本發(fā)明涉及PID控制技術領域，具體涉及一種應用被控量的變化趨勢的PID控制方法。

背景技術：

在實際的控制系統(tǒng)中，用常規(guī)的PID控制技術對被控量進行調節(jié)時，經(jīng)常發(fā)生超調、波動大、滯后等問題，被控量不能及時、準確跟蹤設定值，控制效果難以達到用戶的需求。

傳統(tǒng)的PID控制方法的調節(jié)過程如圖1所示，在A→B段、E→F段、I→J段，被控量的實際值小于設定值，控制器輸出的控制量增大。如果執(zhí)行機構采用調節(jié)閥，則控制器輸出的控制量增大對應調節(jié)閥的開度增大。例如在用水過程中水池的水位下降，低于設定值10米時，進水調節(jié)閥增加開度，加大進水水量。在B→C段、D→E段、F→G段、H→I段、J→K段，實際值在死區(qū)內(nèi)變化，控制器輸出的控制量保持不變。如果執(zhí)行機構采用調節(jié)閥，則控制器輸出的控制量保持不變對應調節(jié)閥的開度保持不變。例如水池的水位在設定值附近(9.5米～10.5米)波動時，進水調節(jié)閥開度保持不變。在C→D段、G→H段，被控量的實際值大于設定值，控制器輸出的控制量減小。如果執(zhí)行機構采用調節(jié)閥，則控制器輸出的控制量減小對應調節(jié)閥的開度減小。如在用水過程中，用水量減小，水池的水位上升，大于設定值10米時，進水調節(jié)閥減小開度，減少進水水量。這種調節(jié)過程的缺陷是：被控量在上升過程或下降過程中，進入死區(qū)后，控制器輸出的控制量才保持不變，由于執(zhí)行機構的執(zhí)行和實際值的檢測有一定的滯后時間，如果把死區(qū)范圍選得較小，這會造成被控量超調和振蕩；如果把死區(qū)范圍加大，可以減小超調幅度，但是降低了控制精度；如果把執(zhí)行機構的調節(jié)速度減慢，也可以減小超調幅度，但是降低了響應時間，跟蹤不及時。

該發(fā)明對被控量的變化趨勢進行預判，控制器對輸出的控制量進行提前處理，能夠解決PID控制的超調、振蕩大、滯后等問題。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有技術的不足，提供一種應用被控量的變化趨勢的PID控制方法，其能解決PID控制的超調、振蕩大、滯后等問題，使被控量能夠及時、準確跟蹤設定值。

本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的：一種應用被控量的變化趨勢的PID控制方法，包括如下步驟：

S1)設置死區(qū)參數(shù)和被控量的設定值；

S2)通過數(shù)據(jù)采集獲取被控量的實際值，計算被控量實際值的變化率，根據(jù)該變化率計算出用于趨勢判斷的正、負偏差值；

S3)判斷被控量的實際值所處的區(qū)間范圍；

當被控量的實際值在大于正偏差值或小于負偏差值的區(qū)間時，判斷被控量的實際值是大于設定值還是小于設定值，當被控量的實際值小于設定值時，控制器輸出的控制量增大，當被控量的實際值大于設定值時，控制器輸出的控制量減小。在這種情況下，由于被控量的實際值，離設定值比較遠，因此，既可以提高執(zhí)行機構的調節(jié)速度，提高被控量的跟蹤速度，又可以有效地避免超調的發(fā)生。

當被控量的實際值處于死區(qū)下限值與負偏差值之間時，判斷被控量實際值的變化趨勢，確認被控量實際值是在上升過程還是在下降過程，當被控量實際值處于下降過程時，控制器輸出的控制量增大，使被控量實際值從下降過程轉為上升過程，在這種情況下，由于被控量是在下降過程中，提高執(zhí)行機構如調節(jié)閥的調節(jié)速度，被控量從下降過程快速地轉為上升過程，及時跟蹤設定值。當被控量實際值處于上升過程時，控制器輸出的控制量保持不變；由于執(zhí)行結構如調節(jié)閥的執(zhí)行和實際值的檢測有一定的滯后時間，被控量會繼續(xù)增大。在這種情況下，由于提前固定了控制量，即提前固定了調節(jié)閥的閥位或開度，可以有效地減少正超調的發(fā)生。

