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1、(10)申请公布号 CN 104020663 A (43)申请公布日 2014.09.03 C N 1 0 4 0 2 0 6 6 3 A (21)申请号 201410251070.4 (22)申请日 2014.06.06 G05B 11/42(2006.01) (71)申请人白银有色集团股份有限公司 地址 730900 甘肃省白银市白银区友好路 96号 (72)发明人张建斌 侯福祖 张龙军 (74)专利代理机构甘肃省知识产权事务中心 62100 代理人赵立权 (54) 发明名称 一种基于统计学原理的数字PID参数自整定 方法 (57) 摘要 本发明提供了一种基于统计学原理的PID 参数自整定。
2、方法，主要包括如下步骤：（1）初始 化程序，读取传感器初始化参数；（2）参数整定： 对数学模型 ，令(u(t)为矩阵Y，(K，1/K i ，K d )为矩阵B， 为矩阵X，则有方程式 Y=BX+b成立，利用如下矩阵计算式计算待估计 参数：B=(Yb)/X=(Yb)*inv(X)；（3）分别计 算比例相Ke(t)、积分相和微分相 ；（4）比例相、积分相和微分相求和； （5）控制器运行一定时间后，对整定后的参数进行 适宜性判断。本发明参数自整定方法可以在PID 算法内部实现，占有计算资源少，准确性好；参数 整定完全自动化，不需要人工干预；输出信号收 敛时间理论上比Ziegler-Nichols法少。
3、一半，性 能明显优于Cohen-Coon法。 (51)Int.Cl. 权利要求书1页 说明书4页 附图1页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书1页 说明书4页 附图1页 (10)申请公布号 CN 104020663 A CN 104020663 A 1/1页 2 1.一种基于统计学原理的数字PID参数自整定方法，其特征在于，包括如下步骤： （1）初始化程序，读取传感器初始化参数； （2）参数整定：对数学模型 ， 式中，u：控制输出信号，e：当前值与设定值差，K：比例增益控制参数，K i ：积分增益控 制参数，K d ：微分增益控制参数，t：输入采样时间，b：。
4、输出偏移； 令(u(t)为矩阵Y， (K，1/ K i ，K d )为矩阵B，为矩阵X，则有方程式 Y = BX+b成立，其中，矩阵X、Y均为实验采集数据，矩阵B是待估计的PID参数； 利用如下矩阵计算式计算待估计参数： B = (Y b)/ X = (Y b ) * inv ( X ) 整定过程开始时，设定三个不同的控制器输出值y1、y2、y3，分别计算相应的输入值 x1、x2、x3；把控制器输出值Y=（y1，y2，y3）和输入值X = (x1，x2，x3)分别代入式中，即 可计算得到待估计参数K、K i 、K d ； （3）分别计算比例相Ke(t)、积分相和微分相； （4）比例相、积分相和。
5、微分相求和； （5）控制器运行一定时间后，对整定后的参数进行适宜性判断，设判断函数 ，式中，u：控制器输出信号，e：当前值与设定值差，：e值正态分 布的标准差； 如果E4，则说明整定后的参数是适宜的，可进行控制器控制信号输出使用；如果 E4，则表示控制对象的特性发生了变化，当前PID参数已经不适用，并按前述步骤对参 数进行重新整定。 权 利 要 求 书CN 104020663 A 1/4页 3 一种基于统计学原理的数字 PID 参数自整定方法 技术领域 0001 本发明属于自动化控制领域，具体涉及一种基于统计学原理的数字PID控制器参 数自整定方法。 技术背景 0002 PID自动控制器自发明。
6、以来得到了广泛的应用。当前新安装的自动控制设备中， 有一半以上采用了PID控制器或算法。PID控制器从最初的模拟信号控制发展至今，大部 分已经被数字控制方式代替。数字PID控制器的设计中，开发参数整定的新算法，成为改善 其性能的重要手段。被控制目标的度量特性稳定时，自动控制器的参数是也是确定的，但当 被控制目标的度量特性不断发生变化时，控制器参数只能通过实验数据来得到。PID控制 器的参数整定算法是一种自动获取控制过程经验参数的方法。常用于获得PID参数的方法 有试差法和曲线周期法。当前应用最广泛的有Ziegler-Nichols和Cohen-Coon两种方法， Ziegler-Nichols。
