[发明专利]高级的比例加积分加微分控制器

说明书

本发明一般涉及比例加积分加微分（PID）控制器，更具体的是涉及PID控制器，它能产生多种算法而不受所用硬件的限制。

比例加积分加微分（PID）控制的一般概念在本领域中是众所周知的。这种类型的控制在最初用于时钟机构和蒸汽机调速器时、在二十世纪早期首次从数学角度被描述。PID控制的使用导致了这样一个概念的进一步发展，即PID控制器可用于相当大量的过程控制中。

PID控制器的发展导致了现在这种基本算法的丰富的变型。这些变型是由可使用的硬件所具有限制而造成的。PID算法的三种基本形式是并行算法（方程1）、非交互算法（方程2）和交互算法（方程3），如下所示：

U（t）＝K_c（e（t）+K_I(e（t）)/(s) +K_Dse（t） （1）

U（t）＝K_pe（t）+K_I(e（t）)/(s) +K_Dse（t） （2）

U（t）＝K_c[Kpe（t）+K_Dse（t）][1+ (K₁)/(S) ]（3）

其中U（t）＝t时刻由PID计算出的控制信号

e（t）＝t时刻过程变量测量值与参考轨迹值之间的误差值

K_c＝控制器的总增益（输出量/误差量）

K_p＝比例增益（输出量/误差量）

K_I＝积分增益（输出量/分钟量·误差量）

K_D＝微分增益（输出量·分钟量/误差量）

S＝拉普拉斯算子

这些基本PID算法的三种变型一直延用着。这些算法的变型既可以是位置形式，也可以是速度形式。微分项可以由一个误差信号或一个实际测量值计算得出，而且微分项可以直接计算出或通过利用超前迟后计算得到。

上面表示的方程1、2和3是以位置形式书写的。在相应的速度方程式中，误差信号由误差信号的变化量所代替，并且控制作用的变化量可以由该标准方程1、2和3计算得出。这个控制作用变化量对时间的积分产生一个控制作用。在正常的工作状态下，使用位置形式算法与它对应的速度形式算法并没有性能上的差别。然而，在饱和状态下，即控制作用受其极限值之一限制时，使用上述两种算法得到的性能是十分不同的，使用速度形式算法只要起作用的误差信号的绝对值减小，就脱离极限值的约束，对比之下，位置形式算法只有在误差信号的符号改变时，才会脱离极限值的约束。

方程1、2和3的写法是为了便于对误差信号施加微分作用。这些算法一个通行的变型是在微分项计算时用过程测量值代替误差信号。这种变化导致在设定值之间过程更为平滑的过渡，而对扰动抑制则无不利影响。

此外，方程1，2和3的写法适合于直接计算微分项。典型地，这种计算可用一个工作在时间常数为微分时间10%的一阶滤波器实现。如下所示，方程4说明了微分计算的这种实现。这种改进形式是为了使过程噪声对控制信号的影响减至最小：

微分项 = K DS0.1K DS + 1 (4) ]]>

PID算法的另一种通常的改进形式是外部复位（externalreset）。方程式3的这种变型是在积分方程中用一个外部测量值来代替控制输出。这种改进形式用来防止由于串级控制方式中内环饱和时积分项的中断。

已有技术的工业PID控制器使得用户只能根据硬件的选择来确定各种算法形式的选择。因此，在一个控制中所使用的硬件就决定了可使用的算法形式。由于这种限制，所以一直希望发展出一种能产生不受所用硬件限制的多种算法形式的PID控制器。