當被控量的實際值處于死區(qū)上限值與死區(qū)下限值之間(死區(qū)范圍內(nèi))時，控制器輸出的控制量保持不變；

當被控量的實際值處于死區(qū)上限值與正偏差值之間時，判斷被控量實際值的變化趨勢，確認被控量的實際值是在上升過程還是在下降過程，當被控量實際值處于上升過程時，控制器輸出的控制量減小，使被控量實際值從上升過程轉為下降過程，在這種情況下，由于被控量是在上升過程中，提高執(zhí)行機構如調節(jié)閥的調節(jié)速度，被控量從上升過程快速地轉為下降過程，及時跟蹤設定值。當被控量實際值處于下降過程時，控制器輸出的控制量保持不變，由于執(zhí)行機構如調節(jié)閥的執(zhí)行和實際值的檢測有一定的滯后時間，被控量會繼續(xù)減小。在這種情況下，由于提前固定了控制量，即提前固定了調節(jié)閥的閥位或開度，可以有效地減少負超調的發(fā)生。

S4)每隔一定的時間T重復步驟S2)、S3)，直至控制結束。

通過傳感器獲取被控量的實際值，反饋給PID控制器。控制量是PID控制器輸出的，用于控制執(zhí)行機構。如果執(zhí)行機構采用調節(jié)閥，則控制器輸出的控制量增大對應調節(jié)閥的開度增大，控制器輸出的控制量保持不變對應調節(jié)閥的開度保持不變，控制器輸出的控制量減小對應調節(jié)閥的開度減小。

從控制開始每隔一定的時間T獲取一次被控量的實際值，根據(jù)前后兩次的差值計算被控量實際值的變化率，根據(jù)該變化率計算出用于趨勢判斷的正、負偏差值，然后進行步驟S3)，直至控制結束。T根據(jù)實際情況可以人為設定、調整，可以為1秒、5秒或其它時間間隔。

步驟S2)中當被控量實際值的變化率的數(shù)值較大時，選擇的正、負偏差的偏差數(shù)值也較大；當被控量實際值的變化率的數(shù)值較小時，選擇的正、負偏差的偏差數(shù)值也較小。根據(jù)不同的變化率計算出合理的用于趨勢判斷的正、負偏差值。正偏差值＝設定值+偏差值；負偏差值＝設定值-偏差值，設最小變化率為a，最大變化率為b，最小偏差值為x，最大偏差值為y。

偏差值的計算公式如下：

變化率等于當前值與前一次值的差值取絕對值/時間間隔T。

本發(fā)明的有益效果為：根據(jù)被控量的變化率選擇合適的正負偏差值，被控量在設定值與負偏差值之間變化并處于上升過程或被控量在設定值與正偏差值之間變化并處于下降過程時，控制器輸出的控制量保持不變，其它時候按常規(guī)PID的控制技術進行調節(jié)。利用本發(fā)明的方法對被控量進行調節(jié)控制時，可以減少超調次數(shù)和幅度，縮短滯后時間，被控量的跟蹤效果得到了明顯的提高，控制精度和平緩度可以提高50％以上；同時，還減少了執(zhí)行機構如調節(jié)閥頻繁動作的時間，延長了設備的使用時間。

下面結合附圖和具體實施方式對本發(fā)明作進一步說明。

附圖說明

圖1為傳統(tǒng)的PID控制方法的調節(jié)過程示意圖；

圖2為本發(fā)明的PID控制方法的調節(jié)過程示意圖。

具體實施方式

參見圖2，一種應用被控量的變化趨勢的PID控制方法，包括如下步驟：

S1)設置死區(qū)參數(shù)和被控量的設定值；

S2)通過數(shù)據(jù)采集獲取被控量的實際值，計算被控量實際值的變化率，根據(jù)該變化率計算出用于趨勢判斷的正、負偏差值；步驟S2)中當被控量實際值的變化率的數(shù)值較大時，選擇的正、負偏差的偏差數(shù)值也較大；當被控量實際值的變化率的數(shù)值較小時，選擇的正、負偏差的偏差數(shù)值也較小。根據(jù)不同的變化率計算出合理的用于趨勢判斷的正、負偏差值。正偏差值＝設定值+偏差值；負偏差值＝設定值-偏差值，設最小變化率為a，最大變化率為b，最小偏差值為x，最大偏差值為y。偏差值的計算公式如下：

