一种自衰减系统增量式PID参数单相继电反馈自整定方法与流程

一种自衰减系统增量式pid参数单相继电反馈自整定方法
技术领域
1.本发明涉及驱动控制技术领域，特别涉及一种自衰减系统增量式pid参数单相继电反馈自整定方法。


背景技术：

2.移动承载平台中存在许多不同的电驱动控制系统，要将这些大量的电驱动系统控制参数均调节出来，需要技术人员拥有非常丰富的理论知识且对调参过程非常熟悉。这无疑是一件工作量巨大且几乎无法准确完成的任务。由于移动承载平台的工作环境的不同，如在不同摩擦系数的路面上行驶、在不同环境温度下制动、装载不同目标物等复杂工况下，同一个控制参数不可能适应如此复杂多变的工况。因此一种能够适应多种驱动控制系统的控制参数自适应整定方法的设计有着重要的意义。
3.单向控制的自衰减系统指在控制过程中只能输入正值控制量且当没有控制量输入时系统状态会自衰减的系统。传统的继电反馈法一般多用于能够正反向控制的普通系统，而对只能单向控制的自衰减系统，传统的继电反馈法几乎无法得到正确的解算结果。而移动承载平台与传统继电反馈法不同，移动承载平台中只能采用单向控制的自衰减电驱动控制系统，移动承载平台中的纵向控制中，油门加速与制动减速互相独立控制，均为只能单向控制的自衰减电驱动控制系统，其油门只能加，整定过程中减速靠行驶阻力自衰减，使系统产生震荡，制动整定时给定一个固定的速度行驶，减速靠制动控制，加速靠固定速度，使系统产生震荡。


