一种智能化pid控制装置
技术领域
1.本发明涉及pid控制技术领域，尤其涉及一种智能化pid控制装置。
背景技术：2.在现代工业控制中，用偏差的比例、积分和微分进行控制的pid控制器应用非常广泛，这种pid闭环控制方法原理简单，鲁棒性高，稳定性好，工作可靠，调整方便，控制效果良好而成为工业控制的主要技术手段之一，随着计算机工业的发展，单片机性能的提高以及编程语言的应用领域的扩展，以单片机为控制单元、智能化可编程pid开始被应用，利用智能化算法可以实现pid参数自动整定，控制精度高，使用方便快捷、执行效率高。
3.对于传统pid控制装置，在把其投入运行之前，为达到最佳控制效果必须先整定好pid参数kp、ki、kd、ti、td，如果pid参数整定不好，很难达到理想的控制效果，现有的传统pid调节算法中参数kp、ki、kd、ti、td参数难以调整，系统输出响应慢、超调大，存在稳态误差等。因此，现有的传统pid调节算法及pid控制装置有待于进一步完善，为此我们提出一种智能化pid控制装置，来解决以上问题。
技术实现要素：4.本发明的目的是为了解决现有技术中存在的缺点，而提出的一种智能化pid控制装置。
5.为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
6.一种智能化pid控制方法，其步骤如下：
7.获取用户设置的初始控制参数以及控制单元工作参数；
8.对获取的工作参数进行实时传输；
9.参照实时传输的工作参数对工作参数进行相应实时调节，使工作参数与设置值一致；
10.将调控参数对象的设定目标值和实际值偏差e作为输入量；
11.根据预设程序和工作环节中的工作参数对比；
12.将输入量比例控制、积分控制以及微分控制，综合输出量。
13.优选地，参照实时传输的工作参数对工作参数进行相应实时调节，使工作参数与设置值一致，其方法如下：
14.首先采用在调试开始时设置比较保守的参数，给出一个阶跃给定信号；
15.根据被控量的输出波形可以获得系统性能的信息，根据pid参数与系统性能的关系，反复调节pid的参数；
16.如果阶跃响应的超调量太大，经过多次振荡才能稳定或者根本不稳定，减小比例系数、增大积分时间；
17.如果阶跃响应没有超调量，但是被控量上升过于缓慢，过渡过程时间太长，按相反的方向调整参数；
18.如果消除误差的速度较慢，减小积分时间，增强积分作用；
19.反复调节比例系数和积分时间，如果超调量仍然较大，加入微分控制，微分时间从0逐渐增大，反复调节控制器的比例、积分和微分部分的参数。
20.优选地，将输入量比例控制、积分控制以及微分控制，综合输出量，其方法如下：
21.成比例地反映控制系统的偏差信号，偏差产生，立即产生控制作用，减小偏差；
22.积分控制环节消除静差提高系统的无差度，积分环节不断对输入偏差进行积分，使控制器的输出及执行器的开度不断变化，积分控制作用将维持不变；
23.微分控制环节反映偏差信号的变化趋势，在偏差信号的值变得太大之前，在系统中引入一个有效的早期修正信号，加快系统的动作速度；
24.在偏差刚出现或变化的瞬间，根据偏差量作出及时反应，根据偏差量的变化趋势提前给出较大的控制作用零。
25.一种智能化pid控制系统，包括：
26.pid控制单元，由fpga芯片实现，用于实现pid执行控制以及获取用户设置的初始控制参数以及控制单元工作参数；
27.i/o接口单元，由fpga芯片的i/o引脚组成，包括adc接口和输出模块用于传输工作参数，所述i/o接口单元与所述pid控制单元连接，用于对获取的工作参数进行实时传输；
28.主控单元，由单片机mcu组成，用于根据预设程序和i/o接口单元的工作参数，参照实时传输的工作参数对工作参数进行相应实时调节，使工作参数与设置值一致；将调控参数对象的设定目标值和实际值偏差e作为输入量；根据预设程序和工作环节中的工作参数对比；将输入量比例控制、积分控制以及微分控制，综合输出量；所述主控单元分别与所述pid控制单元和所述i/o接口单元连接；
