[发明专利]基于数字预测算法的模拟PID控制系统及方法

说明书

技术领域

本发明涉及PID控制技术领域，特别是涉及一种基于数字预测算法的模拟PID控制系统及方法。

背景技术

在工业过程控制的发展史上，PID(Proportional-Integral-Derivational，比例-积分-微分)控制是历史上最悠久、生命力最强的控制方式，也是迄今最通用的控制方法。PID控制以其简单清晰的结构、良好的鲁棒性和广泛的适用范围，深受工业界的青睐，并且日益受到控制理论界的重视。即使在美、日等工业发达国家，采用高级控制技术的回路也只占很小的比例，90％以上的控制回路基本上还是采用PID控制技术。

现有PID控制技术主要包括模拟PID控制和数字PID控制。模拟PID控制技术简单可靠、成本较低，应用广泛成熟；而数字PID控制技术结构灵活、技术成熟，控制效果更好。

模拟PID控制系统的过程控制如图1所示，将模拟参考信号ref和模拟反馈信号进行减法运算，其差作为PID控制器的输入；经过PID控制器计算后，输出控制量(该控制量为模拟控制信号)，该控制量作为执行机构的输入，控制执行机构的输出。纯模拟PID控制系统结构简单，控制精度高，但是当模拟参考信号变化过大时，模拟参考信号和模拟反馈信号的初始偏差较大，容易引起控制量过大，从而使PID控制器的输出容易进入饱和状态，导致输出产生振荡。

数字PID控制系统的过程控制如图2所示，将数字参考信号和反馈信号进行减法运算，其差作为PID控制器的输入，经过预测控制器和PID控制器运算后输出控制量(该控制量为数字控制信号)，该控制量作为执行机构的输入，控制执行机构的输出；反馈信号为数字信号，其由执行机构输出的模拟信号经过模数转换器(ADC，Analog to Digital Converter)采样转换后得到的结果。数字PID控制技术加入了预测功能，能有效的解决数字参考信号变化过大时PID控制器输出易饱和等缺点，但是系统的整体控制精度受限于模数转换器，数字PID控制技术要实现高精度必须采用高精度的模数转换器，成本高昂，有时甚至难以实现，因而无法满足高精度控制的要求。

因此，现在亟需一种既能满足高精度控制，又能避免PID控制器输出饱和的PID控制系统和方法。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种基于数字预测算法的模拟PID控制系统及方法，采用数字预测算法与模拟PID混合控制策略，用于解决现有技术中纯模拟PID控制技术容易引起控制量过大、输出饱和的问题，以及纯数字PID控制技术需要高精度模数转换器、成本高、控制精度低的问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种基于数字预测算法的模拟PID控制系统，用于调节执行机构输出的模拟信号和预先设定的模拟参考信号之间的偏差，其中，所述基于数字预测算法的模拟PID控制系统至少包括：

预测模块，用于将所述模拟参考信号通过数字预测算法进行预测，以得到所述执行机构的第一模拟控制量；

PID控制器，用于根据所述模拟参考信号与由所述执行机构输出的模拟信号构成的反馈信号相减得到的输入偏差，计算得到所述执行机构的第二模拟控制量，以利用所述第二模拟控制量与所述预测模块输出的第一模拟控制量相加，来控制所述执行机构输出的模拟信号。

优选地，所述预测模块至少包括：

模数转换器，用于将所述模拟参考信号转换为数字参考信号；

预测控制器，连接于所述模数转换器，用于将所述模数转换器输出的数字参考信号通过数字预测算法预测得到数字控制量；

数模转换器，连接于所述预测控制器，用于将所述预测控制器输出的数字控制量进行数模转换，以得到所述执行机构的第一模拟控制量。

优选地，所述模数转换器为低精度模数转换器，所述数模转换器为低精度数模转换器。

优选地，所述基于数字预测算法的模拟PID控制系统还包括：

第一运算器，其第一输入端连接所述模拟参考信号，其第二输入端连接所述反馈信号，其输出端连接所述PID控制器的输入端，用于将所述模拟参考信号与所述反馈信号相减，以得到所述PID控制器的输入偏差；

第二运算器，其第一输入端连接所述PID控制器的输出端，其第二输入端连接所述预测模块的输出端，其输出端连接所述执行机构的输入端，用于将所述PID控制器输出的第二模拟控制量与所述预测模块输出的第一模拟控制量相加，以控制所述执行机构输出的模拟信号。

优选地，所述第一运算器和所述第二运算器均为加法器。