7、法可以用于闭路和开路的控制，Cohen-Coon法通常只用于开路控制。PID 参数整定算法的优劣可以通过一段时间内输出值与设定值差的标准差来衡量。方程式(1) 是PID控制器的一种通用数学模型。从数学模型可以看出，应用该方法控制工业过程时，具 有跨度量衡(如，通过流量控制液位；通过电流大小控制温度等)，自动回归适应物理模型 (不需要事先获得被控制对象的准确数学模型)等优良特征。 0003 0004 式中，u：控制输出信号； 0005 e：当前值与设定值差； 0006 K：比例增益控制参数； 0007 K i ：积分增益控制参数； 0008 K d ：微分增益控制参数； 0009 t：输入采样时。
8、间； 0010 b：输出偏移。 0011 实际应用中还需要额外加入一些参数。超出执行机构处理能力的控制信号可能造 成信号失真或设备损坏。例如：设置一个噪音带宽参数N b ，当输入值与设置值差小于N b 的 时候，参数e置零，这会有效防止输出信号抖动，增加控制器稳定性；设置一个死区参数D z , 防止过大或过小的输出信号。 0012 实际应用中最大的问题是K、K i 、K d 三个参数的确定。工业生产中，岗位操作人员 往往无法合理的调整PID控制器的参数。由于控制对象的特性多种多样，经验丰富的技术 人员也要费大量时间调整控制器参数。而且随着控制对象特性的变化，PID控制器参数很 可能需要重新调整。
9、。而采用人工调整参数的PID整定方法通常不能及时发现工控条件的迁 移，导致控制器长期运行在不准确的状态下。 0013 Ziegler-Nichols PID整定法首先将积分和微分增益设置为0，然后比例增益从零 说 明 书CN 104020663 A 2/4页 4 开始逐渐增加，直到到达极限增益K u ，此时控制器输出值以恒定值振荡。根据不同的类型， 给出了P、PI、PID三种控制方式中参数K、K i 、K d 与K u 的关系。这种整定方法需要较长时间 确定K u 。人工调节时大部分控制器不能画出控制信号曲线，难以准确判断K u 值，在自整定 参数的算法实现中，控制信号曲线的拟合过程对计算资源。
10、的要求较高，微处理器通常难以 满足需要。Cohen-Coon法只需要输出信号升高(或降低)然后稳定，即可计算得到整定参 数，速度较快。理论上只有Ziegler-Nichols法整定时间的1/4。但这种方法只适合于开路 控制，准确性不高。 发明内容 0014 本发明的目的在于针对PID控制器参数难以整定的难题，提供一种基于统计学原 理的PID参数自整定方法。 0015 为此，本发明采用如下技术方案： 0016 一种基于统计学原理的数字PID参数自整定方法，包括如下步骤： 0017 (1)初始化程序，读取传感器初始化参数； 0018 (2)参数整定：对数学模型， 0019 式中，u：控制输出信号，。
11、e：当前值与设定值差，K：比例增益控制参数，K i ：积分增 益控制参数，K d ：微分增益控制参数，t：输入采样时间，b：输出偏移； 0020 令(u(t)为矩阵Y，(K，1/K i ，K d )为矩阵B，为矩阵X，则有方 程式YBX+b成立，其中，矩阵X、Y均为实验采集数据，矩阵B是待估计的PID参数； 0021 利用如下矩阵计算式计算待估计参数： 0022 B(Yb)/X(Yb)*inv(X) 0023 整定过程开始时，设定三个不同的控制器输出值y 1 、y 2 、y 3 ，分别计算相应的输入值 x 1 、x 2 、x 3 ；把控制器输出值Y(y 1 ，y 2 ，y 3 )和输入值X(x。
12、 1 ，x 2 ，x 3 )分别代入式中，即可 计算得到待估计参数K、K i 、K d ； 0024 (3)分别计算比例相Ke(t)、积分相和微分相 0025 (4)比例相、积分相和微分相求和； 0026 (5)控制器运行一定时间后，对整定后的参数进行适宜性判断，设判断函数 式中，u：控制器输出信号，e：当前值与设定值差，：e值正态分 布的标准差； 0027 如果E4，则说明整定后的参数是适宜的，可进行控制器控制信号输出使用； 如果E4，则表示控制对象的特性发生了变化，当前PID参数已经不适用，并按前述步骤 对参数进行重新整定。 0028 由于控制器参数完成整定后，运行一段时期，被控制对象的特。
