基于继电反馈的二阶纯滞后对象辨识和PID参数自整定方法与流程

基于继电反馈的二阶纯滞后对象辨识和pid参数自整定方法
技术领域
1.本发明涉及自动化控制技术领域，具体为基于继电反馈的二阶纯滞后对象辨识和pid参数自整定方法。


背景技术：

2.在自动化控制领域，电加热温度控制系统应用非常广泛，尤其是在分析仪器、实验仪器设备的应用过程中，都要求温度控制精度高（
±
0.1℃），系统响应不能有超调，且响应时间越短越好。常见的继电反馈自整定pid方法是建立在对象是一阶纯滞后模型（）的基础上，系统稳定收敛为最终目的的参数整定方法，该方法存在以下缺陷：1）同一个对象在不同的温度设定点上所整定出来的pid参数相差较大，造成用户改变设定值时有可能需要适当修正pid参数，给使用带来不便；2）当实际的被控对象是一个近似二阶纯滞后模型（）时，特别是时间常数（）是对象纯滞后时间（）的几倍甚至更长时，基于一阶纯滞后模型的继电反馈自整定pid控制系统会产生很大的超调，这时，还需要有经验的工程师对自整定出来的pid参数进行二次修正，给实际使用带来了很大的不便，（其中代表对象的增益；代表对象的二阶惯性环节；代表第一时间常数；代表第二时间常数；代表对象近似的纯滞后时间），对此我们提出了基于继电反馈的二阶纯滞后对象辨识和pid参数自整定方法。