技术实现要素：

4.本发明针对移动承载平台中只能单向控制的自衰减电驱动控制系统增量式pid控制参数自整定提出了一种提高控制参数的设计效率、提高控制的精确性与准确性的方案。
5.本发明提供一种自衰减系统增量式pid参数单相继电反馈自整定方法，所述自衰减系统增量式pid参数单相继电反馈自整定方法包括以下步骤：
6.步骤1，控制器转换为单相继电反馈控制器，并初始化系统参数；
7.步骤2，控制器依据反馈的测量值控制系统在预设区间内连续震荡，并通过对比测量值与震荡上下限值控制继电器通断使系统连续震荡；
8.步骤3，将系统采集的震荡波形转换为对称继电特性震荡；
9.步骤4，待采集器得到可用波形数据后控制器断开使系统停止，解算器根据波形数据计算出理想k
p
、ki、kd值。
10.更近一步地，在步骤1中，所述系统参数包括震荡上限值、震荡下限值、采样周期、控制量的最大值。
11.更近一步地，在步骤2中，所述使系统连续震荡还包括以下步骤：
12.步骤21，当系统的状态量小于预设区间最大值时，单相继电反馈控制器输入值x为预设上限与测量值的差值，根据单相继电器特性，控制器输出的控制量y为h，自衰减系统收
到正向激励，系统状态量上升；
13.步骤22，当系统状态量大于预设区间最大值时，单相继电反馈控制器输入值x为预设下限与测量值的差值，根据单相继电器特性，控制器输出的控制量y为0，自衰减系统根据自身自衰减速率衰减；
14.步骤23，当系统状态量低于预设区间最小值时，重复步骤21、22，采集器在系统产生稳定震荡后采集系统上升沿所需时间t1、下降沿所需时间t2、系统实际最大震荡值h
max
、系统实际最小震荡值h
min
。
15.更近一步地，在步骤3中，获取所述震荡波形上升沿数据作为解算，加入δh修正幅值以消除自衰减效应对控制量计算的影响，下降沿为消除自衰减效应后的模拟反向继电控制数据，转换后的震荡周期为2t1；修正幅值为：
[0016][0017]
t1为上升沿所需时间，t2为下降沿所需时间，h
max
为系统实际最大震荡值，h
min
为系统实际最小震荡值。
[0018]
更近一步地，在步骤4中，对输出信号进行傅里叶级数展开，进行谐波分析：
[0019][0020]
a0表示傅里叶系数中常值分量，an表示傅里叶系数中n倍频余弦分量幅值，bn表示傅里叶系数中n倍频正弦分量幅值，ω0表示基频，t表示时间，n表示傅里叶级数项序号，
[0021]
当定义正弦输入信号时，非线性环节的稳态输出中一次谐波分量和输入信号的复数比为非线性环节的描述函数，用n(x)表示：
[0022][0023]
x表示输入值，a1表示傅里叶级数一次余弦分量，b1表示傅里叶级数一次正弦分量。
[0024]
更近一步地，在步骤4中，标准继电反馈法自整定中的控制器继电特性为：
[0025][0026]
当继电器以固定频率转换时，可看为输入信号视为正弦信号：
[0027][0028]
其中，a为输出信号的幅值。
[0029]
更近一步地，在步骤4中，在频域中，当频率等于穿越频率时，系统处于临界状态，临界增益的理论值为：
[0030][0031]gp
表示系统传递函数，ωc表示临界震荡频率。
[0032]
当系统处于临界稳定时，由奈奎斯特稳定判据得：
[0033]gp
(jωc)n(x)＝-1
[0034]
故系统的临界增益与临界周期为：
[0035][0036][0037]
tu表示临界周期。
[0038]
根据得到的系统的临界增益与临界周期，由z-n法可得系统控制器的控制量为：
[0039]kp
＝0.6ku[0040][0041][0042]
t表示采样周期。
[0043]
本发明达到的有益效果是：
[0044]
本发明提供的自衰减系统增量式pid参数单相继电反馈自整定方法实现了对自衰减系统的pid参数自整定，解决了传统继电反馈pid自整定方法适用范围小的局限性，使复杂系统(如移动承载平台)中各个被控环节特别是仅能单向控制的自衰减系统均能自适应整定，大大提高了复杂系统配置调试的效率，提高了控制系统参数的设计效率及控制的精准性。
附图说明
[0045]
图1为本发明单相继电反馈自整定方法的整定过程流程图。
[0046]
图2为本发明单相继电反馈自整定方法的系统控制器切换示意图。
[0047]
图3为本发明单相继电反馈自整定方法的单相继电反馈控制示意图。
[0048]
图4为本发明单相继电反馈自整定方法的波形转化示意图。
[0049]
图5为本发明单相继电反馈自整定方法中自衰减系统单相继电反馈结果转换为标准继电反馈结果示意图。
具体实施方式
[0050]
下面结合附图对本发明的技术方案进行更详细的说明，本发明包括但不仅限于下述实施例。
[0051]
如附图1所示，本发明提供一种自衰减系统增量式pid参数单相继电反馈自整定方
法，包括以下步骤：
[0052]
步骤1，系统控制器转换为单相继电反馈控制器，并初始化系统参数定义；
[0053]
系统参数包括震荡上限值、震荡下限值、采样周期、控制量的最大值。
[0054]
由于移动承载平台工程实际中控制参数自整定需要在特定的场地范围内进行，考虑到场地的大小和整定过程的安全性，震荡的上下限不能超出移动承载平台划定的电子围栏范围，本方案可通过设定震荡上下限控制系统在安全范围内震荡。震荡范围选在电子围栏范围中心向外80％的安全区域，改进了传统的继电反馈法由于无法估计震荡幅度而引起的安全问题。
[0055]
步骤2，控制器依据传感器反馈的测量值控制系统在预设区间内连续震荡，并通过对比测量值与震荡上下限值控制继电器通断使系统连续震荡；
[0056]
对于移动承载平台中控制系统的控制输入量能够为正和负，且没有较大的自衰减趋势的标准系统，自适应整定过程直接采用步骤4中记载的步骤进行计算。
