一种用于空气分离系统的PID控制器自整定方法及系统

技术领域

本发明属于电力自动化技术领域，尤其涉及一种用于空气分离系统的PID控制器自整定方法及系统。

背景技术

PID控制器结构和算法简单，应用广泛，但参数整定方法比较复杂，通常用凑试法来确定。具体就是根据调节规律、不同调节对象的特征，经过闭环实验，反复凑试。如果有效利用数学软件仿真计算，并结合工程经验公式，就可以方便快捷地获得不同参数环境下系统的动态特性和稳态特性。

在空分系统中，通常用凑试法来确定PID参数，通常根据具体的调节规律、不同调节对象的特征，经过闭环试验，反复凑试。这种方法需要消耗大量时间测试，调试人员需要较高的测试经验并对PID原理充分理解。凑试法得出的结果也不一定是比较满意的动态和稳态响映。之后发展出更有效率的方法就是工程整定法，其中包括Ziegler-Nichols整定法，临界比例度法，衰减曲线法。但是，一般情况下需要调试人员通过在得出的反馈PV曲线描图上描图，找到关键坐标点。但是手动描图存在误差且也不方便

当然，最新的组态软件也具备PID自整定功能，在自整定调整前，整个PID控制回路的反馈PV值必须接近给定SV值，闭环输出不会不规则变化且在控制范围中心附件变化。所以如果在自整定过程中出现了阶跃变化可能导致输出值超过范围限值。如果发生这种情况，可生成完全错误的自整定结果。所以自整定过程要求高且时间可能比较长。

发明内容

本发明提供一种用于空气分离系统的PID控制器自整定方法及系统，用于解决自整定过程要求高且时间可能比较长的技术问题。

第一方面，本发明提供一种用于空气分离系统的PID控制器自整定方法，包括：

对所述PID控制器的增益、积分时间和微分时间进行初始化设置，并将初始化设置后的所述PID控制器投入闭环并保持SP值为第一数值；

基于预设的采样间隔获取所述PID控制器输出的PV值，并判断所述PV值的波动是否小于预设阈值，其中，所述所述PV值的波动为当前采样时刻对应的实时PV值与上一采样时刻对应的历史PV值的差值；

若所述PV值的波动小于预设阈值，则将所述SP值为设置为第二数值，并输出关于时间与PV值的PV曲线；

判断在阶跃响映过程中的PV曲线的切线斜率是否持续变大；

若在阶跃响映过程中的PV曲线的切线斜率持续变大，则将阶跃响映过程的时间赋值为数组t，以及将阶跃响映过程的PV值赋值为数组c；

对数组c进行求导，得到数组dc，对所述数组dc中的每个元素除以采样间隔，得到数组dc1；

在所述数组dc1中筛选最大值，并对所述最大值对应的元素位置赋值为位置k；

分别获取所述数组t和所述数组c中位置k的元素，并将所述数组t中位置k的第一元素和所述数组c中位置k的第二元素分别赋值为max_t和max_y，其中，坐标(max_t，max_y)为PV曲线中切线斜率最大的切点；

分别计算经过坐标(max_t，max_y)的所述PV曲线的目标切线与y轴相交点的纵坐标，以及计算经过坐标(max_t，max_y)的所述PV曲线的目标切线与x轴相交点的横坐标，并将纵坐标赋值为参数b，横坐标赋值为参数L；

将所述PV曲线上的最大PV值赋值为参数k，并在所述目标切线上确定纵坐标为参数k的目标点，将所述目标点的横坐标减去参数L，得到参数T；

根据预设的经验公式对所述参数K、所述参数L以及所述参数T进行计算，得到不同控制方式下的PID控制器的增益、积分时间和微分时间。

第二方面，本发明提供一种用于空气分离系统的PID控制器自整定系统，包括：

第一设置模块，配置为对所述PID控制器的增益、积分时间和微分时间进行初始化设置，并将初始化设置后的所述PID控制器投入闭环并保持SP值为第一数值；

第一判断模块，配置为基于预设的采样间隔获取所述PID控制器输出的PV值，并判断所述PV值的波动是否小于预设阈值，其中，所述所述PV值的波动为当前采样时刻对应的实时PV值与上一采样时刻对应的历史PV值的差值；