技术实现要素：

3.本发明的目的在于提供基于继电反馈的二阶纯滞后对象辨识和pid参数自整定方法，以解决上述背景技术中提出的同一个对象在不同的温度设定点上所整定出来的pid参数相差较大以及当实际的被控对象是一个近似二阶纯滞后模型会导致基于一阶纯滞后模型的继电反馈自整定pid控制系统会产生较大超调的问题。
4.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：基于继电反馈的二阶纯滞后对象辨识和pid参数自整定方法，包括如下步骤：步骤一、对象纯滞后时间的辨识：在温度响应曲线中，系统通电工作后，由于对象纯滞后时间的存在，在一段时间内温度响应曲线在环境温度上没有变化，当加热功率克服对象纯滞后，温度响应曲线开始上升，温度开始上升的点定义为对象的纯滞后时间，取温度上升至的点，认定为对象的纯滞后时间；
步骤二、对象增益的辨识：在温度响应曲线中，取作为时间内的平均温度值，利用以下公式计算出对象增益：；步骤三、对象第二时间常数的辨识：首先在温度响应曲线中，将作用明显的关断时间，在不同设定值sv下辨识结果应保持不变的原则下，取如下与相关的临时过渡计算时间：；其次，再次按照不同设定值sv下辨识结果基本不变的原则，将一阶纯滞后模型的纯滞后时间公式，用进行修正，可得到一个不同设定值sv下辨识结果不变的一阶纯滞后模型的纯滞后时间：；最后利用以下公式，解耦出对象的第二时间常数：；步骤四、对象第一时间常数的辨识：在温度响应曲线中，取：再用修正，可得到：；随后使用以下公式计算出对象第一时间常数：；步骤五、pid控制器的微分时间参数的整定：为克服系统超调，使用以下公式计算出pid控制器的微分时间参数：；步骤六、pid控制器的比例带参数的整定：考虑到微分时间已主要作用于对象第二时间常数克服系统超调，在这里，我们选用4:1衰减法pi控制的公式，计算出pid控制
器的比例带：；步骤七、pid控制器的积分时间参数的整定：考虑到微分时间已主要作用于对象第二时间常数克服系统超调，选用4:1衰减法pi控制的公式，计算出pid控制器的积分时间：。
5.优选的，所述使用公式，对象模型辨识省去对象增益和第一时间常数的辨识，通过步骤1对象纯滞后时间的辨识；步骤3对象第二时间常数的辨识；以及步骤4中的，整定出控制器的pid参数：；；。
6.与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明所采用的基于继电反馈的二阶纯滞后对象模型辨识方法和自整定pid参数演算方法，对同一对象不同设定值sv下的模型辨识结果，一致性相对较高，特别是针对分析仪器或实验室仪器设备无超调的pid控制要求，具有明显的效果。
附图说明
7.图1为本发明的对象辨识与控制系统框图；图2为本发明的继电反馈对象辨识与pid控制的响应过程曲线图；图3为本发明的对象辨识为一阶纯滞后模型和二阶纯滞后模型的控制效果比较图；图4为本发明的色谱仪柱箱辨识为一阶纯滞后模型和二阶纯滞后模型的控制效果比较图；图5为本发明的基于继电反馈的二阶纯滞后对象辨识和pid参数自整定方法的步骤流程图。
具体实施方式
8.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
9.请参阅图1-5，本发明提供的一种实施例：基于继电反馈的二阶纯滞后对象辨识和pid参数自整定方法，包括如下步骤：
步骤一、对象纯滞后时间的辨识：在图2温度响应曲线中，系统通电工作后，由于对象纯滞后时间的存在，在一段时间内温度响应曲线在环境温度上没有变化，当加热功率克服对象纯滞后，温度响应曲线开始上升，温度开始上升的点定义为对象的纯滞后时间，取温度上升至的点，认定为对象的纯滞后时间；步骤二、对象增益的辨识：在图2的温度响应曲线中，取作为时间内的平均温度值，利用以下公式计算出对象增益：；步骤三、对象第二时间常数的辨识：首先在图2的温度响应曲线中，将作用明显的关断时间，在不同设定值sv下辨识结果应保持不变的原则下，取如下与相关的临时过渡计算时间：；其次，再次按照不同设定值sv下辨识结果基本不变的原则，将一阶纯滞后模型的纯滞后时间公式，用进行修正，可得到一个不同设定值sv下辨识结果不变的一阶纯滞后模型的纯滞后时间：；最后利用以下公式，解耦出对象的第二时间常数：；步骤四、对象第一时间常数的辨识：在图2的温度响应曲线中，取：再用修正，可得到：；随后使用以下公式计算出对象第一时间常数：；步骤五、pid控制器的微分时间参数的整定：为克服系统超调，即升温过程中的温度过冲，使用以下公式计算出pid控制器的微分时间参数：
；步骤六、pid控制器的比例带参数的整定：考虑到微分时间已主要作用于对象第二时间常数克服系统超调，在这里，我们选用4:1衰减法pi控制的公式，计算出pid控制器的比例带：；步骤七、pid控制器的积分时间参数的整定：考虑到微分时间已主要作用于对象第二时间常数克服系统超调，选用4:1衰减法pi控制的公式，计算出pid控制器的积分时间：。
10.进一步，使用公式，对象模型辨识省去对象增益和第一时间常数的辨识，通过步骤1对象纯滞后时间的辨识；步骤3对象第二时间常数的辨识；以及步骤4中的，整定出控制器的pid参数，使pid参数整定过程更加简便，还省略了计算对象增益时，需要考虑图2中的环境温度的因素等所带来的计算麻烦。
11.按图1对对象实行继电反馈控制，一个半振荡波后计算出参数并进行控制，就可得到图2所示的响应过程曲线，并可获得以下参数：第二个振荡波的峰谷值：、，以及3个开关时间段：，用、得出与二阶纯滞后对象的、和相关的参数，用计算出二阶纯滞后对象的另外两个参数和，并通过计算出控制器的比例带，通过计算出积分时间，通过和计算出微分时间，具体计算步骤如下：令：令：令：令：由于在不同的设定值上进行-控制，所得到的大小有不同，因此对按以
下公式进行了修正，使同一对象在不同的设定值下实施继电反馈控制，得到的变化不大，方法如下：进一步地，令：进一步地，令：可得：可得：上式中：当，则，时，可获得了一个完整的一阶纯滞后对象模型：否则它就是一个近似的二阶纯滞后对象模型：进一步地，根据自整定pid参数的实际需要我们可以取：最后，根据经验演算出控制器的pid参数可以定为：最后，根据经验演算出控制器的pid参数可以定为：最后，根据经验演算出控制器的pid参数可以定为：。
12.经仿真测试，本发明所采用的基于继电反馈的二阶纯滞后对象模型辨识和自整定pid参数演算方法，对温度控制系统，特别是针对分析仪器或实验室仪器设备无超调的pid控制要求，具有明显的效果。
13.如图1所示，通电时，k与辨识连通，启动对象辨识工作，辨识结束后演算出新的pid参数，k切换到pid控制。
14.如图3所示，数学模型为的对象模型，辨识为一阶纯滞后模型和二阶纯滞后模型的控制效果比较。很明显，用二阶纯滞后对象模型近似的辨识结果和自整定pid参数，在不同的设定温度上，其参数一致性要优于一阶纯滞后对象模型近似的结果。再加上二阶模型的被辨识出来，并通过相匹配的控制器的微分时间的整定，有效克服了一阶纯滞后模型自整定pid控制系统超调，特别适合分析仪器
和实验仪器设备应用中温度控制的需求。
15.如图4所示，气相色谱仪柱箱辨识为一阶纯滞后模型和二阶纯滞后模型的控制效果比较。实际测试结果：一阶纯滞后对象模型近似的超调达1.5℃，超出了实验仪器超调不得大于0.2℃的要求，而二阶纯滞后对象模型近似的控制效果可以看出，响应过程没有超调，且在较短的时间内达到设定温度。
16.表1.模型的辨识结果和自整定pid参数：表2. 色谱仪柱箱模型的辨识结果和自整定pid参数：对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

