RU2568386C2 - Method for self-tuning of pid control system - Google Patents

Method for self-tuning of pid control system Download PDF

Info

Publication number
RU2568386C2
RU2568386C2 RU2014109498/08A RU2014109498A RU2568386C2 RU 2568386 C2 RU2568386 C2 RU 2568386C2 RU 2014109498/08 A RU2014109498/08 A RU 2014109498/08A RU 2014109498 A RU2014109498 A RU 2014109498A RU 2568386 C2 RU2568386 C2 RU 2568386C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
self
tuning
determined
control
determining
Prior art date
Application number
RU2014109498/08A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2014109498A (en
Inventor
Владимир Рафаилович Тучинский
Сергей Владимирович Тучинский
Original Assignee
Закрытое акционерное общество "Экоресурс"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Закрытое акционерное общество "Экоресурс" filed Critical Закрытое акционерное общество "Экоресурс"
Priority to RU2014109498/08A priority Critical patent/RU2568386C2/en
Publication of RU2014109498A publication Critical patent/RU2014109498A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2568386C2 publication Critical patent/RU2568386C2/en

Links

Images

Abstract

FIELD: radio engineering, communication.
SUBSTANCE: disclosed is a method for self-tuning of a PID control system, based on transmitting a pilot signal to a control object, determining parameters of a model of the control object based on measured data of a transient process and determining control settings based on parameters of the model, wherein the control object is approximated with a first-order aperiodic link with delay, and self-tuning is performed in two steps: at the first step, transmitting step action to the control object, and at the second step, including two-position control and then determining PID control settings, which are optimal on the integral criterion of the minimum of the modulus of the control error.
EFFECT: high efficiency of self-tuning and improved quality of controlling inertial objects.
6 dwg

Description

Область техники, к которой относится изобретениеFIELD OF THE INVENTION

Изобретение относится к области управления непрерывными технологическими процессами, в частности инерционными объектами, с помощью вычислительных технических средств и может быть использовано в химической, нефтехимической и других отраслях промышленности.The invention relates to the field of control of continuous technological processes, in particular inertial objects, using computing hardware and can be used in chemical, petrochemical and other industries.

Уровень техникиState of the art

Известен способ самонастройки системы управления объектом, основанный на подаче управляющего воздействия на объект в виде пробного непериодического сигнала, определении параметров модели объекта на основе его реакции, определении настраиваемых параметров на основе передаточных функций моделей объекта и эталонной системы по критерию перерегулирования при минимальной сложности системы (RU 2304298 С2, 05.10.2005, G05B 13/00).There is a method of self-tuning an object control system based on applying a control action to an object in the form of a non-periodic test signal, determining the parameters of the object model based on its reaction, determining custom parameters based on the transfer functions of the object models and the reference system according to the overshoot criterion with minimal system complexity (RU 2304298 C2, 10/05/2005, G05B 13/00).

Известный способ применительно к инерционным объектам не обеспечивает требуемую эффективность самонастройки и приемлемое качество регулирования, так как использует только непериодический пробный сигнал, предусматривает сложную в практической реализации схему настройки совпадением модели объекта и эталонной системы, а используемый критерий является неэффективным для инерционных объектов.The known method as applied to inertial objects does not provide the required efficiency of self-tuning and an acceptable quality of regulation, since it uses only a non-periodic test signal, it provides for a difficult-to-practical configuration scheme for matching the object model and the reference system, and the criterion used is ineffective for inertial objects.

Известен также способ автоматической настройки системы регулирования, основанный на использовании двухпозиционного регулирования с корректировкой значений амплитуды автоколебаний в разных циклах автонастройки, определении момента завершения переходного процесса по достижению равенства сумм ошибки на соседних интервалах и равенства длительностей этих интервалов, определении параметров настройки регулятора по измеренным амплитуде и частоте автоколебаний (RU 2002289 С1, 26.07.89, G05B 13/00).There is also a known method of automatically adjusting the control system based on the use of on-off regulation with adjusting the values of the amplitude of self-oscillations in different auto-tuning cycles, determining the moment of completion of the transition process to achieve equality of the sum of errors at adjacent intervals and equal durations of these intervals, determining the controller settings from the measured amplitude and self-oscillation frequency (RU 2002289 C1, 07.26.89, G05B 13/00).