13、性可能发生变化，当 前的参数将不能适应控制要求。这就需要在控制器运行一段时期后通过一种方法随时判断 说 明 书CN 104020663 A 3/4页 5 参数的适应性。由于PID控制器完成自整定后，步骤1数学模型中的e符合正态分布，且分 布的数学期望是PID设定值，分布的标准差则是衡量PID参数适应性的重要指标。依据 正态分布的概率密度函数，e值超出平均数左右四个标准差4的时候，可以认为小概率事 件发生，这表示被控制对象的特性发生了变化，当前PID参数已经不适用，需要使用上述参 数自整定方法重新整定。 0029 采用本发明方法整定PID参数，最少只需要在3个稳定输入信号附近的采样，采样 值越多。
14、PID整定性能越好。在传感器采样频率较高的情况下，可以增加采用数量以提高参 数整定的性能。多组输入值求平均值，然后计算输入矩阵X。这种方法能有效抑制输入信号 噪音。 0030 本发明的有益效果在于：本发明参数自整定方法有别于现有插件式的参数整定工 具，可以在PID算法内部实现，占有计算资源少，准确性好。整定方法的实质是应用实验统 计法，通过统计数据的线性运算即可计算出待估计的参数；此外，本发明方法整定PID参数 完全自动化，不需要人工干预；输出信号收敛时间理论上比Ziegler-Nichols法少一半，性 能明显优于Cohen-Coon法；本发明方法还有很好的硬件适应性，可以稳定运行于嵌入式系。
15、 统中。 附图说明 0031 图1为本发明PID参数自整定方法的流程图。 具体实施方式 0032 如图1所示，一种基于统计学原理的PID参数自整定方法，包括如下步骤： 0033 (1)初始化程序，读取传感器初始化参数； 0034 (2)参数整定：对数学模型， 0035 式中，u：控制输出信号，e：当前值与设定值差，K：比例增益控制参数，K i ：积分增 益控制参数，K d ：微分增益控制参数，t：输入采样时间，b：输出偏移； 0036 令(u(t)为矩阵Y，(K，1/K i ，K d )为矩阵B，为矩阵X，则有方 程式YBX+b成立，其中，矩阵X、Y均为实验采集数据，矩阵B是待估计的PID参数。
16、； 0037 利用如下矩阵计算式计算待估计参数： 0038 B(Yb)/X(Yb)*inv(X) 0039 整定过程开始时，将控制器输出值分别置为50、10、90，分别计算相应的输 入值x 1 、x 2 、x 3 ；然后把控制器输出值和输入值X(x 1 ，x 2 ，x 3 )分别代入式中，即可计算得 到待估计参数K、K i 、K d ； 0040 (3)分别计算比例相Ke(t)、积分相和微分相 0041 (4)比例相、积分相和微分相求和； 0042 (5)控制器运行一定时间后，对整定后的参数进行适宜性判断，设判断函数 说 明 书CN 104020663 A 4/4页 6 式中，u：控制器输出信。
17、号，e：当前值与设定值差，：e值正态 分布的标准差； 0043 如果E4，则说明整定后的参数是适宜的，可进行控制器控制信号输出使用； 如果E4，则表示控制对象的特性发生了变化，当前PID参数已经不适用，并按前述步骤 对参数进行重新整定。 0044 为了验证本发明的控制效果，采用Matlab分别实现Ziegler-Nichols法、 Cohen-Coon法和上文所述的PID自整定方法效果。三种控制参数整定方法采用相同的PID 算法以及D z 、N b 等参数。在输入值上分别叠加正弦、方波、随机数干扰信号，以模拟工业生 产中控制对象特性的变化。考察自整定算法对干扰信号的适应性。所用整定时间以|e|N b 为准。测试结果如下表1所示： 0045 表1三种PID控制器参数自整定算法的模拟测试 0046 0047 表1中，P1段为无干扰段，P2段引入正弦波干扰，P3段引入方波干扰，P4段引入 随机数干扰。T1、T2、T3、T4分别为P1、P2、P3、P4时间段所使用的整定时间，为相应标 准差。从数据可以看出基于统计学原理的PID参数自整定法算法适应性优于前两种方法。 说 明 书CN 104020663 A 1/1页 7 图1 说 明 书 附 图CN 104020663 A 。