参数中的比例参数；将所述第二过渡信号与预设微分参数初值的乘积确定为所述pid参数中的微分参数；
根据所述pid参数实时计算pid控制量；以便根据所述pid控制量对被控对象进行控制。
可选地，所述第一跟踪器的表达式为：
其中，fhan为最速控制综合函数；v1(k)为δ(t)的跟踪信号；v2(k)为δ(t)的微分信号；t1为所述第一跟踪器的积分步长；r1为所述第一跟踪器的速度因子；h1为所述第一跟踪器的滤波因子；δ1(k+1)为所述第一过渡信号。
可选地，所述第二跟踪器的表达式为：
其中，fhan为最速控制综合函数；x1(k)为δ(t)-1的跟踪信号；x2(k)为δ(t)-1的微分信号；t2为所述第二跟踪器的积分步长；r2为所述第二跟踪器的速度因子；h2为所述第二跟踪器的滤波因子；δ2(k+1)为所述第二过渡信号。
可选地，
所述pid参数中的积分参数为预设积分参数初值。
可选地，所述根据所述pid控制量对被控对象进行控制包括：
将所述pid控制量输入至跟踪微分器以获取所述pid控制量的跟踪信号和微分信号；
根据所述pid控制量的跟踪信号和微分信号，采用预估控制算法实时计算预估控制量；
将所述预估控制量输出至所述被控对象，以便对所述被控对象进行控制。
可选地，所述跟踪微分器的表达式为：
其中，fhan为最速控制综合函数；upid(t)为所述pid控制量；u1(k)为upid(t)的跟踪信号；u2(k)为upid(t)的微分信号；t3为所述跟踪微分器的积分步长；r3为所述跟踪微分器的速度因子；h3为所述跟踪微分器的滤波因子。
可选地，所述预估控制量的计算表达式为：
u(k)＝u1(k)+βτ·u2(k)；
其中，β为预估系数；τ为被控对象的时滞时间；u(k)为所述预估控制量。
本申请还提供了一种pid控制装置，包括：
第一跟踪器：用于对输入的δ(t)进行跟踪以输出第一过渡信号；
第二跟踪器：用于对输入的δ(t)-1进行跟踪以输出第二过渡信号；
pid控制器：用于将所述第一过渡信号与预设比例参数初值的乘积确定为pid参数中的比例参数；将所述第二过渡信号与预设微分参数初值的乘积确定为所述pid参数中的微分参数；根据所述pid参数实时计算pid控制量；以便根据所述pid控制量对被控对象进行控制。
可选地，还包括：
跟踪微分器：用于对输入的所述pid控制量进行跟踪和微分以获取所述pid控制量的跟踪信号和微分信号；
预估控制器：用于根据所述pid控制量的跟踪信号和微分信号，采用预估控制算法实时计算预估控制量；将所述预估控制量输出至所述被控对象，以便对所述被控对象进行控制。
本申请还提供了一种pid控制设备，包括：
存储器：用于存储计算机程序；
处理器：用于执行所述计算机程序以实现如上所述的任一种pid控制方法的步骤。
本申请所提供的pid控制方法包括：将δ(t)输入至第一跟踪器以获取输出的第一过渡信号；将δ(t)-1输入至第二跟踪器以获取输出的第二过渡信号；δ(t)为单位阶跃信号；将所述第一过渡信号与预设比例参数初值的乘积确定为pid参数中的比例参数；将所述第二过渡信号与预设微分参数初值的乘积确定为所述pid参数中的微分参数；根据所述pid参数实时计算pid控制量；以便根据所述pid控制量对被控对象进行控制。
可见，相比于现有技术，本申请所提供的pid控制方法中，通过为pid参数中的比例参数和微分参数设置相应合理的过渡过程，使其符合一般工程控制中比例参数和微分参数的经验选取规则，可使得系统的pid参数在不同的控制阶段均保持相应合理的取值，实现光滑连续性调节，从而有效提高pid控制方法的综合控制性能，进而有效改善时滞系统的时滞特性对系统控制效果的不良影响，避免系统超调和振荡的出现。本申请所提供的pid控制设备可以实现上述pid控制方法，同样具有上述有益效果。
附图说明
为了更清楚地说明现有技术和本申请实施例中的技术方案，下面将对现有技术和本申请实施例描述中需要使用的附图作简要的介绍。当然，下面有关本申请实施例的附图描述的仅仅是本申请中的一部分实施例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图，所获得的其他附图也属于本申请的保护范围。
图1为本申请所提供的一种pid控制方法的流程图；
图2为本申请所提供的一种pid控制方法的控制原理图；
图3为本申请所提供的又一种pid控制方法的控制原理图；
图4为采用图3所示pid控制方法时被控对象的单位阶跃响应曲线；
图5为图3所示pid控制方法中的预估控制量的变化曲线图；
图6为图3所示pid控制方法中的误差信号的变化曲线图；
图7为图3所示pid控制方法中的比例参数的变化曲线图；
图8为图3所示pid控制方法中的微分误差信号的变化曲线图；