Известный способ применительно к инерционным объектам не обеспечивает требуемую эффективность самонастройки и приемлемое качество регулирования, так как используемый в способе теоретический подход к реализации частотных методов анализа систем регулирования на практике бывает затруднительным.The known method as applied to inertial objects does not provide the required efficiency of self-tuning and an acceptable quality of regulation, since the theoretical approach used in the method to implement frequency methods for analyzing regulation systems in practice is difficult.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является способ оптимальной автоматической настройки системы управления, основанный на подаче на объект управления (ОУ) ступенчатого пробного сигнала с настраиваемой амплитудой и полярностью, определении характерных точек переходного процесса, определении с помощью вспомогательных функций по этим точкам параметров настроек регулятора с критерием максимальной степени устойчивости (RU 2243584 С2, 24.03.2003, G05B 13/00) (прототип).Closest to the technical nature of the present invention is a method of optimal automatic tuning of the control system, based on the filing on the control object (OS) of a step test signal with adjustable amplitude and polarity, determining the characteristic points of the transition process, determining using the auxiliary functions from these points settings controller with the criterion of maximum degree of stability (RU 2243584 C2, 03.24.2003, G05B 13/00) (prototype).

Недостатком известного способа является недостаточная эффективность самонастройки и низкое качество регулирования инерционных объектов из-за невысокой точности определения параметров используемых в способе характерных точек и сложности применяемых формул, а также неадекватности для инерционных объектов применяемой структуры модели.The disadvantage of this method is the lack of efficiency of self-tuning and low quality regulation of inertial objects due to the low accuracy of determining the parameters used in the method of characteristic points and the complexity of the formulas used, as well as inadequacy for the inertial objects of the applied structure of the model.

Раскрытие изобретенияDisclosure of invention

Цель изобретения - повышение эффективности самонастройки и улучшение качества регулирования инерционных объектов. The purpose of the invention is improving the efficiency of self-tuning and improving the quality of regulation of inertial objects.

Указанная цель достигается тем, что в отличие от известного технического решения, в предлагаемом способе объект управления (ОУ) аппроксимируют апериодическим звеном 1-го порядка с запаздываниемThis goal is achieved by the fact that, in contrast to the known technical solution, in the proposed method, the control object (OS) is approximated by an aperiodic link of the first order with delay

Figure 00000001
Figure 00000001

самонастройку осуществляют в два этапа:Self-tuning is carried out in two stages:

на первом этапе подают ступенчатое воздействие на ОУ, определяют окончание переходного процесса по уменьшению производной выходного сигнала ОУ ниже заданного значения и определяют коэффициент усиления А, на втором этапе включают двухпозиционное регулирование, выдерживают два полных цикла автоколебаний системы, по амплитуде последнего цикла автоколебаний определяют значение отношения L = τ T

Figure 00000002
, по длительности последнего цикла автоколебаний и величине L определяют постоянную времени Т, а настройки определяют по интегральному критерию минимума модуля ошибки регулирования.at the first stage, a stepwise effect on the opamp is applied, the end of the transition process is determined by decreasing the derivative of the op amp output signal below a predetermined value and the gain A is determined, at the second stage they include on-off regulation, maintain two full cycles of the system’s self-oscillations, the value of the ratio is determined by the amplitude of the last self-oscillation cycle L = τ T
Figure 00000002
, according to the duration of the last cycle of self-oscillations and the value of L, the time constant T is determined, and the settings are determined by the integral criterion of the minimum modulus of the control error.

Описание чертежейDescription of drawings

Реализация и особенности предлагаемого способа иллюстрируются фигурами.The implementation and features of the proposed method are illustrated by figures.

Фиг.1. Схема регулирования с обратной связью.Figure 1. Feedback control scheme.

Фиг.2. Кривые разгона объекта и модели.Figure 2. Acceleration curves of the object and model.

Фиг.3. Циклограмма самонастройки.Figure 3. Self-tuning cycle.

Фиг.4. Зависимости амплитуды автоколебанийFigure 4. Dependences of the amplitude of self-oscillations

Фиг.5. Зависимости длительности цикла автоколебаний.Figure 5. Dependences of the duration of a cycle of self-oscillations.

Фиг.6. Зависимости оптимальных настроек.6. Dependencies of optimal settings.

Осуществление изобретенияThe implementation of the invention

Схема регулирования с обратной связью, рассматриваемая в предлагаемом способе, представлена на фиг.1.The feedback control scheme considered in the proposed method is presented in figure 1.