第二设置模块，配置为若所述PV值的波动小于预设阈值，则将所述SP值为设置为第二数值，并输出关于时间与PV值的PV曲线；

第二判断模块，配置为判断在阶跃响映过程中的PV曲线的切线斜率是否持续变大；

第一赋值模块，配置为若在阶跃响映过程中的PV曲线的切线斜率持续变大，则将阶跃响映过程的时间赋值为数组t，以及将阶跃响映过程的PV值赋值为数组c；

求导模块，配置为对数组c进行求导，得到数组dc，对所述数组dc中的每个元素除以采样间隔，得到数组dc1；

筛选模块，配置为在所述数组dc1中筛选最大值，并对所述最大值对应的元素位置赋值为位置k；

第二赋值模块，配置为分别获取所述数组t和所述数组c中位置k的元素，并将所述数组t中位置k的第一元素和所述数组c中位置k的第二元素分别赋值为max_t和max_y，其中，坐标(max_t，max_y)为PV曲线中切线斜率最大的切点；

计算模块，配置为分别计算经过坐标(max_t，max_y)的所述PV曲线的目标切线与y轴相交点的纵坐标，以及计算经过坐标(max_t，max_y)的所述PV曲线的目标切线与x轴相交点的横坐标，并将纵坐标赋值为参数b，横坐标赋值为参数L；

确定模块，配置为将所述PV曲线上的最大PV值赋值为参数k，并在所述目标切线上确定纵坐标为参数k的目标点，将所述目标点的横坐标减去参数L，得到参数T；

输出模块，配置为根据预设的经验公式对所述参数K、所述参数L以及所述参数T进行计算，得到不同控制方式下的PID控制器的增益、积分时间和微分时间。

第三方面，提供一种电子设备，其包括：至少一个处理器，以及与所述至少一个处理器通信连接的存储器，其中，所述存储器存储有可被所述至少一个处理器执行的指令，所述指令被所述至少一个处理器执行，以使所述至少一个处理器能够执行本发明任一实施例的用于空气分离系统的PID自整定方法的步骤。

第四方面，本发明还提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述程序指令被处理器执行时，使所述处理器执行本发明任一实施例的用于空气分离系统的PID自整定方法的步骤。

本申请的用于空气分离系统的PID自整定方法及系统，不需要手动描图和计算T、L和K整定参数，而是直接使用MATLAB平台计算出响映曲线的关键点坐标和T、L和K整定参数，因此更加方便和准确；最后，对比组态软件自整定功能，本申请自整定方案对自整定环境要求并不是很高，只需要找到满足条件的阶跃响应曲线就能进行计算整定，整定过程不会因为突然地阶跃突变而重新整定，所以整定时间也相对缩短。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明一实施例提供的一种用于空气分离系统的PID自整定方法的流程图；

图2为本发明一实施例提供一个具体实施例的阶跃响应图；

图3为本发明一实施例提供的一具体实施例的PID自整定的程序流程图；

图4为本发明一实施例提供的又一具体实施例的PID自整定的程序流程图；

图5为本发明一实施例提供的一种用于空气分离系统的PID自整定系统的结构框图；

图6是本发明一实施例提供的电子设备的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅1，其示出了本申请的一种用于空气分离系统的PID自整定方法的流程图。

如图1所示，用于空气分离系统的PID自整定方法具体包括以下步骤：

步骤S101，对所述PID控制器的增益、积分时间和微分时间进行初始化设置，并将初始化设置后的所述PID控制器投入闭环并保持SP值为第一数值；

步骤S102，基于预设的采样间隔获取所述PID控制器输出的PV值，并判断所述PV值的波动是否小于预设阈值，其中，所述所述PV值的波动为当前采样时刻对应的实时PV值与上一采样时刻对应的历史PV值的差值；

