基于相位分析的PID参数整定方法、系统、设备及介质与流程

本发明涉及工业控制，尤其涉及一种基于相位分析的pid参数整定方法、系统、设备及介质。

背景技术：

1、在当今工业生产领域中，pid控制仍然是应用最为广泛的调节器控制规律。自pid控制器问世以来，它凭借着结构简单、稳定性高、工作可靠、调整便捷等优势，已成为工业控制的主要技术之一。据统计，工业生产中超过90%的控制器采用pid控制器。然而，尽管其在不同控制对象和工艺流程下表现出不同的调整需求，pid参数的精准整定仍是关键，以确保控制器发挥最佳效果。

2、现有pid参数整定方法包括模型整定法和经验法等。基于模型的整定方法，往往依靠大量的控制回路的运行数据和阶跃测试计算，但是在pid整定软件的工程实际投用中，经常出现由于回路激励不足，数据源长度不够等问题，使得模型整定法无法准确整定出结果，若仍要采用基于模型整定方法，必定将消耗更多的时间和精力，因此pid参数整定的准确程度也受模型的准确度限制，往往不适于大规模的pid参数整定。经验法整定适用于流程工业，但对操作人员的技术要求太高，很多企业缺乏经验丰富的技术人员，无经验的操作人员无法保证控制参数的预估效果，也不能保证流程工业生产的稳定状态，其操作上不适用于大部分使用对象。

3、因此，如何在数据源不足的控制回路中实现高精度的pid参数整定是本领域技术人员亟待解决的问题。

技术实现思路

1、（一）要解决的技术问题

2、鉴于现有技术的上述缺点、不足，本发明提供一种基于相位分析的pid参数整定方法、系统、设备及介质，其解决了在数据源不足的控制回路中pid参数整定的准确程度低的技术问题。

3、（二）技术方案

4、为了达到上述目的，本发明采用的主要技术方案包括：

5、第一方面，本发明实施例提供一种基于相位分析的pid参数整定方法，包括：

6、对控制回路的运行数据进行预处理，获得设定时间段内的历史趋势值和pid初始参数，该历史趋势值包括pv参数、sv参数以及mv参数；

7、根据时间顺序构建所述历史趋势值的趋势图，并对所述趋势图中历史趋势值的每一参数进行相位分析处理，得到每一参数对应的相位特征点和sv参数的阶跃变化信息；

8、当sv参数存在阶跃变化时，依据pv参数和sv参数的相位特征点获取到的超调量和上升时间，对pid初始参数中的比例度和积分时间进行调整，得到pid参数；

9、当sv参数不存在阶跃变化时，依据pv参数和mv参数的相位特征点获取到的积分判断指标和比例判断指标，对pid初始参数中的比例度和积分时间调整，得到pid参数。

10、可选地，所述相位特征点包括：

11、sv参数变化起始点，sv参数变化起始点为sv参数在所述趋势图中发生阶跃变化的位置点；

12、pv参数波峰，pv参数波峰为所述趋势图中pv参数曲线的每一个波动的峰值点；

13、pv参数零点，pv参数零点为在所述趋势图中sv参数无阶跃变化时pv参数曲线与sv参数曲线数值相等的第一个位置点，或者pv参数零点为在所述趋势图中sv参数发生阶跃变化后pv参数与sv参数相等的第一个位置点；

14、mv参数波谷，mv参数波谷为所述趋势图中mv参数曲线的每一个波动的波谷点。

15、可选地，当sv参数存在阶跃变化时，依据pv参数和sv参数的相位特征点获取到的超调量和上升时间，对pid初始参数中的比例度和积分时间进行调整，得到pid参数包括：

16、当sv参数存在阶跃变化时，依据pv参数和sv参数的相位特征点，获取超调量和上升时间；

17、判断上升时间是否满足设定的第一阈值范围；

18、若上升时间大于目标上升时间的0.9倍且上升时间小于目标上升时间的1.1倍时，则维持pid初始参数中的比例度；

19、若上升时间小于目标上升时间的0.9倍或上升时间大于目标上升时间的1.1倍时，则依据上升时间对pid初始参数中的比例度进行调整，并判断超调量是否满足设定的第二阈值范围；

20、若超调量大于0.8且超调量小于1.1时，则维持pid初始参数中的积分时间；

21、若超调量大于1.1且上升时间小于目标上升时间的0.9倍，或超调量在0至0.8的区间内且上升时间大于目标上升时间的1.1倍时，则依据超调量对pid初始参数中的积分时间进行调整。

22、可选地，所述超调量的获取公式为：

23、        （1）

24、式（1）中，overshoot代表超调量，pvmax代表sv参数发生阶跃变化后的第一个pv参数的波峰值，svnew代表sv参数发生阶跃变化后的参数值，△sv代表sv参数发生阶跃变化的幅度；

25、所述上升时间的获取公式为：

26、                 （2）

27、式（2）中，risetime代表上升时间，t1代表sv参数发生阶跃变化后pv参数达到波峰的第一个时刻，t2代表sv参数发生阶跃变化的起始时刻；

28、所述依据上升时间对pid初始参数中的比例度进行调整的调整公式为：

29、           （3）

30、式（3）中，pb′代表调整后的比例度，ks代表迭代系数，tss代表稳态时间，稳态时间等于pv参数中两个相邻波峰的时间间隔，pb代表pid初始参数中的比例度；