29.电源，用于为所述主控单元、pid控制单元及i/o接口单元供电；所述电源与所述主控单元、pid控制单元及i/o接口单元连接；
30.用户管理单元，用于供用户与所述控制单元程序及设置进行管理，所述用户管理单元与所述主控单元连接
31.优选地，所述pid控制单元包括：比例放大运算、积分运算、微分运算、被控量偏差输入、反馈量输入、前馈量输入、pid参数输入、pid输出；
32.所述被控量偏差输入、反馈量输入、前馈量输入、pid参数输入、pid输出分别与所述i/o接口单元和所述主控单元连接。
33.优选地，所述i/o接口单元包括：
34.adc模拟量输入接口、模块输出接口和rs232接口，所述adc接口用于被控模拟量偏差输入、反馈模拟量输入、前馈模拟量输入，所述模块输出接口用于控制模拟量输出，所述rs485用于用户管理交互及pid初始参数输入。
35.优选地，所述用户管理单元包括：用户接口、键盘、led工业串口触摸屏，用于数据采样模块为模块；专门用于脉宽调制的模块是模块；用于实现算法的模块是主模块控制器；产生定时釆样信号及将系统时钟分频的是为提供接受用户通过键盘输入内容及显示功能的是用户接口。
36.相比现有技术，本发明的有益效果为：
37.1、本发明中，通过提供的一种智能化pid控制装置以单片机为控制单元通过智能
化算法实现pid控制，利用此装置可以实现pid参数自动整定，比例微分pd、比例积分pi、比例积分微分pid控制方式自动组合，其控制精度高，使用方便快捷、执行效率高。
附图说明
38.图1为本发明提出的一种智能化pid控制装置的结构流程图；
39.图2为本发明提出的一种智能化pid控制装置的结构原理图；
40.图3为本发明提出的一种智能化pid控制装置中fpga芯片与单片机实现串行通信示意图；
41.图4为本发明提出的一种智能化pid控制装置的接口单元结构示意图。
具体实施方式
42.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。
43.参照图1-4，一种智能化pid控制方法，其步骤如下：
44.s1：获取用户设置的初始控制参数以及控制单元工作参数；
45.s2：对获取的工作参数进行实时传输；
46.s3：参照实时传输的工作参数对工作参数进行相应实时调节，使工作参数与设置值一致；其方法如下：
47.首先采用在调试开始时设置比较保守的参数，给出一个阶跃给定信号；
48.根据被控量的输出波形可以获得系统性能的信息，根据pid参数与系统性能的关系，反复调节pid的参数；
49.如果阶跃响应的超调量太大，经过多次振荡才能稳定或者根本不稳定，减小比例系数、增大积分时间；
50.如果阶跃响应没有超调量，但是被控量上升过于缓慢，过渡过程时间太长，按相反的方向调整参数；
51.如果消除误差的速度较慢，减小积分时间，增强积分作用；
52.反复调节比例系数和积分时间，如果超调量仍然较大，加入微分控制，微分时间从0逐渐增大，反复调节控制器的比例、积分和微分部分的参数；
53.s4：将调控参数对象的设定目标值和实际值偏差e作为输入量；
54.s5：根据预设程序和工作环节中的工作参数对比；
55.s6：将输入量比例控制、积分控制以及微分控制，综合输出量，其方法如下：
56.成比例地反映控制系统的偏差信号，偏差产生，立即产生控制作用，减小偏差；
57.积分控制环节消除静差提高系统的无差度，积分环节不断对输入偏差进行积分，使控制器的输出及执行器的开度不断变化，积分控制作用将维持不变；
58.微分控制环节反映偏差信号的变化趋势，在偏差信号的值变得太大之前，在系统中引入一个有效的早期修正信号，加快系统的动作速度；
59.在偏差刚出现或变化的瞬间，根据偏差量作出及时反应，根据偏差量的变化趋势提前给出较大的控制作用零；
60.pid参数包括：
61.比例系数kp,积分时间常数ti，微分时间常数td，微分系数kd等；其pid的增量型公式：
[0062][0063]
其中：
[0064]
其中：
[0065]
