一种取代PID调节的闭环收敛系统的制作方法

一种取代pid调节的闭环收敛系统
技术领域
1.本技术涉及工程控制技术领域，特别是涉及一种取代pid调节的闭环收敛系统。

背景技术：

2.工程控制领域内的闭环收敛系统中，被控对象理想的输出应该是可控收敛或者至少在容差范围内稳定不发散，因此闭环收敛系统的传递函数一般包含比例环节(简称p)、积分环节(简称i)和微分环节(简称d)，从而实现控制系统维持在稳定状态。这种闭环收敛系统就被简称为pid调节系统。
3.对于pid调节系统来说，快速、准确、合理的确定p、i、d参数至关重要，在传递函数已经确定的情况下，p、i、d三个参数的确定对pid调节系统的效果起决定性作用。但是，由于是p、i、d三个参数共同作用于一个传递函数，对传递函数的效果影响相互牵连，互相羁绊，调节整定这三个参数中的任何一个时都可能对另外两个的效果产生影响，所以实际上针对pid调节系统的优化应该是对p、i、d三个参数为坐标的空间内一个最适合的三维数值点的选择和确定，这一过程专业上称之为pid调节系统的参数整定。
4.传统的pid调节系统参数整定就是逐一的调整p、i、d三个参数，不断权衡和修正，逐渐到适合的三维数值点；理论上pid调节系统的参数整定可以通过直接理论计算来确定，但实践中误差太大。目前，pid调节系统的参数整定应用最多的还是工程整定法：如经验法、衰减曲线法、临界比例法、反应曲线法等：
5.经验法。又叫现场凑试法，即先确定一个pid调节系统的p、i、d参数值，通过改变给定值对控制系统施加一个扰动，现场观察判断控制曲线形状。若曲线不够理想，可改变p、i、d参数值，再画控制过程曲线，经反复凑试直到控制系统符合动态过程品质要求为止。
6.衰减曲线法。衰减曲线法是以4：1衰减(即输出信号的收敛程度为前周期与后周期震荡幅度比为4:1)作为整定要求的，先切除调节系统的积分和微分参数作用，用凑试法整定纯比例控制作用参数p使之符合4：1衰减比例的要求。再逐一加入i和d参数，同样以4：1衰减比例调试，直到加入全部参数合格为止。
7.临界比例法。先切除调节系统的积分和微分作用，仅加入比例控制环节，直到系统对输入的阶跃响应出现临界振荡，记下这时的比例放大系数和临界振荡周期。然后将该比例系数减小为原来的50～80％，再将积分时间置一个较大值，观测响应曲线。然后减小积分时间，加大积分作用，并相应调整比例系数，反复试凑至得到较满意的响应，确定比例和积分的参数。最后根据系统实际反馈情况加入微分环节。
8.反应曲线法。用阶跃响应曲线来整定控制器的参数，设想对被控对象(开环系统)施加一个阶跃信号，通过实验方法，测出其响应信号，根据这条阶跃响应曲线定出一些能反映控制对象动态特性的参数。在此基础上，通过实际反馈试验测定p、i、d参数。
9.上述所有的工程整定法其共同特点是通过实验手段，整定p、i、d参数，使pid调节系统可以有效地工作在由这三个参数确定的一个三维数值点上，实现有效地收敛闭环控制。
10.从数学原理上看，传统pid调节系统的整定相当于对三元柯西收敛方程的求解，对p、i、d任何一个参数的改变必然引起方程整体的收敛效果变化，实际整定过程中往往难以到最优解组，甚至使方程收敛特性恶化，这就是现有技术方案缺点的理论依据。
11.因此，现有技术方案的缺点可以简单概括为：
12.整定成功率低。由于p、i、d三个参数共同作用于一个传递函数，对传递函数的效果影响相互牵连，互相羁绊，调节整定这三个参数中的任何一个时都可能对另外两个的效果产生影响。所以实际整定过程中，往往难以到最优组合，实现成功整定的概率并不高。
13.整定的效率低。由于上述原因整定的成功概率不高，因此需要较长时间的整定工作才能到一个可容忍解，因此pid调节系统的参数整定往往耗时较长，工作效率很低。事实上，pid调节系统的参数整定一般都是整个闭环系统调试工作中耗时最长的部分。
14.整定的效果差别大。由于p、i、d三个参数共同作用于一个传递函数，当需要对传递函数进行调整时，往往无法确定该对哪个参数进行操作，不同参数的操作效果对传递函数整体的影响也不相同。这就造成在整定工作中，不同操作者或者同一操作者在不同操作方法情况下，对pid调节系统的整定效果差别可能很大。
15.整定承接性差、团队交流困难。同样基于第3点缺点带来的附加缺点是如果整定工作由不同人员承接进行，由于对p、i、d三个参数的选择不同、操作顺序不同，整定工作承接性往往很差；同时团队间合作和交流时也会由于参数选择和顺序问题无法得到结果契合点，无法进行有效讨论，造成团队交流困难。