图9为图3所示pid控制方法中的微分参数的变化曲线图；
图10为本申请所提供的一种pid控制装置的结构框图；
图11为本申请所提供的又一种pid控制装置的结构框图。
具体实施方式
本申请的核心在于提供一种pid控制方法、装置及设备，以便有效地提高综合控制性能，进而有效改善对非线性时滞系统的控制效果。
为了对本申请实施例中的技术方案进行更加清楚、完整地描述，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行介绍。显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
请参考图1，图1为本申请所提供的一种pid控制方法的流程图，主要包括以下步骤：
步骤1：将δ(t)输入至第一跟踪器以获取输出的第一过渡信号δ1(t)；将δ(t)-1输入至第二跟踪器以获取输出的第二过渡信号δ2(t)；其中，δ(t)为单位阶跃信号。
步骤2：将第一过渡信号δ1(t)与预设比例参数初值kp0的乘积确定为pid参数中的比例参数kp；将第二过渡信号δ2(t)与预设微分参数初值kd0的乘积确定为pid参数中的微分参数kd。
步骤3：根据pid参数实时计算pid控制量upid(t)；以便根据pid控制量upid(t)对被控对象进行控制。
此外，请参考图2，图2为本申请所提供的pid控制方法的控制原理图。如图1和图2所示，在传统的pid控制方法的基础上，为了取得更为合理的pid参数以有效提高控制性能，本申请所提供的pid控制方法中通过使用跟踪器输出的过渡信号为pid参数(主要是比例参数kp和微分参数kd)安排了过渡过程。
本领域技术人员应当理解，在pid控制方法的工程应用中，相关pid参数的设置一般遵循以下经验规则：对于比例调节，当系统的误差较大时，应当选择较小的比例参数kp(或称为比例增益)，而在误差较小时应当选取较大的比例参数kp；对于微分调节，当系统的微分误差较大时，应当选取较大的微分参数kd(或称为微分增益)，而在微分误差较小时应当选取较小的微分参数kd。总结来说即“大误差、小比例增益；小误差、大比例增益”规则和“大微分误差、大微分增益；小微分误差、小微分增益”规则。
基于上述内容，本申请所提供的pid控制方法正是通过为比例参数kp和微分参数kd分别安排了相应的过渡过程而实现上述的两条经验规则的。首先，对于比例调节中的比例参数kp，由于在控制过程中系统的误差整体上是逐渐减小的，那么，根据比例参数kp的控制规则，应当设计一个逐渐增大的比例参数kp。因此，本申请利用第一跟踪器对单位阶跃信号δ(t)进行跟踪得到光滑的第一过渡信号δ1(t)，从而将第一过渡信号δ1(t)与预设比例参数初值kp0的乘积作为pid参数中的比例参数kp来参与控制。所说的预设比例参数初值kp0是预先为所选取的一个初始定值，将其与第一过渡信号δ1(t)相乘后便得到了一个平滑过渡变化的变量，以作为比例参数kp，进而防止超调和振荡，改善控制效果。并且，优选地，预设比例参数初值kp0可具体通过一些本领域中常用的pid参数整定方法来整定获取。而至于具体的过渡过程，本领域技术人员可通过设置合理的跟踪器参数来进行调节，以便通过合理的过渡过程来避免现有技术中因控制参数不合理或者时滞系统的时滞特性而导致的系统振荡和超调。
其次，类似地，对于微分调节中的微分参数kd，由于系统的微分误差在控制过程中也是逐渐减小的，所以，根据微分参数kd的控制规则，应当设计一个逐渐减小的微分参数kd。因此，可利用第二跟踪器对信号δ(t)-1进行跟踪得到光滑的第二过渡信号δ2(t)，从而将第二过渡信号δ2(t)与预设微分参数初值kd0的乘积作为pid参数中的微分参数kd来参与控制。同样地，本领域技术人员可自行设计第二跟踪器的相关参数，以调节第二过渡信号δ2(t)的具体过渡过程。
此外，需要说明的是，由于对积分参数ki安排过渡过程的改善效果并不像比例调节或者微分调节效果那么明显，因此其意义并不大，但本领域技术人员仍然也可以参照比例参数kp或者微分参数进行积分参数ki过渡过程的设置。当然，本领域技术人员也可以不同时对比例参数kp和微分参数kd安排过渡过程，而只安排其中某一个参数的过渡过程，特别是在一些简化的pid控制中，例如pi控制或者pd控制等。上述内容与本申请属于同一发明构思，因此都将落入本申请的保护范围中。
当确定了pid参数之后，便可以利用以下pid控制计算公式来计算pid控制量upid(t)以便对被控对象进行控制：
其中，upid(t)为pid控制量；kp、ki、kd分别为pid参数中的比例参数、积分参数、微分参数；e为输入信号r与输出信号y的偏差，即系统的误差信号；