△
uk——第k个采样时刻的控制增量；
[0066]
uk——第k个采样时刻的控制量；
[0067]
uk-1——第k-1个采样时刻的控制量；
[0068]
kp——比例放大系数；
[0069]
ki——积分放大系数；
[0070]
kd——微分放大系数；
[0071]
td——微分时间常数；
[0072]
t——采样周期；
[0073]
ek——第k个采样时刻的控制量偏差；
[0074]
ek-1——第k-1个采样时刻的控制量偏差；
[0075]
ek-2——第k-2个采样时刻的控制量偏差；
[0076]
pid的位置型公式：
[0077][0078]
其中：
[0079]
u(n)——第k个采样时刻的控制；
[0080]
kp——比例放大系数；
[0081]
ki——积分放大系数；
[0082]
kd——微分放大系数；
[0083]
t——采样周期；
[0084]
ti——积分时间常数。
[0085]
td——微分时间常数。
[0086]
一种智能化pid控制系统，包括：
[0087]
pid控制单元，由fpga芯片实现，用于实现pid执行控制以及获取用户设置的初始控制参数以及控制单元工作参数；
[0088]
pid控制单元包括：比例放大运算、积分运算、微分运算、被控量偏差输入、反馈量输入、前馈量输入、pid参数输入、pid输出；
[0089]
被控量偏差输入、反馈量输入、前馈量输入、pid参数输入、pid输出分别与i/o接口单元和主控单元连接；
[0090]
i/o接口单元，由fpga芯片的i/o引脚组成，包括adc接口和输出模块用于传输工作参数，i/o接口单元与pid控制单元连接，用于对获取的工作参数进行实时传输；
[0091]
i/o接口单元包括：
[0092]
adc模拟量输入接口、模块输出接口和rs232接口，adc接口用于被控模拟量偏差输入、反馈模拟量输入、前馈模拟量输入，模块输出接口用于控制模拟量输出，rs485用于用户管理交互及pid初始参数输入；
[0093]
主控单元，由单片机mcu组成，用于根据预设程序和i/o接口单元的工作参数，参照实时传输的工作参数对工作参数进行相应实时调节，使工作参数与设置值一致；将调控参数对象的设定目标值和实际值偏差e作为输入量；
[0094]
首先采用在调试开始时设置比较保守的参数，给出一个阶跃给定信号；
[0095]
根据被控量的输出波形可以获得系统性能的信息，根据pid参数与系统性能的关系，反复调节pid的参数；
[0096]
如果阶跃响应的超调量太大，经过多次振荡才能稳定或者根本不稳定，减小比例系数、增大积分时间；
[0097]
如果阶跃响应没有超调量，但是被控量上升过于缓慢，过渡过程时间太长，按相反的方向调整参数；
[0098]
如果消除误差的速度较慢，减小积分时间，增强积分作用；
[0099]
反复调节比例系数和积分时间，如果超调量仍然较大，加入微分控制，微分时间从0逐渐增大，反复调节控制器的比例、积分和微分部分的参数；
[0100]
根据预设程序和工作环节中的工作参数对比；将输入量比例控制、积分控制以及微分控制，综合输出量；成比例地反映控制系统的偏差信号，偏差产生，立即产生控制作用，减小偏差；
[0101]
积分控制环节消除静差提高系统的无差度，积分环节不断对输入偏差进行积分，使控制器的输出及执行器的开度不断变化，积分控制作用将维持不变；
[0102]
微分控制环节反映偏差信号的变化趋势，在偏差信号的值变得太大之前，在系统中引入一个有效的早期修正信号，加快系统的动作速度；
[0103]
在偏差刚出现或变化的瞬间，根据偏差量作出及时反应，根据偏差量的变化趋势提前给出较大的控制作用零；
[0104]
pid参数包括：
[0105]
比例系数kp,积分时间常数ti，微分时间常数td，微分系数kd等；其pid的增量型公
式：
[0106][0107]
其中：
[0108]
主控单元分别与pid控制单元和i/o接口单元连接，主控单元为mcu，mcu型号为stm32f779；