技术实现要素：

16.针对上述现有技术方案的缺点，本发明的发明目的是提供一套更为优化的取代pid调节的闭环收敛系统。本发明中通过对pid调节系统原理精研和模型分析，独创性将闭环收敛系统的整定参数数量减少为一个，仅用一个参数整定的闭环收敛系统就可以实现以往pid调节系统的效果。
17.为此，本发明提供了以下技术方案：
18.本发明提供了一种取代pid调节的闭环收敛系统，包括：控制部分和被控部分，控制部分用于接受指令信号和被控部分的反馈信号，并对被控部分发出控制信号；被控部分用于接受控制信号，发出反馈信号，并在控制信号的作用下实现被控运动；所述控制部分包括包络线二阶微分环节，所述包络线二阶微分环节等效于pid控制环节。
19.进一步地，所述包络线二阶微分环节通过收敛曲线包络线斜率的微分控制闭环收敛系统的输出曲线收敛。
20.进一步地，所述包络线二阶微分环节通过收敛曲线包络线斜率的微分控制闭环收敛系统的输出曲线收敛，包括：
21.将收敛曲线包络线斜率的微分定义为参数w，当w增大时，收敛曲线收敛快速，静态容差带小；当w减小时，收敛曲线收敛减慢，静态容差带大。
22.进一步地，所述控制部分的参数整定包括：整定收敛曲线包络线斜率的微分。
23.进一步地，所述被控部分中的控制对象为内燃机车的内燃机转速。
24.实际证明，本发明是更为优化的取代pid调节的闭环收敛系统。其有益效果包括：
25.(1)、由于本发明中闭环收敛系统传递函数的收缩性质只由一个参数确定，所以相
对于pid调节系统三个相互关联参数整定方式，难度降低，从理论上保证整定工作成功率大幅提高。且相对于pid调节系统也大幅提高了整定工作的工作效率，缩短耗时。
26.(2)、由于本发明中闭环收敛系统的参数整定只涉及一个参数，因此无论是不同操作者还是同一操作者在不同场合情况下，对该闭环收敛系统的整定效果保持一致，保证了整定工作单线进行，工作承接性更好；团队交互点唯一也保证了团队合作和交流顺畅。
附图说明
27.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
28.图1现有技术中pid调节系统一般性原理示意图；
29.图2现有技术中pid调节系统一般性收敛曲线及整定原理示意图；
30.图3本发明实施例中收敛曲线的包络线特性示意图；
31.图4本发明实施例中包络线斜率微分对曲线收敛影响示意图；
32.图5为本发明实施例中传递函数表达示意图。
具体实施方式
33.为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，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的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都应当属于本发明保护的范围。
34.需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
35.在对内燃机车的内燃机转速进行控制时，通常采用的是基于pid调节的闭环收敛系统，通过调节p、i、d三个参数实现对内燃机转速的闭环控制，在参数整定时需要对三个相互影响的参数进行调节，参数调节难度大，难以实现对内燃机转速的精准控制。为此，本发明提出了一种取代pid调节的闭环收敛系统，在参数整定时仅对收敛包络线的斜率变化率这一个参数进行整定即可，参数调节简单快速，更容易实现对内燃机转速的精准控制。
36.本发明的发明构思是：基于对一般pid调节系统的收敛特性曲线进行分析和模型等效性研究，得出了利用收敛包络线的斜率变化率作为闭环收敛系统的控制参数，取代pid调节。
37.下面详述本发明技术方案的建立过程和原理解释：
38.一般的pid调节系统传递逻辑图如图1所示，其时域函数为：
[0039][0040]
其中，u(t)为输出，e(t)为输入，kp、ti、td分别为p、i、d三个调节参数。其传递收敛曲线和p、i、d三个参数在控制传递函数的收敛特性中的基本作用见图2。从图2中可以看出，现有的pid调节系统的参数整定原理可以简述为通过p参数控制响应时间、i参数控制稳态容差带宽、d参数控制动态响应，三个参数共同控制输出曲线收敛。
[0041]
图3所示的是本发明的基础原理：收敛曲线的包络线特性。将收敛曲线震荡峰-峰值覆盖连接的光滑连续曲线称为包络线，从图3中可以看出，当包络线的任意一点的切线斜率k绝对值大于0时，包络线处于收缩状态；当包络线任意一点的切线斜率k等于0时，包络线处于稳定平行状态。
[0042]
根据图3所揭示的收敛曲线包络线斜率变化与曲线收敛关系的原理，可以推论出收敛曲线包络线斜率的变化率，即收敛曲线包络线斜率的微分，可以决定收敛曲线的收敛趋势。
[0043]
在以上理论基础上，本发明设计的闭环收敛系统参数整定具体原理如图4所示，将收敛曲线包络线斜率的微分定义为参数w，当w增大时，收敛曲线收敛快速，静态容差带小；当w减小时，收敛曲线收敛减慢，静态容差带大。
[0044]
在图4中，红和蓝两种虚线表示的包络线其斜率的微分分别记为w1和w2，其中w1《w2；两种颜包络线下初始条件相同的同一个震荡信号分别产生了不同收敛趋势线，也用对应的红和蓝实线表示。
[0045]
本发明就是通过上述理论模型的分析和思维转换得到了最终的技术方案：用收敛曲线包络线斜率的变化率，即收敛曲线包络线斜率的微分，来控制闭环收敛系统的输出曲线收敛。
[0046]
在数学角度看，包络线的斜率即是包络线函数的一阶微分，对包络线斜率的微分即是对包络线函数的二阶微分，得到的闭环收敛系统的传递逻辑图如图5所示。
[0047]
经过对pid参数的等效变换、工程试验以及对最优试验曲线的matlab仿真模拟，得到如图5所述的闭环收敛系统的一种数学表达式为：
[0048][0049]
其中，u(t)为输出，e(t)为输入，w为调节参数，表示收敛曲线包络线的收缩系数。
[0050]
由于本发明实施例中闭环收敛系统传递函数的收缩性质只由一个参数确定，所以相对于pid调节系统三个相互关联参数整定方式，难度降低，从理论上保证整定工作成功率大幅提高。且相对于pid调节系统也大幅提高了整定工作的工作效率，缩短耗时。同时，由于本发明实施例中闭环收敛系统的参数整定只涉及一个参数，因此无论是不同操作者还是同一操作者在不同场合情况下，对该闭环收敛系统的整定效果保持一致，保证了整定工作单线进行，工作承接性更好；团队交互点唯一也保证了团队合作和交流顺畅。
[0051]
在本技术所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的技术内容，可通过其它的方式实现。其中，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如所述单元的划分，可以为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或
者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，单元或模块的间接耦合或通信连接，可以是电性或其它的形式。
[0052]
所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
[0053]
另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。
[0054]
所述集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可为个人计算机、服务器或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：u盘、只读存储器(rom，read-only memory)、随机存取存储器(ram，random access memory)、移动硬盘、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
[0055]
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