步骤S103，若所述PV值的波动小于预设阈值，则将所述SP值为设置为第二数值，并输出关于时间与PV值的PV曲线；

步骤S104，判断在阶跃响映过程中的PV曲线的切线斜率是否持续变大；

步骤S105，若在阶跃响映过程中的PV曲线的切线斜率持续变大，则将阶跃响映过程的时间赋值为数组t，以及将阶跃响映过程的PV值赋值为数组c；

步骤S106，对数组c进行求导，得到数组dc，对所述数组dc中的每个元素除以采样间隔，得到数组dc1；

步骤S107，在所述数组dc1中筛选最大值，并对所述最大值对应的元素位置赋值为位置k；

步骤S108，分别获取所述数组t和所述数组c中位置k的元素，并将所述数组t中位置k的第一元素和所述数组c中位置k的第二元素分别赋值为max_t和max_y，其中，坐标(max_t，max_y)为PV曲线中切线斜率最大的切点；

步骤S109，分别计算经过坐标(max_t，max_y)的所述PV曲线的目标切线与y轴相交点的纵坐标，以及计算经过坐标(max_t，max_y)的所述PV曲线的目标切线与x轴相交点的横坐标，并将纵坐标赋值为参数b，横坐标赋值为参数L；

步骤S110，将所述PV曲线上的最大PV值赋值为参数k，并在所述目标切线上确定纵坐标为参数k的目标点，将所述目标点的横坐标减去参数L，得到参数T；

步骤S111，根据预设的经验公式对所述参数K、所述参数L以及所述参数T进行计算，得到不同控制方式下的PID控制器的增益、积分时间和微分时间。

在本步骤中，根据第一经验公式对所述参数K、所述参数L以及所述参数T进行计算，得到比例控制下的PID控制器的增益、积分时间和微分时间；根据第二经验公式对所述参数K、所述参数L以及所述参数T进行计算，得到比例积分控制下的PID控制器的增益、积分时间和微分时间；根据第三经验公式对所述参数K、所述参数L以及所述参数T进行计算，得到比例积分微分控制下的PID控制器的增益、积分时间和微分时间。

具体地，在比例积分控制下的PID控制器的增益、积分时间和微分时间分别为T/(K*L)、∞和0。

在比例积分控制下的PID控制器的增益、积分时间和微分时间分别为0.9*T/(K*L)、L/0.3和0。

在比例积分微分控制下的PID控制器的增益、积分时间和微分时间分别为1.2*T/(K*L)、2.2L和0.5L。

在一个具体实施例中，PID自整定方法具体包括以下步骤：

a.在编程软件中将PID模块的增益Kp、积分时间Ti和微分时间Td分别设置为0.0s、99999.999s和0.0s。

b.设置组态软件采样时间为0.001s，将控制系统投入闭环并保持SP初始值为0，当PV值波动小于±5％反馈量程时，输入给定SP值为10％反馈量程，后调取组态软件中控制对象的PV值曲线。该曲线则是控制对象的阶跃响应。通过观察我们发现此曲线稳态值K与给定值SP存在较大差距，且上升时间也较长。

需要说明的是，采样时间为每隔多长时间采集一次传感器反馈值，如果该时间越短，说明采集的越频繁。对于随时间变化不大的反馈值可设施稍微长的时间(例如1秒)。但是如果一味的追求高效的数据采集将会增加数据计算规模，从而降低了运算效率。因此，采样时间的设置是不一定的，需要根据不同的运算环境来设定。一般情况下温度闭环系统的采样时间不需要设置很短。采样时间直接关系到PV曲线的精细度(数据规模)，时间越短分辨率越高。

c.如果阶跃响应如图2所示的S形曲线，且则该被控对象可用Ziegler-Nichols整定。

d.一般情况下画图法得出延迟时间L、放大系数K和时间常数T往往不是很准确。如果借助组态软件将响应曲线数据以EXCEL的形式调取出，并结合MATLAB编程可自动获得参数。参考程序如图3所示。