[0057]
如附图2-3所示，对于移动承载平台中对于仅能单向输入自衰减系统，自衰减控制系统为控制输入量只能为正值，且当系统控制量输入为0时系统状态自衰减，在移动承载平台上表现为油门系统；
[0058]
由于此时系统控制量输入只能为正，即为单相继电特性如下：
[0059][0060]
x表示继电器输入量，y表示继电器输出量，h表示系统控制量输入。
[0061]
如附图4所示，与标准继电过程特性不同，其描述函数也因此发生改变，无法使用标准过程的推导计算出系统的临界增益与临界周期。在此类系统中，继电器在x《0时输出为0，系统没有控制量输入并产生自衰减。因自衰减速度较为缓慢，系统在一个震荡周期中上升沿与下降沿时间不同，对系统进行谐波分析时系统无法化为单谐波系统。
[0062]
本发明提供的自整定方法中包括数据采集器和解算器；数据采集器会分析系统波形数据，记录有控制器输入时的波形数据，即系统上升部分的时间长度，并在震荡结束时对称补齐缺失的半个周期长度，得到近似的标准继电反馈特性波形曲线。
[0063]
解算器根据转化后的波形数据计算控制参数结果，得到最优位置式pid控制参数。
[0064]
连续震荡产生控制过程包括以下步骤：
[0065]
步骤21，当系统的状态量小于预设区间最大值时，单相继电反馈控制器输入值x为预设上限与测量值的差值，根据单相继电器特性，控制器输出的控制量y为h，自衰减系统收到正向激励，系统状态量上升；
[0066]
步骤22，当系统状态量大于预设区间最大值时，单相继电反馈控制器输入值x为预设下限与测量值的差值，根据单相继电器特性，控制器输出的控制量y为0，自衰减系统根据自身自衰减速率衰减；
[0067]
步骤23，当系统状态量低于预设区间最小值时，重复步骤21、22，采集器在系统产生稳定震荡后采集系统上升沿所需时间t1、下降沿所需时间t2、系统实际最大震荡值h
max
、系统实际最小震荡值h
min
。
[0068]
由于自衰减系统存在明显的自衰减效应，采集器采集的实际结果为非标准继电反馈控制结果，不利于解算器计算，故需要对数据进行处理，转换为标准继电反馈控制结果波
形数据。
[0069]
步骤3，将系统采集的震荡波形转换为对称继电特性震荡；
[0070]
如图5所示，系统采集的震荡波形为非对称继电器特性控制下的波形，不利于解算pid控制参数，因实际pid控制中控制量主要为上升沿作用，故本发明主要取上升沿数据作为解算，加入δh修正幅值以消除自衰减效应对控制量计算的影响，下降沿为消除自衰减效应后的模拟反向继电控制数据，转换后的震荡周期为2t1。其中：
[0071][0072]
将非对称继电特性震荡转换为对称继电特性震荡后进入pid控制参数计算环节。
[0073]
步骤4，待采集器得到可用波形数据后控制器断开使系统停止，解算器根据波形数据计算出理想k
p
、ki、kd值；其中，可用波形是系统在继电器控制下连续至少产生了两个完整周期的周期信号。
[0074]
自适应整定环节输入输出描述为：
[0075]
y＝f(x)
[0076]
对输出信号进行傅里叶级数展开，进行谐波分析：
[0077][0078]
a0表示傅里叶系数中常值分量，an表示傅里叶系数中n倍频余弦分量幅值，bn表示傅里叶系数中n倍频正弦分量幅值，ω0表示基频，t表示时间，n表示傅里叶级数项序号，
[0079]
其中，常值分量：
[0080][0081]
t0表示周期；
[0082]
余弦分量幅值：
[0083][0084]
正弦分量幅值：
[0085][0086]
第n次谐波分量为：
[0087]
[0088]
其中，
[0089]
若常值分量等于0且n》1时yn均很小，则可近似认为非线性环节的正弦相应仅有一次谐波分量：
[0090][0091]
其中，x表示输入值，a1表示傅里叶级数一次余弦分量，b1表示傅里叶级数一次正弦分量。
[0092]
由上述推导可知，当定义正弦输入信号时，非线性环节的稳态输出中一次谐波分量和输入信号的复数比为非线性环节的描述函数，用n(a)表示：
[0093][0094]
其中，x表示输入值。
[0095]
标准继电反馈法自整定中的控制器继电特性为：
[0096][0097]
当继电器以固定频率转换时，可看为输入信号视为正弦信号：
[0098][0099][0100][0101][0102]
代入描述函数可得：
[0103][0104]
其中，a为输出信号的幅值。
[0105]
在频域中，当频率等于穿越频率时，系统处于临界状态，因为在自适应整定过程中系统的阶跃响应曲线输出等幅振荡，且继电器的描述函数与实轴负实部重合，所以临界频率等于穿越频率，即被控对象的奈奎斯特曲线和描述函数负倒数交点处频率与穿越频率重合。故临界增益的理论值为：
[0106][0107]gp
表示系统传递函数，ωc表示临界震荡频率。
[0108]
当系统处于临界稳定时，由奈奎斯特稳定判据得：
[0109]gp
(jωc)n(a)＝-1
[0110]
故系统的临界增益与临界周期为：
[0111][0112][0113]
tu表示临界周期。
[0114]
根据得到的系统的临界增益与临界周期，由z-n法可得系统控制器的控制量为：
[0115]kp
＝0.6ku[0116][0117][0118]
t表示采样周期。
[0119]
最后，将整定结果k
p
、ki、kd输入位置式pid控制器中并用不同工况验证整定结果能否精确控制系统。
[0120]
本发明不仅局限于上述具体实施方式，本领域一般技术人员根据实施例和附图公开内容，可以采用其它多种具体实施方式实施本发明，因此，凡是采用本发明的设计结构和思路，做一些简单的变换或更改的设计，都落入本发明保护的范围。