技术特征：

1.一种取代pid调节的闭环收敛系统，其特征在于，包括：控制部分和被控部分，控制部分用于接受指令信号和被控部分的反馈信号，并对被控部分发出控制信号；被控部分用于接受控制信号，发出反馈信号，并在控制信号的作用下实现被控运动；所述控制部分包括包络线二阶微分环节，所述包络线二阶微分环节等效于pid控制环节。2.根据权利要求1所述的一种取代pid调节的闭环收敛系统，其特征在于，所述包络线二阶微分环节通过收敛曲线包络线斜率的微分控制闭环收敛系统的输出曲线收敛。3.根据权利要求2所述的一种取代pid调节的闭环收敛系统，其特征在于，所述包络线二阶微分环节通过收敛曲线包络线斜率的微分控制闭环收敛系统的输出曲线收敛，包括：将收敛曲线包络线斜率的微分定义为参数w，当w增大时，收敛曲线收敛快速，静态容差带小；当w减小时，收敛曲线收敛减慢，静态容差带大。4.根据权利要求1所述的一种取代pid调节的闭环收敛系统，其特征在于，所述控制部分的参数整定包括：整定收敛曲线包络线斜率的微分。5.根据权利要求1所述的一种取代pid调节的闭环收敛系统，其特征在于，所述被控部分中的控制对象为内燃机车的内燃机转速。

技术总结

本发明公开了一种取代PID调节的闭环收敛系统，可以应用于内燃机车的内燃机转速控制，包括：控制部分和被控部分，控制部分用于接受指令信号和被控部分的反馈信号，并对被控部分发出控制信号；被控部分用于接受控制信号，发出反馈信号，并在控制信号的作用下实现被控运动；所述控制部分包括包络线二阶微分环节，所述包络线二阶微分环节等效于PID控制环节。本发明通过对PID调节系统原理精研和模型分析，独创性将闭环收敛系统的整定参数数量减少为一个，仅用一个参数整定的闭环收敛系统就可以实现以往PID调节系统的效果。实现以往PID调节系统的效果。实现以往PID调节系统的效果。