决定PID控制器积分初始值的方法 |
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申请号 | CN200510103195.3 | 申请日 | 2005-09-20 | 公开(公告)号 | CN1936736A | 公开(公告)日 | 2007-03-28 |
申请人 | 台达电子工业股份有限公司; | 发明人 | 林敬义; | ||||
摘要 | 公开了一种决定PID 控制器 积分初始值的方法,该方法利用自动调谐过程中,在预设的 温度 误差设定值间产生控制输出开-关(ON-OFF)切换,并利用所获得的温度误差曲线振幅与温度设定值、最低温度值等参数一起通过积分演算出预估控制初始值,在温度快达到设定值时直接添入稳定积分值,以节省温度反应时间。这样,在PID控制器应用于 温度控制 时,无需从零开始慢慢积分,从而缩短稳定时间以节省温度反应时间,且没有过冲现象。 | ||||||
权利要求 | 1、一种决定PID控制器积分初始值的方法,包括: |
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说明书全文 | 技术领域本发明涉及一种决定PID控制器积分初始值的方法,尤其涉及这样 一种决定PID控制器积分初始值的方法,即,在PID控制器在积分(I) 控制温度快到达设定值时,将预估积分初始值添入,以快速达到稳定无 误差的控制。 在现代工业应用控制中,温度控制的应用相当广泛。在例如纺织、 染料、汽车烤漆的传统工业、例如食物冷藏保鲜、蛋糕制作的食品业以 及如光盘片制作、PCB制作的电子业等等中,都需要稳定的温度来保证 品质,因此温度控制时非常重要的。 系统的温度控制优选为能快速到达设定温度,且没有过冲 (Overshoot)现象。但,在通常控制温度快速到达设定温度时,都会产 生过冲现象(即,温度超过设定温度),且温度上升越快,过冲现象越严 重。但如果不要有过冲现象,则温度反应时间就变慢,因此两者很难兼 顾。 在现有技术中,目前大多都使用PID(比例-积分-微分)控制器来进 行温度控制。PID是指比例、微分和积分的控制,其中,比例控制是控制 输出与误差量成比例,偏差越大控制器的操作量输出越大;积分控制是 用于消除稳态误差,也就是误差越大控制器的控制输出越大;微分控制 是控制器的输出依误差的变化量而确定,并可使瞬间变化的误差快速回 到稳定状况。但,公知的PID控制器在进行温度控制时,很难达到快速 到达设定温度且没有过冲现象的要求。 图1到图4所示为现有技术的PID控制器的控制原理方块图及曲线 图。其中,Kp(比例常数)、Ti(积分时间)、Td(微分时间)为调整的P、 I、D参数,误差值=设定温度值-实际温度值。利用前述参数并根据公式 (1)可计算PID控制器的控制输出量: 控制输出量=[(1+1/TiS+TdS)×Kp]×误差值 公式(1) 上述P参数又称为比例参数或比例控制,它是输出量与温度误差量 (设定值-实际值)之间的比例关系,当误差量越大输出量就越大,误差 量越小输出量越小。如图2所示,根据公式(2)计算其输出量: y=100/PB×X+50 公式(2) 其中,Kp=100/PB,PB为比例带,Kp为比例常数,50%为无误差 下的控制输出。 当误差量为0时,输出量为50%,此时温度设定值等于实际温度值, 若温度稳定在这个温度时,该系统没有稳态误差。但事实上误差为0时, 输出量不一定为50%,也可能是在0%~100%之间的任一值,而且同一 系统的实时输出量也不一定是固定值,它会随着外在环境温度的改变而 具有不同的值。因此,只有比例控制是无法达到稳态误差的。 D参数是指可调(Kp比例常数)参数之一。当Kp越大,温度反应 越快,也越容易超过设定温度。Kp越小,温度反应越慢,当然超出设定 温度的可能性就小。 I参数又称为积分参数或积分控制,用来消除控制误差量。当温度有 误差量时,积分控制会由公式(3) y=Ki×∫X dt+y0 Ki=Kp×1/Ti;X为误差量 公式(3) 将每一秒的误差量加起来再乘以固定值换算成操作量输出y,以消除 温度误差。图3所示,当误差量越大,由于DIP中积分器的关系而使得 操作量也就越大,当误差量等于0时,上述积分器就不再积分,也就是 达到与设定温度值稳定无误差状态。 