技术特征：
1.基于继电反馈的二阶纯滞后对象辨识和pid参数自整定方法，其特征在于：包括如下步骤：步骤一、对象纯滞后时间的辨识：在温度响应曲线中，系统通电工作后，由于对象纯滞后时间的存在，在一段时间内温度响应曲线在环境温度上没有变化，当加热功率克服对象纯滞后，温度响应曲线开始上升，温度开始上升的点定义为对象的纯滞后时间，取温度上升至的点，认定为对象的纯滞后时间；步骤二、对象增益的辨识：在温度响应曲线中，取作为时间内的平均温度值，利用以下公式计算出对象增益：；步骤三、对象第二时间常数的辨识：首先在温度响应曲线中，将作用明显的关断时间，在不同设定值sv下辨识结果应保持不变的原则下，取如下与相关的临时过渡计算时间：；其次，再次按照不同设定值sv下辨识结果基本不变的原则，将一阶纯滞后模型的纯滞后时间公式，用进行修正，可得到一个不同设定值sv下辨识结果不变的一阶纯滞后模型的纯滞后时间：；最后利用以下公式，解耦出对象的第二时间常数：；步骤四、对象第一时间常数的辨识：在温度响应曲线中，取：再用修正，可得到：；随后使用以下公式计算出对象第一时间常数：；
步骤五、pid控制器的微分时间参数的整定：为克服系统超调，使用以下公式计算出pid控制器的微分时间参数：；步骤六、pid控制器的比例带参数的整定：考虑到微分时间已主要作用于对象第二时间常数克服系统超调，在这里，我们选用4:1衰减法pi控制的公式，计算出pid控制器的比例带：；步骤七、pid控制器的积分时间参数的整定：考虑到微分时间已主要作用于对象第二时间常数克服系统超调，选用4:1衰减法pi控制的公式，计算出pid控制器的积分时间：。2.根据权利要求1所述的基于继电反馈的二阶纯滞后对象辨识和pid参数自整定方法，其特征在于：所述使用公式，对象模型辨识省去对象增益和第一时间常数的辨识，通过步骤1对象纯滞后时间的辨识；步骤3对象第二时间常数的辨识；以及步骤4中的，整定出控制器的pid参数：；；。

技术总结
本发明公开了基于继电反馈的二阶纯滞后对象辨识和PID参数自整定方法，包括步骤一、对象纯滞后时间的辨识；步骤二、计算对象增益；步骤三、解耦对象的第二时间常数；步骤四、计算对象第一时间常数；步骤五、PID控制器的微分时间参数的整定；步骤六、PID控制器的比例带参数的整定；步骤七、PID控制器的积分时间参数的整定，采用基于继电反馈的二阶纯滞后对象辨识方法，通过增加控制器的微分时间（）来消除对象中时间常数（）所带来的系统超调，并尽可能的缩短控制系统的过渡过程。的缩短控制系统的过渡过程。的缩短控制系统的过渡过程。


技术研发人员：曾敬宽 王沁清 王健安 詹丽萍
受保护的技术使用者：上海科创色谱仪器有限公司
技术研发日：2023.05.11
技术公布日：2023/8/4