技术特征：
1.一种自衰减系统增量式pid参数单相继电反馈自整定方法，其特征在于，所述自衰减系统增量式pid参数单相继电反馈自整定方法包括以下步骤：步骤1，控制器转换为单相继电反馈控制器，并初始化系统参数；步骤2，控制器依据反馈的测量值控制系统在预设区间内连续震荡，并通过对比测量值与震荡上下限值控制继电器通断使系统连续震荡；步骤3，将系统采集的震荡波形转换为对称继电特性震荡；步骤4，待采集器得到可用波形数据后控制器断开使系统停止，解算器根据波形数据计算出理想k
p
、k
i
、k
d
值。2.根据权利要求1所述自衰减系统增量式pid参数单相继电反馈自整定方法，其特征在于，在步骤1中，所述系统参数包括震荡上限值、震荡下限值、采样周期、控制量的最大值。3.根据权利要求1所述自衰减系统增量式pid参数单相继电反馈自整定方法，其特征在于，在步骤2中，所述使系统连续震荡还包括以下步骤：步骤21，当系统的状态量小于预设区间最大值时，单相继电反馈控制器输入值x为预设上限与测量值的差值，根据单相继电器特性，控制器输出的控制量y为h，自衰减系统收到正向激励，系统状态量上升；步骤22，当系统状态量大于预设区间最大值时，单相继电反馈控制器输入值x为预设下限与测量值的差值，根据单相继电器特性，控制器输出的控制量y为0，自衰减系统根据自身自衰减速率衰减；步骤23，当系统状态量低于预设区间最小值时，重复步骤21、22，采集器在系统产生稳定震荡后采集系统上升沿所需时间t1、下降沿所需时间t2、系统实际最大震荡值h
max
、系统实际最小震荡值h
min
。4.根据权利要求1所述自衰减系统增量式pid参数单相继电反馈自整定方法，其特征在于，在步骤3中，获取所述震荡波形上升沿数据作为解算，加入δh修正幅值以消除自衰减效应对控制量计算的影响，下降沿为消除自衰减效应后的模拟反向继电控制数据，转换后的震荡周期为2t1；修正幅值为：t1为上升沿所需时间，t2为下降沿所需时间，h
max
为系统实际最大震荡值，h
min
为系统实际最小震荡值。5.根据权利要求1所述自衰减系统增量式pid参数单相继电反馈自整定方法，其特征在于，在步骤4中，对输出信号进行傅里叶级数展开，进行谐波分析：a0表示傅里叶系数中常值分量，a
n
表示傅里叶系数中n倍频余弦分量幅值，b
n
表示傅里叶系数中n倍频正弦分量幅值，ω0表示基频，t表示时间，n表示傅里叶级数项序号，
当定义正弦输入信号时，非线性环节的稳态输出中一次谐波分量和输入信号的复数比为非线性环节的描述函数，用n(x)表示：x表示输入值，a1表示傅里叶级数一次余弦分量，b1表示傅里叶级数一次正弦分量。6.根据权利要求5所述自衰减系统增量式pid参数单相继电反馈自整定方法，其特征在于，在步骤4中，标准继电反馈法自整定中的控制器继电特性为：当继电器以固定频率转换时，可看为输入信号视为正弦信号：其中，a为输出信号的幅值。7.根据权利要求6所述自衰减系统增量式pid参数单相继电反馈自整定方法，其特征在于，在步骤4中，在频域中，当频率等于穿越频率时，系统处于临界状态，临界增益的理论值为：g
p
表示系统传递函数，ωc表示临界震荡频率；当系统处于临界稳定时，由奈奎斯特稳定判据得：g
p
(jω
c
)n(x)＝-1故系统的临界增益与临界周期为：故系统的临界增益与临界周期为：t
u
表示临界周期；根据得到的系统的临界增益与临界周期，由z-n法可得系统控制器的控制量为：k
p
＝0.6k
uu
t表示采样周期。

技术总结
本发明提出了一种自衰减系统增量式PID参数单相继电反馈自整定方法，与传统的继电反馈自整定方法不同，本发明针对移动承载平台中只能单向控制的自衰减电驱动控制系统的增量式PID控制参数自整定提出了一种新的解决方案，大大提高了控制参数的设计效率及控制的精确性与准确性。包括以下内容：系统进入单相继电反馈自整定方法，控制器切换至单相继电反馈控制器；单相继电反馈控制器根据测量值控制系统在预设区间内连续震荡；寄存器待系统产生可用波形后记录波形数据；解算器根据寄存器波形结果计算出最优控制量；最后将计算出的最优控制量输入增量式PID控制器中验证结果是否满足要求。求。求。


技术研发人员：丁飞 刘杰 欧涛 章慧靖 姜潮 雷飞
受保护的技术使用者：湖南仕博测试技术有限公司
技术研发日：2023.06.27
技术公布日：2023/8/5