Алгоритм ПИД-регулирования записывается в следующем виде:The PID control algorithm is written as follows:

U = K О ( K П Е + 1 T И E d t + T Д d E d t )

Figure 00000003
U = K ABOUT ( K P E + one T AND E d t + T D d E d t )
Figure 00000003

где Е=Хзад-Х - ошибка регулирования.where E = X ass -X - regulation error.

В предлагаемом способе в качестве аппроксимирующей модели ОУIn the proposed method as an approximating model of OS

используется апериодическое звено 1-го порядка с запаздыванием, имеющее следующую передаточную функцию:a first-order aperiodic link with delay is used, having the following transfer function:

Figure 00000004
Figure 00000004

где А - коэффициент усиления;where A is the gain;

Т - постоянная времени;T is the time constant;

τ - время «чистого» запаздывания.τ is the time of “pure” delay.

Такая аппроксимация позволяет описывать широкий круг инерционных объектов, когда запаздывание τ является не фактическим, а эквивалентным. Such an approximation allows us to describe a wide range of inertial objects when the delay τ is not actual, but equivalent.

На фиг.2 показан переходный процесс на скачкообразное воздействие по входу для сложного инерционного объекта (линия 1) и его аппроксимирующей модели (линия 2).Figure 2 shows the transient process on the stepwise input impact for a complex inertial object (line 1) and its approximating model (line 2).

Эквивалентное запаздывание, существенно затрудняющее работу системы регулирования такого объекта, обеспечивает эквивалентные характеристики замкнутой системы. В основу способа положены результаты проведенного исследования на основе цифрового моделирования и оптимизации, поскольку аналитические решения для систем с запаздыванием крайне затруднены. В предлагаемом способе самонастройки комплексно используется как ступенчатое пробное воздействие на объект, так и реализация режима автоколебаний.The equivalent delay, which significantly complicates the operation of the regulation system of such an object, provides equivalent characteristics of a closed system. The method is based on the results of a study based on digital modeling and optimization, since analytical solutions for systems with delay are extremely difficult. In the proposed method of self-tuning, complex use is made of both a stepwise test action on an object and the implementation of a self-oscillation mode.

На 1-м этапе самонастройки подается ступенчатое воздействие на управляющий канал U при разомкнутой системе регулирования (см. фиг.3).At the 1st stage of self-tuning, a stepwise action is applied to the control channel U with an open control system (see Fig. 3).

Момент окончания переходного процесса tпер определяется по выполнению условия (3) (достижение производной выходного сигнала ОУ заданного минимального значения Dmin):The transition end time t lane is determined by the fulfillment of condition (3) (achievement of the derivative of the OA output signal of the specified minimum value D min ):

Figure 00000005
Figure 00000005

На 1-м этапе самонастройки определяется только коэффициент усиления А:At the 1st stage of self-tuning, only the gain A is determined:

Figure 00000006
Figure 00000006

Далее осуществляется переход ко 2-му этапу самонастройки. В момент tпер включается замкнутая схема двухпозиционного регулирования по следующему алгоритму:Next, the transition to the 2nd stage of self-tuning. At time t lane, a closed two-position control circuit is switched on according to the following algorithm:

Figure 00000007
Figure 00000007

Система переходит в режим автоколебаний (фиг.3). Проведенные расчеты и моделирование показали, что установившийся режим автоколебаний в такой постановке достигается очень быстро, поэтому для определения параметров модели достаточно двух полных циклов автоколебаний.The system goes into self-oscillation mode (figure 3). The calculations and simulations showed that the steady state mode of self-oscillations in this formulation is achieved very quickly, therefore, two complete cycles of self-oscillations are sufficient to determine the model parameters.

Для объекта с передаточной функцией (2) основные характеристики определяются в зависимости от отношения L = τ T

Figure 00000002
. Амплитуда установившихся автоколебаний пропорциональна величине L (фиг.4).For an object with a transfer function (2), the main characteristics are determined depending on the ratio L = τ T
Figure 00000002
. The amplitude of steady-state self-oscillations is proportional to the value of L (Fig. 4).

С учетом этой зависимости определяется величина L по измеренной амплитуде bц последнего (второго) цикла автоколебаний (с усреднением амплитуд положительной и отрицательной полуволн для учета возможных нелинейностей ОУ):Given this dependence, the value of L is determined from the measured amplitude b c of the last (second) cycle of self-oscillations (with averaging of the amplitudes of the positive and negative half-waves to take into account possible non-linearities of the OS):

Figure 00000008
Figure 00000008

Длительность цикла автоколебаний пропорциональна величине L и также пропорциональна величине постоянной времени Т (фиг.5). С учетом этой зависимости определяют величину Т по измеренной длительности цикла t ц 2

Figure 00000009
и ранее определенному значению L. Эквивалентное запаздывание легко определяется как τ=LT.The duration of the self-oscillation cycle is proportional to the value of L and also proportional to the value of the time constant T (Fig. 5). Given this dependence, the value of T is determined from the measured cycle time t c 2
Figure 00000009
and the previously determined value of L. Equivalent delay is easily determined as τ = LT.