可见，本申请所提供的pid控制方法中，通过为pid参数中的比例参数kp和微分参数kd设置相应合理的过渡过程，使其符合一般工程控制中比例参数kp和微分参数kd的经验选取规则，可使得系统的pid参数在不同的控制阶段均保持相应合理的取值，实现光滑连续性调节，从而有效提高pid控制方法的综合控制性能，进而有效改善时滞系统的时滞特性对系统控制效果的不良影响，避免系统超调和振荡的出现。
本申请所提供的pid控制方法，在上述实施例的基础上：
作为一种优选实施例，第一跟踪器的表达式为：
其中，fhan为最速控制综合函数；v1(k)为δ(t)的跟踪信号；v2(k)为δ(t)的微分信号；t1为第一跟踪器的积分步长；r1为第一跟踪器的速度因子；h1为第一跟踪器的滤波因子；δ1(k+1)为离散态的所述第一过渡信号。
具体地，所说的第一跟踪器具体可采用自抗扰控制技术中的跟踪微分器，利用跟踪微分器得到的δ(t)的跟踪信号v1(k)和微分信号v2(k)而计算获取第一过渡信号δ1(k+1)。跟踪微分器中具体是采用了fhan函数即最速控制综合函数来实现过渡安排，可达到解决响应速度和超调之间的矛盾的效果，具有较为合理的过渡效果。其中，fhan函数的具体表达式为：
而至于相关的调节系数，例如积分步长t1、滤波因子h1等，本领域技术人员可自行选择设置。
作为一种优选实施例，第二跟踪器的表达式为：
其中，fhan为最速控制综合函数；x1(k)为δ(t)-1的跟踪信号；x2(k)为δ(t)-1的微分信号；t2为第二跟踪器的积分步长；r2为第二跟踪器的速度因子；h2为第二跟踪器的滤波因子；δ2(k+1)为离散态的苏搜狐第二过渡信号。
与第一跟踪器类似，本申请所提供的第二跟踪器同样可采用自抗扰控制技术中的跟踪微分器，以便根据δ(t)-1的跟踪信号x1(k)和微分信号x2(k)来获取第二过渡信号δ2(k+1)。
作为一种优选实施例，
pid参数中的积分参数ki为预设积分参数初值ki0。
具体地，如前所述，积分调节设置过渡过程的意义不大，因此，可直接将其设置为定值，即所说的预设积分参数初值ki0。
请参考图3，图3为本申请实施例所提供的又一种pid控制方法的控制框图。
如图3所示，作为一种优选实施例，根据pid控制量upid(t)对被控对象进行控制包括：
将pid控制量upid(t)输入至跟踪微分器以获取pid控制量的跟踪信号u1(k)和微分信号u2(k)；
根据pid控制量upid(t)的跟踪信号u1(k)和微分信号u2(k)，采用预估控制算法实时计算预估控制量u(k)；
将预估控制量u(k)输出至被控对象，以便对被控对象进行控制。
具体地，在上述对pid参数安排过渡过程的方案的基础上，还可以进一步结合预估控制算法来增强对被控对象的控制效果。具体地，预估控制算法是利用预测模型来预估过程未来的输出状况与设定值之间的偏差，以此为基础，采用“滚动式”的最优化策略来计算当前的控制输人，并引人输出的实时测量值来进行在线校正。它可以处理具有时滞的对象，具有跟踪性能良好等的优良性能。因此，可通过对pid控制量进行跟踪和微分以获取其跟踪信号与微分信号，以便对系统的输出偏差进行预估，进而确定出对应的预估控制量。
作为一种优选实施例，跟踪微分器的表达式为：
其中，fhan为最速控制综合函数；upid(t)为pid控制量；u1(k)为upid(t)的跟踪信号；u2(k)为upid(t)的微分信号；t3为跟踪微分器的积分步长；r3为跟踪微分器的速度因子；h3为跟踪微分器的滤波因子。
类似地，所说的跟踪微分器同样采用fhan函数。本领域技术人员可根据实际应用情况而自行选择设置其相关系数。
作为一种优选实施例，预估控制量u(k)的计算表达式为：
u(k)＝u1(k)+βτ·u2(k)；
其中，β为预估系数；τ为被控对象的时滞时间；u(k)为预估控制量。
具体地，可采用较为简单的线性组合方式来实现预估控制。其中，参数τ为被控对象的时滞时间，所以可预先采用一些系统辨识手段来辨识出被控对象的时滞时间τ。需要补充的是，在实际应用中计算预估控制量u(k)时，也可以用upid(t)代替u1(k)来参与计算，对此本申请并不进行限定。
请参考图4，图4为采用图3所示pid控制方法时被控对象的单位阶跃响应曲线。被控对象为带有时滞环节的一阶惯性系统，其传递函数为：
此外，相关的控制参数分别为：
第一跟踪器的积分步长为t1＝0.01，速度因子为r1＝0.00002，滤波因子为h1＝0.1；
第二跟踪器的积分步长为t2＝0.01，速度因子为r2＝0.00002，滤波因子为h2＝0.1；
pid控制器的预设比例参数初值为kp0＝0.2，预设积分参数初值为ki0＝0.0495，预设微分参数初值为kd0＝0.001；
跟踪微分器的积分步长为t3＝0.01，速度因子为r3＝0.2，滤波因子为h3＝0.1；