对于图3中第一行“C2＝xlsread(′E：专利阶跃响应.xlsx′)；”代表程序读取E盘对应路径的xlsx文件。

第二行和第三行是将C2矩阵中的第一列和第二列分别赋值数组t和c，其中t为阶跃响映过程时间，c为阶跃响映过程PV反馈值数据。

第四行是对c数组1求导并将结果赋值数组dc。

根据数据的采样时间为0.001s，所以第五行需要把dc数组每个元素乘以1000并赋值于dc1数组。

第六行找出数组dc1中最大值并赋值于max_dc，最大值max_dc元素位置赋值于k。

第七行和第八行分别把数组dc1最大值位置对应的时间数组t和反馈数组c的元素，并将这两个元素分别赋值于max_t和max_y。(max_t，max_y)坐标就是对应阶跃响映曲线中切线斜率最大的切点。

第九行是计算曲线斜率最高切线与y轴相交点的纵坐标，并将其赋值于b。

第十行是计算曲线斜率最高切线与x轴相交点的横坐标，并将其赋值于L。

第十一行把阶跃响应稳态值赋值于K。

最后第十二行是找到最大斜率直线上纵坐标为K的点，并将该点的横坐标减去L。其结果赋值于T。

综上所述经过程序准确计算出参数L、K和T。

e.按照表1计算公式编辑程序，参考程序段如图4所示。就会得到较为准确地PID值。

表1为：

，

对于图4中第一行“P1＝T/(K*L)；”是计算只有比例控制的系统对应的P参数，并将结果赋值于P1。

第二行设置只有比例控制的系统对应的I参数为无穷大，并将结果赋值于T1。

第三行设置只有比例控制的系统对应的D参数为0，并将结果赋值于t1。

第四行是计算比例积分控制系统对应的P参数，并将结果赋值于P2。

第五行是计算比例积分控制系统对应的I参数，并将结果赋值于T2。

第六行设置比例积分控制系统对应的D参数为0,并将结果赋值于t2。

第七行是计算比例积分微分控制系统对应的P参数，并将结果赋值于P3。

第八行是计算比例积分微分控制系统对应的I参数，并将结果赋值于T3。

第九行计算比例积分微分控制系统对应的D参数,并将结果赋值于t3。

空分系统中常见需要闭环控制的有压力、流量、液位和温度等。根据各自的控制特点，对于闭环反馈的响应速度快慢可以作出如下结论：压力、流量和液位等都是反馈响应速度快的系统，在这些系统中往往只需要比例积分控制系统的介入就可以获得较理想的结果，所以P2、T2和t2才是这些系统理想的PID值。但是对于温度这类反馈响应速度慢的系统，就需要比例积分微分控制系统的介入才能获得较理想的结果，所以P3、T3和t3才是这些系统理想的PID值。

最后把PID值代入程序模块中测试，正常情况下响应曲线会比没有添加PID控制器时响应速度要快，但是超调量也不会过大。

请参阅图5，其示出了本申请的一种用于空气分离系统的PID自整定系统的结构框图。

如图5所示，PID自整定系统200，第一设置模块210、第一判断模块220、第二设置模块230、第二判断模块240、第一赋值模块250、求导模块260、筛选模块270、第二赋值模块280、计算模块290、确定模块211以及输出模块212。

其中，第一设置模块210，配置为对所述PID控制器的增益、积分时间和微分时间进行初始化设置，并将初始化设置后的所述PID控制器投入闭环并保持SP值为第一数值；

第一判断模块220，配置为基于预设的采样间隔获取所述PID控制器输出的PV值，并判断所述PV值的波动是否小于预设阈值，其中，所述所述PV值的波动为当前采样时刻对应的实时PV值与上一采样时刻对应的历史PV值的差值；

