一种改进的模型驱动PID的应用研究

(华北电力大学 自动化系，河北 保定 071000)

一种改进的模型驱动PID的应用研究

乔静兵，何同祥

(华北电力大学 自动化系，河北 保定 071000)

对模型驱动PID(简称MD-PID)控制算法进行介绍，提出了一种改进的模型驱动PID (简称A-MD-PID) 控制算法，并应用于二阶惯性加纯迟延对象，用MATLAB进行仿真研究。结果表明，本文采用的改进模型驱动PID，能有效地克服被控对象的惯性和迟延，提高系统的控制品质。

模型驱动PID；改进算法；仿真研究

0 引言

PID控制[1]是应用比例、积分、微分环节对偏差进行运算的一种综合控制。PID控制器[2]具有原理简单、使用方便、鲁棒性强、其控制品质对过程变化灵敏度低、控制器参数整定比较容易、无静差调节等特点，一直是工业过程控制领域的主导控制器。但是在热工控制过程中，大型单元机组大多都是大惯性、大迟延的特性，应用简单的PID控制器控制很难达到理想的控制效果，而且参数整定也比较困难。

随着计算机的飞速发展和控制理论的广泛应用，已有的PID控制算法已经满足不了当今社会的发展，人们开始对先进PID控制算法地研究。基于内模控制[3]的各种控制算法由于设计原理简单，应用范围广，控制性能优越，而引起过程控制界的关注。模型驱动PID控制是2002年由Shibaura、Tokyo等人提出来的一种基于内模控制的较新型控制算法[4]。它将等效被控对象模型近似为一阶惯性加纯迟延。但在热工过程控制系统中，这种一阶近似模型与实际被控对象的动态特性差距较大，不易取得好的控制效果，所以没有得到普遍应用。本文在原有模型驱动PID算法的基础上，将等效被控对象模型近似为二阶惯性加纯迟延，推导出新的控制算法公式。文中通过MATLAB仿真对A-MDPID和原MD-PID进行比较，结果表明，A-MD-PID获得了良好的控制品质。

1 模型驱动PID控制系统及改进

1.1模型驱动PID控制基本算法

模型驱动PID控制[4]，通过增加一个PD反馈补偿环节，将等效被控对象近似为一阶惯性加纯迟延，然后以此等效被控对象作为参考模型，应用内模控制的设计方法来设计控制器。如图1所示。

图1 MD-PID控制系统原理图Fig.1 MD - The principle diagram of the PID control system

根据图1，MD-PID控制系统基本算法可用下式来描述：

具体算法[4]如下：

通过麦克劳林展开公式可以将被控对象传递函数用下式展开：

PD反馈补偿器为：

由式(2)、(3)得:

F(s)通过下式设计：

等效被控对象模型为：

由式(5)～(7)得等效被控对象模型参数：

1.2模型驱动PID的改进

对模型驱动PID做如下两点改进：

1）将等效被控对象模型由一阶惯性加纯迟延改进为二阶惯性加纯迟延。

2）对计算过程进行改进，推导出新的计算公式：原算法是由被控对象模型求取PD反馈参数，然后再求等效被控对象模型；改进算法为根据对等效被控对象模型的期望，来指定等效被控对象模型，然后再计算PD反馈中的参数。如图2所示。

根据图2，A-MD-PID控制系统可用下式来描述：

通过麦克劳林展开公式将被控对象传递函数展开为：

由式(12)、(13)得：

期望的等效被控对象模型为：

通过麦克劳林展开公式将式(15)展开得：

指定T0，l0，由式(17)得K0

最后得出PD反馈补偿器F(s)中参数：

图2中定值滤波器是一个超前滞后环节，用于对设定值做处理，主要在设定值变化时对设定值做调理。

2 MATLAB仿真

为了检验A-MD-PID算法的控制效果，本文采用MATLAB中的SIMULINK工具，对A-MD-PID和原MD-PID控制算法进行仿真研究。

选取被控对象[5]传递函数为：

等效被控对象模型为：

PD反馈补偿器为（k=0.1）：

采用A-MD-PID控制、原MD-PID控制和PID控制，在定值阶跃扰动下的系统输出响应曲线如图3所示。仿真结果表明，A-MD-PID控制效果较好。

图3 模型匹配时阶跃响应曲线图Fig.3 Model matching step response curve

大型单元机组在工业现场总是存在各种各样的噪声和扰动，而且用模型代替实际被控对象总会有误差，因而控制系统需要有一定的鲁棒性。凭经验所知，一般在工程中，当K增大、T减小、l增大时模型失配的情况是最难控制的。假设被控对象的K、l各增加10%，T减小5%，即K=3.96，T=142.5，l=71.5s。在定值阶跃扰动下的系统输出响应曲线如图4所示。仿真结果表明，A-MD-PID算法具有良好的鲁棒性。

3 结束语

图4 模型失配时阶跃响应曲线图Fig.4 Step response curves of model mismatch

本文在由Shibaura、Tokyo等人提出来的模型驱动PID控制的基础上，提出了改进模型驱动PID控制算法。通过MATLAB仿真验证了改进模型驱动PID控制的优越性。相比模型驱动PID基本算法，改进模型驱动PID不仅能有效地克服被控对象的大惯性和大迟延，抑制了超调量，而且兼顾了系统的快速性，从而提高了系统的控制品质。文中提出的改进模型驱动PID控制算法，经过简单地转换、组合，可以采用DCS常规功能块组态实现，也可以通过DCS用户自定义模块编程实现，是一种有推广价值的新型控制算法。

[1]杨智,朱海峰,黄以华． PID控制器设计与参数整定综述 [J]．化工自动化及仪表, 2005 , 32( 5 )： 1- 7．

[2]韩璞,智能控制理论及应用[M]．北京：中国电力出版社,2012：141-144．

[3]靳其兵,黄文兵． 两种 IMC-PID整定方法的比较[J]化工自动化及仪表, 2010 , 37( 4)： 10-12．

[4]Toshiba-Cho, Fuchu-shi, Toky． A Model-Driven PID Control System and its Case Studies [J]．2002：18-20．

[5]张艳娟． 超临界锅炉再热汽温控制系统研究[D]． 保定：华北电力大学, 2008．

The Application of an Improved Model Driven PID

Qiao Jingbing, He Tongxiang
（Automation Department, North China Electric Power University, Baoding 071000,China）

A brief introduction to model driven PID (MD-PID) control algorithm. An improved model driven PID (A-MDPID) control algorithm is put forward, and applied to the control system with two order lag and delay process, and studied by MATLAB. The simulation results show that A-MD-PID can effectively overcome the lag and delay of controlled object, so improve the performance of control system.

model-driven PID; algorithm improvement; simulation research

TP273+.3

A

Doi：10.3969/j.issn.1671-1041.2014.03.025

2014-03-20

乔静兵，女，硕士研究生，从事智能控制、协调控制系统优化等研究。