预估控制器的预估系数为β＝0.5，时滞时间为τ＝10。
如图4所示，相比于传统pid控制方法，本申请所提供的pid控制方法有效地提高了响应速度，缩短了调节时间，且实现了无超调控制，具有更好的动态性能。
在该调节过程中，对应得到的预估控制量u(k)的变化曲线具体如图5所示，系统的误差信号e和比例参数kp的变化曲线分别具体如图6和图7所示，系统的微分误差信号
从图5可知，本申请所提供的pid控制方法中，预估控制量u(k)从最初的零值光滑地变化并快速地进入稳态，没有出现毛刺或突变。而传统的pid控制方法所输出至被控对象的控制量则存在一个阶跃突变，这将十分不利于执行机构的稳定运行。
从图6和图7中可以看到，本申请为比例参数kp安排了过渡过程，使其光滑地从零值变化到设定值0.2，随着系统的误差的减小，比例参数逐渐增大，满足控制工程应用中“大误差、小比例增益；小误差、大比例增益”的调节规则。
类似地，从图8和图9中可以看到，本申请为微分参数kd安排了过渡过程，使其光滑地从预设微分参数初值0.001光滑地变化至零值，并且随着系统微分误差的减小，微分参数逐渐减小，满足控制工程应用中“大微分误差、大微分增益；小微分误差、小微分增益”的调节规则。
下面对本申请所提供的pid控制装置进行介绍。
请参阅图10，图10为本申请所提供的一种pid控制装置的结构框图；包括第一跟踪器1、第二跟踪器2和pid控制器3；
第一跟踪器1用于对输入的δ(t)进行跟踪以输出第一过渡信号δ1(t)；δ(t)为单位阶跃信号；
第二跟踪器2用于对输入的δ(t)-1进行跟踪以输出第二过渡信号δ2(t)；
pid控制器3用于将第一过渡信号δ1(t)与预设比例参数初值kp0的乘积确定为pid参数中的比例参数kp；将第二过渡信号δ2(t)与预设微分参数初值kd0的乘积确定为pid参数中的微分参数kd；根据pid参数实时计算pid控制量upid(t)；以便根据pid控制量upid(t)对被控对象进行控制。
请参阅图11，图11为本申请所提供的又一种pid控制装置的结构框图。如图11所示，在图10的基础上，作为一种优选实施例，本申请所提供的pid控制装置还包括跟踪微分器4和预估控制器5；
跟踪微分器4用于对输入的pid控制量upid(t)进行跟踪和微分以获取pid控制量的跟踪信号u1(k)和微分信号u2(k)；
预估控制器5用于根据pid控制量upid(t)的跟踪信号u1(k)和微分信号u2(k)，采用预估控制算法实时计算预估控制量u(k)；将预估控制量u(k)输出至被控对象，以便对被控对象进行控制。
本申请还提供了一种pid控制设备，包括：
存储器：用于存储计算机程序；
处理器：用于执行所述计算机程序以实现如上任一实施例所述的pid控制方法的步骤。
可见，本申请所提供的pid控制装置和设备，通过为pid参数中的比例参数kp和微分参数kd设置相应合理的过渡过程，使其符合一般工程控制中比例参数kp和微分参数kd的经验选取规则，可使得系统的pid参数在不同的控制阶段均保持相应合理的取值，实现光滑连续性调节，从而有效提高pid控制方法的综合控制性能，进而有效改善时滞系统的时滞特性对系统控制效果的不良影响，避免系统超调和振荡的出现。
本申请所提供的pid控制装置及设备的具体实施方式与上文所描述的pid控制方法可相互对应参照，这里就不再赘述。
本申请中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置和设备而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
还需说明的是，在本申请文件中，诸如“第一”和“第二”之类的关系术语，仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或者操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或者操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。此外，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上对本申请所提供的技术方案进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本申请的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以对本申请进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本申请权利要求的保护范围内。