Таким образом, определены параметры аппроксимирующей эквивалентной модели ОУ: А, τ, Т. По этим параметрам можно определить настройки ПИД-регулирования, оптимальные по критерию минимума модуля ошибки цифрового регулирования:Thus, the parameters of the approximating equivalent OS model are determined: A, τ, T. Using these parameters, you can determine the PID control settings that are optimal by the criterion of the minimum module of the digital control error:

Figure 00000010
Figure 00000010

где h - дискретность регулирования;where h is the discreteness of regulation;

Figure 00000011
Figure 00000011

n, N - выбирают пропорционально m;n, N - are selected in proportion to m;

α>0.α> 0.

Зависимости, по которым определяются оптимальные настройки Кп, Ти, Тд регулятора (1) по критерию (7), показаны на фиг.6. Коэффициент усиления регулятора Kо определяется как K o = 1 A

Figure 00000012
.The dependencies by which the optimal settings K p , T and T d of the controller (1) are determined by the criterion (7) are shown in FIG. 6. The gain of the controller K about is defined as K o = one A
Figure 00000012
.

Критерий (6) обеспечивает достаточно высокое быстродействие при небольшом перерегулировании. Поверхность данного критерия в системе координат настроек пропорциональной, интегральной и дифференциальной составляющих ПИД-регулирования (Кп, Ти, Тд) достаточно пологая в области оптимума, что облегчает настройку регулятора. Кроме того, предлагаемый способ самонастройки достаточно прост в реализации.Criterion (6) provides a sufficiently high speed with a small overshoot. The surface of this criterion in the coordinate system of the proportional, integral, and differential components of the PID control (K p , T and T d ) is quite shallow in the optimum region, which facilitates the adjustment of the controller. In addition, the proposed method of self-tuning is quite simple to implement.

Для реализации способа может использоваться, например, регулирующий контроллер БАЗИС-21.2РР или другой из серии БАЗИС® производства ЗАО «Экоресурс». Внедрение предлагаемого способа в серийно выпускаемых контроллерах серии БАЗИС® намечено на 2014 год.To implement the method, for example, the BAZIS-21.2PP control controller or another from the BASIS ® series manufactured by Ecoresource CJSC can be used. Implementation of the proposed method in commercially available controllers of the BASIS ® series is scheduled for 2014.

Claims (1)

Способ самонастройки системы ПИД-регулирования, основанный на подаче пробного сигнала на объект управления (ОУ), определении параметров модели ОУ на основе измеренных данных переходного процесса и определении настроек регулирования по параметрам модели, отличающийся тем, что с целью повышения эффективности самонастройки и улучшения качества регулирования инерционных объектов, ОУ аппроксимируют апериодическим звеном 1-го порядка с запаздыванием
Figure 00000013

самонастройку осуществляют в два этапа:
на первом этапе подают ступенчатое воздействие на ОУ, определяют окончание переходного процесса по уменьшению производной выходного сигнала ОУ ниже заданного значения и определяют коэффициент усиления А, на втором этапе включают двухпозиционное регулирование, выдерживают два полных цикла автоколебаний системы, по амплитуде последнего цикла автоколебаний определяют значение отношения
Figure 00000014
по длительности последнего цикла автоколебаний и величине L определяют постоянную времени Т, время запаздывания определяют как τ=LT, затем используя А - коэффициент усиления, τ - время запаздывания и Т - постоянную времени определяют настройки ПИД-регулирования, оптимальные по интегральному критерию минимума модуля ошибки регулирования.
The method of self-tuning the PID control system based on the supply of a test signal to the control object (OS), determining the parameters of the OS model based on the measured transient data and determining the control settings from the model parameters, characterized in that in order to increase the efficiency of self-tuning and improve the quality of regulation inertial objects, op amps are approximated by an aperiodic link of the first order with delay
Figure 00000013