此外,现有技术的PID控制器应用于温度的I控制时,其积分是从0 开始慢慢积分到达到设定的温度值,因此,根据上述PID控制器原理与I 参数(积分控制),要达到稳定无误差必须花费相当长的时间,尤其是在 积分时间Ti很大时,如图4所示的其温度与积分时间(Ti)的曲线图所 示,同时,在积分控制过程中,中间还会产生温度往下掉的状态。 发明内容本发明的主要目的,在于解决在上述现有技术中存在的缺失,并提 供了一种决定PID控制器积分初始值的方法。本发明利用自动调谐过程 中,在预设的温度误差设定值间产生控制输出开-关(ON-OFF)切换,并 利用所获得的温度误差曲线振幅与温度设定值、最低温度值等参数一起 通过积分演算出预估控制初始值,在温度快达到设定值时直接添入稳定 积分值,以节省温度反应时间。这样,在PID控制器应用于温度控制时, 无需从零开始慢慢积分,从而缩短稳定时间以提高温度反应时间,且没 有过冲现象。 为达上述之目的,本发明的决定PID控制器积分初始值的方法,可 包括: 设定步骤,预先设定温度设定值及其温度误差设定值; 参数产生步骤,启动自动调谐,在所述温度误差设定值间产生控制 输出的开-关切换,以获得调谐曲线的振幅; 运算步骤,利用所述振幅及温差等参数进行积分演算,计算出预估 的积分初始值; 将所述预估积分初始值预先添入所述PID控制器以进行积分控制, 从而节省温度达到设定值的反应时间以快速达到稳定状态,并不会发生 误差及过冲现象。 附图说明 图1是现有技术的PID控制器的原理方块示意图; 图2是现有技术的PID控制器的P参数控制的曲线图; 图3是现有技术的PID控制器的I参数控制的曲线图; 图4是现有技术的PID控制器的温度与积分时间(Ti)曲线的示意 图; 图5是本发明的实施例的步骤流程示意图; 图6是本发明的应用实施例的自动调谐波形示意图; 图7是本发明方法的温度与积分时间(Ti)曲线的示意图。 主要组件符号说明:步骤流程100~104 具体实施方式下面参照附图对与本发明有关的技术内容进行详细说明。 图5所示为本发明的PID控制器积分初始值决定方法的流程步骤示 意图。如图所示,本发明的之PID控制器积分初始值决定方法包括: 设定步骤100,预设温度设定值E及其温度误差设定值,该温度误差 设定值包括以所述温度设定值为基准的正、负误差设定值F、G; 参数产生步骤102,启动自动调谐(AT ON)以进行自动调谐时,在 温度误差设定值的正、负误差设定值F、G之间产生控制输出的开-关 (ON-OFF)切换,以获得曲线振幅A,其中,曲线振幅A是最高与最低 温度之间的差值; 运算步骤104,利用上述振幅A及温度设定值E与最低温度值H间 的温差B,根据公式(4)计算预估的积分初始值; 控制初始值I=(B-G)/(A-G)(%) 公式(4) 在PID控制器的积分(I)控制过程中,在温度快达到设定值时将上 述预估积分初始值直接添入以稳定积分值,从而节省温度达到设定值的 反应时间,快速温度反应以达到稳定无误差及无过冲的现象。 图6、7所示分别为本发明的PID控制器积分初始值决定方法应用于 温度控制的一个实施例的自动调谐波形,及其温度与积分时间(Ti)曲线 的示意图。如图所示,在该本实施例的方法中,首先执行设定步骤设定 上述温度设定值E及其温度误差设定值。其中,所述温度误差设定值的 正误差设定值F设定为+0.5℃,负误差设定值G设定为-0.2℃。接着执行 参数产生步骤,以在启动自动调谐以进行自动调谐时,温度在正误差设 定值F设定之+0.5℃以下,控制输出为“ON”状态以使温度上升,直到 在超过正误差设定值F设定值以上时,会把控制输出切换为“OFF”,此 时,温度会上升一段时间后才会下降,当温度降到负误差设定值G设定 的-0.2℃以下时,控制输出再度转为“ON”状态,这样当温度超过设定 温度时,控制输出切换为“OFF”,如此,可求得振幅A与温差B(温度 设定值E与最低温度值H之差),再根据上述公式(4)计算,可得到预 估的积分初始值: 控制初始值I=(B-0.2)/(A-0.2)(%) 根据上述由本发明的方法所获得的预估积分初始值,只要在PID控 制器中预先添入该预估积分初始值,PID控制器于积分(I)控制过程中, 就不需从0开始慢慢积分,从而节省了温度达到设定值且无误差稳定的 反应时间,并且不会发生中间温度往下掉的情况,也不会发生过冲现象, 如图7所示。 上述仅为本发明的优选实施例而已,并非用来限定本发明的实施范 围。即,凡根据本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰,皆为本发 明专利范围涵盖。 |