[0109]
电源，用于为主控单元、pid控制单元及i/o接口单元供电；电源与主控单元、pid控制单元及i/o接口单元连接，电源为线性稳压电源；
[0110]
用户管理单元，用于供用户与控制单元程序及设置进行管理，用户管理单元与主控单元连接；
[0111]
用户管理单元包括：用户接口、键盘、led工业串口触摸屏，用于数据采样模块为模块；专门用于脉宽调制的模块是模块；用于实现算法的模块是主模块控制器；产生定时釆样信号及将系统时钟分频的是为提供接受用户通过键盘输入内容及显示功能的是用户接口。
[0112]
一种智能化pid控制装置，基于fpga设计的pid控制器，在其运行之初由外部微处理器提供pid参数的整定信息，保留了参数灵活整定的特点，一旦pid参数整定完成便处于独立运行状态，pid控制器执行参数指令时实现如权利要求1至3中任一项的一种智能化pid控制方法的步骤。
[0113]
本发明提供的一种智能化pid控制装置通过基于fpga设计的pid控制器，在其运行之初由外部单片机mcu提供pid参数的整定信息，保留了参数灵活整定的特点，一旦pid参数整定完成便处于独立运行状态，保留了模拟硬件pid设备中环路响应快等优点，以最大限度地克服了通过传统或者编程实现pid控制器的缺点。另一方面由于采用fpga技术，控制器具有比普通微处理器更宽的采样处理速度范围。为了利于一些改进算法的实施，采用位置式和增量式pid两种控制模式进行设计，并给出了调用mcu智能算法的解决方案。
[0114]
需要说明的是，在本文中，诸如“第一”和“第二”等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操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，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。以上所述仅是本技术的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本技术。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本技术
的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本技术将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所申请的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
[0115]
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
技术特征：1.一种智能化pid控制方法，其特征在于，其步骤如下：获取用户设置的初始控制参数以及控制单元工作参数；对获取的工作参数进行实时传输；参照实时传输的工作参数对工作参数进行相应实时调节，使工作参数与设置值一致；将调控参数对象的设定目标值和实际值偏差e作为输入量；根据预设程序和工作环节中的工作参数对比；将输入量比例控制、积分控制以及微分控制，综合输出量。2.根据权利要求1所述的一种智能化pid控制方法，其特征在于，参照实时传输的工作参数对工作参数进行相应实时调节，使工作参数与设置值一致，其方法如下：首先采用在调试开始时设置比较保守的参数，给出一个阶跃给定信号；根据被控量的输出波形可以获得系统性能的信息，根据pid参数与系统性能的关系，反复调节pid的参数；如果阶跃响应的超调量太大，经过多次振荡才能稳定或者根本不稳定，减小比例系数、增大积分时间；如果阶跃响应没有超调量，但是被控量上升过于缓慢，过渡过程时间太长，按相反的方向调整参数；如果消除误差的速度较慢，减小积分时间，增强积分作用；反复调节比例系数和积分时间，如果超调量仍然较大，加入微分控制，微分时间从0逐渐增大，反复调节控制器的比例、积分和微分部分的参数。