Self-tuning is carried out in two stages:
at the first stage, a stepwise effect on the opamp is applied, the end of the transition process is determined by decreasing the derivative of the op amp output signal below a predetermined value and the gain A is determined, at the second stage they include on-off regulation, maintain two full cycles of the system’s self-oscillations, the value of the ratio is determined by the amplitude of the last self-oscillation cycle
Figure 00000014
the duration of the last cycle of self-oscillations and the value of L determine the time constant T, the delay time is determined as τ = LT, then using A is the gain, τ is the delay time and T is the time constant determine the PID control settings that are optimal by the integral criterion of the minimum error modulus regulation.
RU2014109498/08A 2014-03-12 2014-03-12 Method for self-tuning of pid control system RU2568386C2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2014109498/08A RU2568386C2 (en) 2014-03-12 2014-03-12 Method for self-tuning of pid control system

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2014109498/08A RU2568386C2 (en) 2014-03-12 2014-03-12 Method for self-tuning of pid control system

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2014109498A RU2014109498A (en) 2015-09-20
RU2568386C2 true RU2568386C2 (en) 2015-11-20

Family

ID=54147510

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2014109498/08A RU2568386C2 (en) 2014-03-12 2014-03-12 Method for self-tuning of pid control system

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2568386C2 (en)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN107844458B (en) * 2017-11-16 2020-11-24 西安西热控制技术有限公司 Adaptive identification method for first-order inertia delay model in industrial process

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5229699A (en) * 1991-10-15 1993-07-20 Industrial Technology Research Institute Method and an apparatus for PID controller tuning
RU2002289C1 (en) * 1989-07-26 1993-10-30 Валентин Петрович Семенец Method of automatically adjusting control systems
RU2243584C2 (en) * 2003-03-24 2004-12-27 Шубладзе Александр Михайлович Method for optimal automatic adjustment of control system
RU2384872C2 (en) * 2006-11-30 2010-03-20 Общество с ограниченной ответственностью "Научно-экологическое предприятие ЭКОСИ" Method for automatic optimal control system pulsed setup

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2002289C1 (en) * 1989-07-26 1993-10-30 Валентин Петрович Семенец Method of automatically adjusting control systems
US5229699A (en) * 1991-10-15 1993-07-20 Industrial Technology Research Institute Method and an apparatus for PID controller tuning
RU2243584C2 (en) * 2003-03-24 2004-12-27 Шубладзе Александр Михайлович Method for optimal automatic adjustment of control system
RU2384872C2 (en) * 2006-11-30 2010-03-20 Общество с ограниченной ответственностью "Научно-экологическое предприятие ЭКОСИ" Method for automatic optimal control system pulsed setup

Also Published As

Publication number Publication date
RU2014109498A (en) 2015-09-20

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US20170261950A1 (en) Setting support device, setting support method, information processing program and recording medium
Zhmud et al. Calculation of regulators for the problems of mechatronics by means of the numerical optimization method
KR101478450B1 (en) Design method of variable pid gains for multivariable nonlinear systems
JP2005070940A (en) Pid parameter adjusting device
CN104391444B (en) A kind of based on the discrete system mononeuric PID setting method of improvement
CN106797356A (en) A kind of control method and device of digital pre-distortion correction coefficient
CN103439880A (en) PID parameter setting method based on MCP standard transfer function
CN106773652A (en) A kind of PID systems and its parameter automatic adjusting method
RU2568386C2 (en) Method for self-tuning of pid control system
JP5585381B2 (en) Auto tuning device and auto tuning method
CN105444352A (en) Method and device for controlling frequency of air conditioner
EP2715458A2 (en) The tuning methods of the pi and pid controllers parameters
Koszewnik et al. Fractional order controller to control pump in FESTO MPS® PA Compact Workstation
CN109507870A (en) The fractional order proportional integration or proportional plus derivative controller design method of structure adaptive
CN103439881A (en) PID parameter setting method adjustable in control process adjusting time
JP2008102743A (en) Automatic tuning device and automatic tuning method
di Capaci et al. Identification and estimation of valve stiction by the use of a smoothed model
EP2753991A1 (en) Arrangement and method for system identification of an industrial plant or process
CN104298854B (en) A kind of method of signal complexity measure
EP3246783A2 (en) Adaptive feed forward method for temperature control
JP2018077663A (en) Plant control adjustment device
US20070038312A1 (en) Parameter setting device, parameter setting method and program
JP7207473B1 (en) Information processing equipment
JPH0666041B2 (en) Two degree of freedom sampled value PID controller
JP7207474B1 (en) Information processing equipment

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20160313