扫描式PI参数自寻优控制器

摘要

一种扫描式PI参数自寻优控制器，首先，采样周期设定子模块给被控对象一个阶跃信号，测出系统的阶跃响应曲线。然后根据阶跃响应曲线自动寻找开环稳定时间Td，再计算出采样周期Ts；PI参数扫描范围设定子模块确定被控系统的稳态增益的倒数A及PI参数的扫描范围；PI参数性能扫描子模块分别对N×N组(Kp，Ki)参数中的每组参数作处理，得到在该组参数下被控对象系统的上升时间RT、超调量OS和稳态误差SE；满意度映射及价格函数子模块计算每组比例积分参数所对应的上升时间RT、超调量OS和稳态误差SE的满意度，并用价格函数来描述综合满意度；基于层截面颗粒度分析的PI参数选优子模块，找出面积最大的颗粒的中心对应的(Kp，Ki)作为PI参数寻优的结果。

主权项

一种扫描式PI参数自寻优控制器，其特征在于包括PI参数自寻优模块和PI控制器模块；PI参数自寻优模块包含按任务执行的先后顺序串行连接的5个子模块，依次是采样周期设定子模块、PI参数扫描范围设定子模块、PI参数性能扫描子模块、满意度映射及价格函数子模块以及基于层截面颗粒度分析的PI参数选优子模块；所述的5个子模块之间的数据传递采用控制主机的共享内存的方式实现；各个模块的预设电压与反馈电压之间的误差信号经过模数转换器采样作为输入，利用处理器对采样信号存储和处理，通过数模转换器输出，以控制被控对象的动作行为；PI参数自寻优模块和PI控制器模块在闭环上的连接通过软开关来切换：被控系统正常工作前，开关打向PI参数自寻优模块，由PI参数自寻优模块进行PI参数寻优，并将选优的结果比例参数Kp和积分参数Ki传递给PI控制器模块；被控系统正常工作时，开关打向PI控制器模块，由PI控制器模块执行控制功能：在闭环情况下，每隔一个采样周期Ts的时间启动模数转换器对误差信号Error采样一次，并计算出一个控制量，通过数模转换器输出到被控系统；PI参数自寻优模块进行PI参数寻优过程如下述：首先，在被控系统开环的情况下，采样周期设定子模块通过数模转换器给被控对象一个阶跃信号，通过模数转换器不间断地读取误差信号Error，即测出被控系统的阶跃响应曲线，然后，根据阶跃响应曲线自动寻找被控系统的开环稳定时间Td，再计算出采样周期Ts；PI参数扫描范围设定子模块先调节控制电压，使被控系统的误差信号为0，再施加一系列增量电压得到一系列不为0的误差信号，采用最小二乘拟合得到增量电压与误差信号之间的线性关系，设拟合得到的直线的斜率为A，设开环稳定时间Td是采样时间Ts的M倍，则确定比例参数Kp和积分参数Ki的扫描范围则为A/M/N～A/M，M为一个系统延迟时间内所采集的样点的数量，再将得到的比例积分参数范围进行N×N的均匀采样得到N×N组离散的比例积分参数，N为步数，总共有N×N组PI参数；PI参数性能扫描子模块分别对N×N组比例积分参数中的每组参数作处理，得到在该组参数下被控系统的上升时间RT、超调量OS和稳态误差SE；满意度映射及价格函数子模块先计算出每组比例积分参数所对应的上升时间RT、超调量OS和稳态误差SE三个量的满意度，并用价格函数CostFC来描述每组比例积分参数的综合满意度，每组比例积分参数的综合满意度的数学形式为上升时间满意度函数、超调量满意度函数和稳态误差满意度函数三者乘积的立方根；基于层截面颗粒度分析的PI参数选优子模块首先将价格函数曲面归一化到0～1之间，然后用一系列的Z平面去截取价格函数曲面，价格函数曲面在截面之上的位置标记为1，在截面之下的位置标记为0，得到一幅二值的黑白图像，然后对得到的黑白图像作数学形态学操作，以消去图像中的白色小颗粒以及大颗粒之间的线状连接，最后对处理过的黑白图像作颗粒分析，找出面积最大的颗粒的中心对应的比例参数Kp，积分参数Ki作为PI参数寻优的结果。