一种改进的PID 控制算法

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1、一种改进的PID控制算法AnimprovedPIDcontrolalgorithm李素敏王杰宋北光LiSuminWangJieSongBeiguang摘要：本文提出了一种带滤波器的积分分离PID控制算法，它既可以避免由于积分积累引起系统较大的超调，甚至引起系统较大的振荡也可以滤除系统中存在的高频噪声干扰，所以有它的优越性，仿真结果也证实了它的优势所在。关键词:PID算法滤波器积分分离中图分类号：TP273文献标识码：AAbstract:AnintegralpartitioningPIDcontrolalgorithmwithfilterispresentedinthi

2、sarticle.Itcanavoidbiggerovershootandstrongeroscillatingbecauseofaccumulationofintegralitem,anditcanfilterouthighfrequencyinterfereinthesystem.Sothiscontrolalgorithmhasitssuperiority,andthesimulationresultshowsitsadvantage.Keywords:PIDalgorithmfilterintegralpartition1引言[1]PID控制由于结构简单、工作

3、稳定、鲁棒性好等因素在当今的工业过程控制中仍占有主导地位。随着[2]PID控制器的日趋完善，出现了许多改进型的PID控制器，如积分分离型、不完全微分型、微分先行型、[3][4]带死区的PID控制、单神经元自适应PID控制、融合型智能PID控制器等。但随着技术的不断发展，会出现越来越多适用不同具体场合的PID控制方法。在普通PID控制中引入积分环节的目的，主要是为了消除静态误差，提高控制精度。但是在过程的启动、结束或大幅度增减时，短时间内系统输出有很大的偏差，会造成PID运算的积分积累，致使控制量超过执行机构可能允许的最大动作范围对应的极限控制量，引起系统较大的超调，甚

4、至引起系统较大的振荡，这在有些系统中是绝对不允许的，本文提出了一种带滤波器的积分分离PID控制方法，这里的滤波器用的是低通滤波器，主要是为了滤除进入系统中的高频噪声，可以提高系统的稳定性。2控制算法设计积分分离控制基本思路是：当被控量与设定值偏差较大时，取消积分作用，以免由于积分作用使系统稳定性降低，超调量增大；当被控量接近给定值时，引入积分控制，以便消除静差，提高控制精度。其具体实现步骤如下：（1）根据具体系统，人为设定阈值∆>0；（2）当e(k)>∆时，采用PD控制；（3）当e(k)<∆时，采用PID控制；积分分离控制算法可表示为ku(k)=kpe(k)+αki∑

5、e(j)Ts+kd(e(k)−e(k−1))/Tsj=0⎧1e(k)≤∆其中，Ts为采样时间，α为积分项的开关系数：α=⎨。⎩0e(k)>∆积分分离PID控制算法的程序框图如图1所示。开始采样输入r(k)输出y(k)计算误差e(k)=r(k)-y(k)YNe(k)<∆?PID控制算法PD控制算法计算控制量u(k)输出控制图1PID积分分离控制算法流程图在积分分离PID控制中加入低通滤波器后的结构图如图2所示。这里的低通滤波器可以滤除在被控对象的输出端存在的高频噪声干扰。dr积分分离y被控对象低通滤波器PID控制算法图2带滤波器的积分分离PID控制结构图其中，r是输入信

6、号；d是噪声干扰；y是系统输出。现在验证一下低通滤波器的滤波性能，设低通滤波器为1F(s)=0.04s+1图3低通滤波器Bode图图4原始信号及滤波后的信号采样时间为1ms，输入信号为带有高频随机噪声的低频（0.2Hz）正弦信号。滤波器的离散化采用Tustin变换，其Bode图如图3所示，采用低通滤波器滤除掉高频噪声，仿真结果图4表明，该滤波器对高频信号具有很好的滤波作用。3仿真研究为了说明带滤波器的积分分离PID控制算法的控制效果，我们取一个三阶系统进行仿真。设被控对象的传递函数为：523500G(s)=，32s+87.35s+10470s低通滤波器为：1F(s)=

7、0.04s+1用Matlab软件进行仿真，其中离散化处理时，采样时间为1ms，随机干扰噪声加在被控对象的输出端，∆=0.8，进行阶跃响应仿真，输入设定值为20。用积分分离PID控制算法分两种情况进行仿真：（1）加上随机干扰信号，未加滤波，仿真结果图5；（2）加上随机干扰信号，同时加上滤波时的仿真结果如图6。图5积分分离PID加干扰未加滤波的阶跃响应图6积分分离PID加干扰加滤波的阶跃响应图7普通PID加干扰加滤波的阶跃响应图8普通PID未加干扰未加滤波的阶跃响应图9积分分离PID未加干扰未加滤波的阶跃响应我们可以用普通PID控制算法对该系统进行下面两