第二设置模块230，配置为若所述PV值的波动小于预设阈值，则将所述SP值为设置为第二数值，并输出关于时间与PV值的PV曲线；

第二判断模块240，配置为判断在阶跃响映过程中的PV曲线的切线斜率是否持续变大；

第一赋值模块250，配置为若在阶跃响映过程中的PV曲线的切线斜率持续变大，则将阶跃响映过程的时间赋值为数组t，以及将阶跃响映过程的PV值赋值为数组c；

求导模块260，配置为对数组c进行求导，得到数组dc，对所述数组dc中的每个元素除以采样间隔，得到数组dc1；

筛选模块270，配置为在所述数组dc1中筛选最大值，并对所述最大值对应的元素位置赋值为位置k；

第二赋值模块280，配置为分别获取所述数组t和所述数组c中位置k的元素，并将所述数组t中位置k的第一元素和所述数组c中位置k的第二元素分别赋值为max_t和max_y，其中，坐标(max_t，max_y)为PV曲线中切线斜率最大的切点；

计算模块290，配置为分别计算经过坐标(max_t，max_y)的所述PV曲线的目标切线与y轴相交点的纵坐标，以及计算经过坐标(max_t，max_y)的所述PV曲线的目标切线与x轴相交点的横坐标，并将纵坐标赋值为参数b，横坐标赋值为参数L；

确定模块211，配置为将所述PV曲线上的最大PV值赋值为参数k，并在所述目标切线上确定纵坐标为参数k的目标点，将所述目标点的横坐标减去参数L，得到参数T；

输出模块212，配置为根据预设的经验公式对所述参数K、所述参数L以及所述参数T进行计算，得到不同控制方式下的PID控制器的增益、积分时间和微分时间。

应当理解，图5中记载的诸模块与参考图1中描述的方法中的各个步骤相对应。由此，上文针对方法描述的操作和特征以及相应的技术效果同样适用于图5中的诸模块，在此不再赘述。

在另一些实施例中，本发明实施例还提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述程序指令被处理器执行时，使所述处理器执行上述任意方法实施例中的用于空气分离系统的PID自整定方法；

作为一种实施方式，本发明的计算机可读存储介质存储有计算机可执行指令，计算机可执行指令设置为：

对所述PID控制器的增益、积分时间和微分时间进行初始化设置，并将初始化设置后的所述PID控制器投入闭环并保持SP值为第一数值；

基于预设的采样间隔获取所述PID控制器输出的PV值，并判断所述PV值的波动是否小于预设阈值，其中，所述所述PV值的波动为当前采样时刻对应的实时PV值与上一采样时刻对应的历史PV值的差值；

若所述PV值的波动小于预设阈值，则将所述SP值为设置为第二数值，并输出关于时间与PV值的PV曲线；

判断在阶跃响映过程中的PV曲线的切线斜率是否持续变大；

若在阶跃响映过程中的PV曲线的切线斜率持续变大，则将阶跃响映过程的时间赋值为数组t，以及将阶跃响映过程的PV值赋值为数组c；

对数组c进行求导，得到数组dc，对所述数组dc中的每个元素除以采样间隔，得到数组dc1；

在所述数组dc1中筛选最大值，并对所述最大值对应的元素位置赋值为位置k；

分别获取所述数组t和所述数组c中位置k的元素，并将所述数组t中位置k的第一元素和所述数组c中位置k的第二元素分别赋值为max_t和max_y，其中，坐标(max_t，max_y)为PV曲线中切线斜率最大的切点；

分别计算经过坐标(max_t，max_y)的所述PV曲线的目标切线与y轴相交点的纵坐标，以及计算经过坐标(max_t，max_y)的所述PV曲线的目标切线与x轴相交点的横坐标，并将纵坐标赋值为参数b，横坐标赋值为参数L；