31、所述依据超调量对pid初始参数中的积分时间进行调整的调整公式为：

32、            （4）

33、式（4）中，ti′代表调整后的积分时间，ti代表pid初始参数中的积分时间。

34、可选地，当sv参数不存在阶跃变化时，依据pv参数和mv参数的相位特征点获取到的积分判断指标和比例判断指标，对pid初始参数中的比例度和积分时间调整，得到pid参数包括：

35、当sv参数不存在阶跃变化时，依据pv参数和mv参数的相位特征点，获取积分判断指标和比例判断指标；

36、判断积分判断指标是否满足设定的第三阈值范围；

37、若积分判断指标小于0.4且积分判断指标大于0.1时，则维持pid初始参数中的积分时间；

38、若积分判断指标大于0.4或积分判断指标小于0.1时，则依据积分判断指标对pid初始参数中的积分时间进行调整，并判断比例判断指标是否满足设定的第四阈值范围；

39、若比例判断指标大于稳态时间的0.225倍且比例判断指标小于稳态时间的0.275倍时，则维持pid初始参数中的比例度；

40、若比例判断指标小于稳态时间的0.225倍且积分判断指标小于0.1，或比例判断指标大于稳态时间的0.275倍且积分判断指标大于0.4时，则依据比例判断指标对pid初始参数中的比例度进行调整。

41、可选地，所述积分判断指标的获取公式为：

42、                     （5）

43、式（5）中，ki代表积分判断指标，t1 ′代表在设定时间段内pv参数达到波峰的第一个时刻，t2′代表在设定时间段内pv参数曲线与sv参数曲线数值相等的第一个时刻，t3′代表在设定时间段内mv参数达到波谷的第一个时刻；

44、所述比例判断指标的获取公式为：

45、                    （6）

46、式（6）中，kp代表积分判断指标；

47、所述依据积分判断指标对pid初始参数中的积分时间进行调整的调整公式为：

48、      （7）

49、式（7）中，ti′代表调整后的积分时间，ti代表pid初始参数中的积分时间，tss代表稳态时间，稳态时间等于pv参数中两个相邻波峰的时间间隔；

50、所述依据比例判断指标对pid初始参数中的比例度进行调整的调整公式为：

51、    （8）

52、式（8）中，pb′代表调整后的比例度，pb代表pid初始参数中的比例度。

53、可选地，还包括：

54、将所述pid参数写入所述控制回路中，并判断所述控制回路的pv参数与sv参数的偏差是否大于设定的偏差阈值；

55、若所述控制回路的pv参数与sv参数的偏差大于设定偏差阈值时，则判定所述pid参数需要二次整定；

56、若所述控制回路的pv参数与sv参数的偏差不大于设定偏差阈值时，则判定所述pid参数整定完成。

57、第二方面，本发明实施例还提供一种基于相位分析的pid参数整定系统，包括：

58、预处理模块，用于对控制回路的运行数据进行预处理，获得设定时间段内的历史趋势值和pid初始参数，该历史趋势值包括pv参数、sv参数以及mv参数；

59、相位分析模块，用于根据时间顺序构建所述历史趋势值的趋势图，并对所述趋势图中历史趋势值的每一参数进行相位分析处理，得到每一参数对应的相位特征点和sv参数的阶跃变化信息；

60、第一pid参数整定模块，用于当sv参数存在阶跃变化时，依据pv参数和sv参数的相位特征点获取到的超调量和上升时间，对pid初始参数中的比例度和积分时间进行调整，得到pid参数；

61、第二pid参数整定模块，用于当sv参数不存在阶跃变化时，依据pv参数和mv参数的相位特征点获取到的积分判断指标和比例判断指标，对pid初始参数中的比例度和积分时间调整，得到pid参数。

62、第三方面，本发明实施例还提供一种电子设备，包括：

63、处理器；

64、存储器，存储用于所述处理器控制以上所述的一种基于相位分析的pid参数整定方法步骤

65、第四方面，本发明实施例还提供一种计算机可读介质，其上存储有计算机可执行指令，所述可执行指令被处理器执行时实现以上所述的一种基于相位分析的pid参数整定方法步骤。

66、（三）有益效果

67、本发明的有益效果是：本发明提出的一种基于相位分析的pid参数整定方法，首先对控制回路中的pv参数、sv参数以及mv参数等运行数据进行判断分析，构建各参数的历史趋势图，然后利用历史趋势图中的相位特征点来分析pid控制系统阶跃响应的超调量和上升时间的回路特性，进而给出合适的pid参数调整策略。相对于现有技术而言，其加快了pid参数的整定速度，提高了pid整定软件的适用范围和整定准确性。

68、同时，本发明基于控制回路中各运行参数的相位特征点，来判别控制回路的积分时间和比例造成的相位差，进而确定控制回路调整方向。相对于现有技术而言，其提高pid参数整定方法在流程工业中的适用性和提高了pid参数整定方法使用的灵活性。