變化率等于當前值與前一次值的差值取絕對值/時間間隔T。

a、b、x、y根據(jù)實際情況可以設定、調整。a、b、x、y根據(jù)被控量的變化特性(如快、慢等)進行選擇。被控量實際值的變化率指的是被控量實際值的變化斜率。從控制開始到控制結束這段時間內(nèi)每隔T時間獲取一次被控量的實際值。根據(jù)前后兩次的差值和時間間隔T計算被控量的實際值的變化率，判斷變化趨勢，確認是在上升過程還是在下降過程。T根據(jù)實際情況可以人為設定、調整，可以為1秒、5秒或其它時間間隔。

S3)判斷被控量的實際值所處的區(qū)間范圍；

當被控量的實際值在大于或等于正偏差值或者在小于或等于負偏差值的區(qū)間時，判斷被控量的實際值是大于設定值還是小于設定值，當被控量的實際值小于設定值時，控制器輸出的控制量增大，當被控量的實際值大于設定值時，控制器輸出的控制量減??；

當被控量的實際值處于死區(qū)下限與負偏差之間時，判斷被控量實際值的變化趨勢，確認被控量實際值是在上升過程還是在下降過程，當被控量實際值處于下降過程時，控制器輸出的控制量增大，使被控量實際值從下降過程轉為上升過程，當被控量實際值處于上升過程時，控制器輸出的控制量保持不變；

當被控量的實際值處于死區(qū)上限值與死區(qū)下限值之間(死區(qū)范圍內(nèi))時，控制器輸出的控制量保持不變；

當被控量的實際值處于死區(qū)上限值與正偏差值之間時，判斷被控量實際值的變化趨勢，確認被控量的實際值是在上升過程還是在下降過程，當被控量實際值處于上升過程時，控制器輸出的控制量減小，使被控量實際值從上升過程轉為下降過程，當被控量實際值處于下降過程時，控制器輸出的控制量保持不變；

S4)重復步驟S2)、S3)，直至控制結束。

通過傳感器獲取被控量的實際值，反饋給PID控制器。控制量是PID控制器輸出的，用于控制執(zhí)行機構。如果執(zhí)行機構采用調節(jié)閥，則控制器輸出的控制量增大對應調節(jié)閥的開度增大，控制器輸出的控制量保持不變對應調節(jié)閥的開度保持不變，控制器輸出的控制量減小對應調節(jié)閥的開度減小。

以下面的控制實例對本發(fā)明的方法進行說明。

控制實例：水池水位的控制。一個水池，深度為15米，有一個進水管道和若干個出水管道，進水管道安裝調節(jié)閥對進水水量進行調節(jié)，確保在用水過程中水池的水位始終保持在10米的水位。

在進水和用水過程中，水池的水位是變化的，水池的水位稱為實際值，為了控制水池的水位，被控制的對象水池的水位即為被控量。執(zhí)行機構是進水調節(jié)閥。

本發(fā)明的PID控制方法用于水池水位的控制時，包括如下步驟：

S1)設置死區(qū)參數(shù)和被控量的設定值。本實施例在用水過程中水池的水位要求始終保持在10米的水位，10米即為設定值。水池的水位在設定值附近小范圍內(nèi)(±0.2米)波動時，水位不再需要調節(jié)，水池的水位在設定值附近的±0.2米小范圍內(nèi)即為死區(qū)。