将所述PV曲线上的最大PV值赋值为参数k，并在所述目标切线上确定纵坐标为参数k的目标点，将所述目标点的横坐标减去参数L，得到参数T；

根据预设的经验公式对所述参数K、所述参数L以及所述参数T进行计算，得到不同控制方式下的PID控制器的增益、积分时间和微分时间。

计算机可读存储介质可以包括存储程序区和存储数据区，其中，存储程序区可存储操作系统、至少一个功能所需要的应用程序；存储数据区可存储根据用于空气分离系统的PID自整定系统的使用所创建的数据等。此外，计算机可读存储介质可以包括高速随机存取存储器，还可以包括存储器，例如至少一个磁盘存储器件、闪存器件、或其他非易失性固态存储器件。在一些实施例中，计算机可读存储介质可选包括相对于处理器远程设置的存储器，这些远程存储器可以通过网络连接至用于空气分离系统的PID自整定系统。上述网络的实例包括但不限于互联网、企业内部网、局域网、移动通信网及其组合。

图6是本发明实施例提供的电子设备的结构示意图，如图6所示，该设备包括：一个处理器310以及存储器320。电子设备还可以包括：输入装置330和输出装置340。处理器310、存储器320、输入装置330和输出装置340可以通过总线或者其他方式连接，图6中以通过总线连接为例。存储器320为上述的计算机可读存储介质。处理器310通过运行存储在存储器320中的非易失性软件程序、指令以及模块，从而执行服务器的各种功能应用以及数据处理，即实现上述方法实施例用于空气分离系统的PID自整定方法。输入装置330可接收输入的数字或字符信息，以及产生与用于空气分离系统的PID自整定系统的用户设置以及功能控制有关的键信号输入。输出装置340可包括显示屏等显示设备。

上述电子设备可执行本发明实施例所提供的方法，具备执行方法相应的功能模块和有益效果。未在本实施例中详尽描述的技术细节，可参见本发明实施例所提供的方法。

作为一种实施方式，上述电子设备应用于用于空气分离系统的PID自整定系统中，用于客户端，包括：至少一个处理器；以及，与至少一个处理器通信连接的存储器；其中，存储器存储有可被至少一个处理器执行的指令，指令被至少一个处理器执行，以使至少一个处理器能够：

对所述PID控制器的增益、积分时间和微分时间进行初始化设置，并将初始化设置后的所述PID控制器投入闭环并保持SP值为第一数值；

基于预设的采样间隔获取所述PID控制器输出的PV值，并判断所述PV值的波动是否小于预设阈值，其中，所述所述PV值的波动为当前采样时刻对应的实时PV值与上一采样时刻对应的历史PV值的差值；

若所述PV值的波动小于预设阈值，则将所述SP值为设置为第二数值，并输出关于时间与PV值的PV曲线；

判断在阶跃响映过程中的PV曲线的切线斜率是否持续变大；

若在阶跃响映过程中的PV曲线的切线斜率持续变大，则将阶跃响映过程的时间赋值为数组t，以及将阶跃响映过程的PV值赋值为数组c；

对数组c进行求导，得到数组dc，对所述数组dc中的每个元素除以采样间隔，得到数组dc1；

在所述数组dc1中筛选最大值，并对所述最大值对应的元素位置赋值为位置k；

分别获取所述数组t和所述数组c中位置k的元素，并将所述数组t中位置k的第一元素和所述数组c中位置k的第二元素分别赋值为max_t和max_y，其中，坐标(max_t，max_y)为PV曲线中切线斜率最大的切点；

分别计算经过坐标(max_t，max_y)的所述PV曲线的目标切线与y轴相交点的纵坐标，以及计算经过坐标(max_t，max_y)的所述PV曲线的目标切线与x轴相交点的横坐标，并将纵坐标赋值为参数b，横坐标赋值为参数L；

将所述PV曲线上的最大PV值赋值为参数k，并在所述目标切线上确定纵坐标为参数k的目标点，将所述目标点的横坐标减去参数L，得到参数T；

根据预设的经验公式对所述参数K、所述参数L以及所述参数T进行计算，得到不同控制方式下的PID控制器的增益、积分时间和微分时间。

通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分的方法。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。