3.根据权利要求1所述的一种智能化pid控制方法，其特征在于，将输入量比例控制、积分控制以及微分控制，综合输出量，其方法如下：成比例地反映控制系统的偏差信号，偏差产生，立即产生控制作用，减小偏差；积分控制环节消除静差提高系统的无差度，积分环节不断对输入偏差进行积分，使控制器的输出及执行器的开度不断变化，积分控制作用将维持不变；微分控制环节反映偏差信号的变化趋势，在偏差信号的值变得太大之前，在系统中引入一个有效的早期修正信号，加快系统的动作速度；在偏差刚出现或变化的瞬间，根据偏差量作出及时反应，根据偏差量的变化趋势提前给出较大的控制作用零。4.一种智能化pid控制系统，其特征在于，包括：pid控制单元，由fpga芯片实现，用于实现pid执行控制以及获取用户设置的初始控制参数以及控制单元工作参数；i/o接口单元，由fpga芯片的i/o引脚组成，包括adc接口和输出模块用于传输工作参数，所述i/o接口单元与所述pid控制单元连接，用于对获取的工作参数进行实时传输；主控单元，由单片机mcu组成，用于根据预设程序和i/o接口单元的工作参数，参照实时传输的工作参数对工作参数进行相应实时调节，使工作参数与设置值一致；将调控参数对象的设定目标值和实际值偏差e作为输入量；根据预设程序和工作环节中的工作参数对比；将输入量比例控制、积分控制以及微分控制，综合输出量；所述主控单元分别与所述pid控制单元和所述i/o接口单元连接；电源，用于为所述主控单元、pid控制单元及i/o接口单元供电；所述电源与所述主控单
元、pid控制单元及i/o接口单元连接；用户管理单元，用于供用户与所述控制单元程序及设置进行管理，所述用户管理单元与所述主控单元连接。5.根据权利要求4所述的一种智能化pid控制系统，其特征在于，所述pid控制单元包括：比例放大运算、积分运算、微分运算、被控量偏差输入、反馈量输入、前馈量输入、pid参数输入、pid输出；所述被控量偏差输入、反馈量输入、前馈量输入、pid参数输入、pid输出分别与所述i/o接口单元和所述主控单元连接。6.根据权利要求4所述的一种智能化pid控制系统，其特征在于，所述i/o接口单元包括：adc模拟量输入接口、模块输出接口和rs232接口，所述adc接口用于被控模拟量偏差输入、反馈模拟量输入、前馈模拟量输入，所述模块输出接口用于控制模拟量输出，所述rs485用于用户管理交互及pid初始参数输入。7.根据权利要求4所述的一种智能化pid控制系统，其特征在于，所述用户管理单元包括：用户接口、键盘、led工业串口触摸屏，用于数据采样模块为模块；专门用于脉宽调制的模块是模块；用于实现算法的模块是主模块控制器；产生定时釆样信号及将系统时钟分频的是为提供接受用户通过键盘输入内容及显示功能的是用户接口。8.一种智能化pid控制装置，其特征在于，基于fpga设计的pid控制器，在其运行之初由外部微处理器提供pid参数的整定信息，保留了参数灵活整定的特点，一旦pid参数整定完成便处于独立运行状态，所述pid控制器执行所述参数指令时实现如权利要求1至4中任一项所述的一种智能化pid控制方法的步骤。
技术总结本发明公开了一种智能化PID控制方法，其步骤如下：获取用户设置的初始控制参数以及控制单元工作参数；对获取的工作参数进行实时传输；参照实时传输的工作参数对工作参数进行相应实时调节，使工作参数与设置值一致；将调控参数对象的设定目标值和实际值偏差e作为输入量；根据预设程序和工作环节中的工作参数对比；将输入量比例控制、积分控制以及微分控制，综合输出量；本发明中，通过提供的一种智能化PID控制装置以单片机为控制单元通过智能化算法实现PID控制，利用此装置可以实现PID参数自动整定，比例微分PD、比例积分PI、比例积分微分PID控制方式自动组合，其控制精度高，使用方便快捷、执行效率高。执行效率高。执行效率高。
技术研发人员：李洪涛 周勇 贾国栋 马俊喜
受保护的技术使用者：华能曲阜热电有限公司
技术研发日：2022.02.15
技术公布日：2022/7/5