S2)通過數(shù)據(jù)采集獲取被控量的實際值，計算被控量實際值的變化率，根據(jù)該變化率計算出用于趨勢判斷的正、負偏差值。正負偏差值如果選擇過大，趨勢調節(jié)介入過早，跟蹤不及時；正負偏差值如果選擇過小，趨勢調節(jié)介入過晚，容易發(fā)生超調。當被控量的變化斜率即變化率較大時，選擇較大正負偏差值；當被控量的變化斜率較小時，選擇較小正負偏差值。根據(jù)被控量的變化斜率選擇不同的正負偏差值，就能避免跟蹤不及時和超調問題，達到很好的控制效果。本實施例T設為1S。本實施例每秒取一次水池水位的實際值，根據(jù)前后兩次的差值和時間間隔計算水池水位的變化斜率即變化率。當被控量水池水位以0.1米/秒及0.1米/秒以上的速度迅速上升或下降時，偏差數(shù)值選擇3米，即正偏差值為13米，負偏差值為7米，在此范圍內(nèi)進行趨勢判斷，對調節(jié)閥進行控制。當被控量水池水位以0.01米/秒及0.01米/秒以下的速度緩慢上升或下降時，偏差數(shù)值選擇1米，即正偏差值為11米，負偏差值為9米，在此范圍內(nèi)進行趨勢判斷，對調節(jié)閥進行控制。當水池水位的變化斜率在0.01米/秒～0.1米/秒之間變化時，對應最小偏差值1米和最大偏差值3米，按線性變化計算偏差值，偏差值＝(變化率－0.01)×(3－1)/(0.1－0.01)+1。

S3)當被控量在大于或等于正偏差值或者在小于或等于負偏差值以外的區(qū)間變化時，調節(jié)閥按傳統(tǒng)的PID控制技術繼續(xù)增加或減小開度。在這種情況下，由于被控量的實際值，離設定值比較遠，因此，既可以提高調節(jié)閥的調節(jié)速度，提高被控量的跟蹤速度，又可以有效地避免超調的發(fā)生。

被控量在正偏差值與負偏差值之間變化時，每秒(時間間隔根據(jù)需要選擇)計算一次被控量的變化率，判斷變化趨勢，確認是在上升過程還是在下降過程。

當被控量在設定值與負偏差之間變化時：

在B→C段、D→E段、M→N段、Q→R段，被控量處于上升過程，調節(jié)閥的開度保持不變，由于調節(jié)閥的執(zhí)行和實際值的檢測有一定的滯后時間，被控量會繼續(xù)增大。在這種情況下，由于提前固定了閥位，可以有效地減少正超調的發(fā)生。

在C→D段、L→M段、P→Q段，被控量處于下降過程，調節(jié)閥增加開度，被控量從下降過程轉為上升過程。在這種情況下，由于被控量是在下降過程中，提高調節(jié)閥的調節(jié)速度，被控量從下降過程快速地轉為上升過程，及時跟蹤設定值。

當被控量在設定值與正偏差之間變化時：

在E→F段、G→H段、J→K段、N→O段，被控量處于上升過程，減小調節(jié)閥的開度，被控量從上升過程轉為下降過程。在這種情況下，由于被控量是在上升過程中，提高調節(jié)閥的調節(jié)速度，被控量從上升過程快速地轉為下降過程，及時跟蹤設定值。

在F→G段、I→J段、K→L段、O→P段，被控量處于下降過程，調節(jié)閥的開度保持不變，由于調節(jié)閥的執(zhí)行和實際值的檢測有一定的滯后時間，被控量會繼續(xù)減小。在這種情況下，由于提前固定了閥位，可以有效地減少負超調的發(fā)生。

S4)重復步驟S2)、S3)，直至控制結束。

利用被控量的變化趨勢參與調節(jié)后，被控量接近設定值時，實際值變化比較平滑，選擇較小的死區(qū)，即可以使調節(jié)收斂，又可以提高控制精度。當被控量水池水位接近設定值10米時，根據(jù)以上的控制方法，調節(jié)閥的開度變化比較小，水池水位的變化比較平滑；利用被控量的變化趨勢參與調節(jié)前，死區(qū)選擇0.5米，利用被控量的變化趨勢參與調節(jié)后，死區(qū)選擇0.2米，水池水位控制在9.8米～10.2米之間，提高了控制精度。死區(qū)是常規(guī)PID的一個常用參數(shù)，本發(fā)明對被控量的變化趨勢進行預判，控制器對輸出的控制量進行提前處理，能夠解決PID控制的超調、振蕩大、滯后等問題，能縮小死區(qū)的范圍，提高控制精度。

本發(fā)明不僅僅局限于上述實施例，在不背離本發(fā)明技術方案原則精神的情況下進行些許改動的技術方案，應落入本發(fā)明的保護范圍。