基于数据驱动的PID自整定算法研究和软件实现

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3.0 牛悦 2024-11-19 6 4 1.81MB 61 页 15积分

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摘要

PID 控制器自产生之日起，一直是工业控制中应用最广泛，同时也是最成

熟的控制器，随时工业生产工艺越来越复杂，工业生产环境越来越恶劣等因素

的影响，对 PID 控制器的控制要求提出了更多更复杂的要求，希望 PID 控制器

的控制方式更加准确与全自动化操作。在实际的工业应用中，只有少部分的

PID 控制器能够比较满意的运行，其主要原因是 PID 参数的整定工作没有做

好，以传统的 PID 自整定技术需外加试验信号来获取过程模型，如阶跃响应和

频率响应等，这种做法一般只适应于在系统运行之初和系统停机调试的情况，

当系统正在运行时这种方法往往不能表现了出色。

在线运行的系统，操作员频繁操作和长时间运行下会积累大量的历史数

据，如何通过这些数据进行 PID 自整定研究而不是通过实验的方法来获得过程

模型，另外，过程模型的表示一般是运用一阶加纯后的方法进行描述，但是一

些复杂的控制对象用一阶模型不能很好的拟合，利用二阶加纯滞后模型几乎可

以拟合任何复杂的对象，通过灵敏度作为性能指标既能提高系统的鲁棒性能又

能以比较好的方式进行 PID 参数自整定。在上位机软件上运行 PID 自整定算法

并利用 OPC 接口从数据库中发掘历史数据，完成基于数据驱动的 PID 自整定软

件。

本文主要研究了基于数据驱动的 PID 自整定算法及软件实现问题，全文内

容包括经典的辨识方法和 PID 整定算法研究、基于数据驱动的辨识方法和整定

算法研究，以及基于数据驱动的 PID 自整定软件的实现。PID 整定过程中现场

有大量的操作数据存在着很多重要的频率特性，传统的 PID 整定技术以给定试

验信号为基础，不能很好的利用这些历史数据，本文通过在介绍和分析经典

PID 整定技术的基础之上，利用历史数据完成数据驱动辨识方法研究，以灵敏

度为性能指标研究 PID 自整定算法，并通过 OPC 接口采集数据完成基于数据驱

动的 PID 自整定软件实现。

论文第一章主要介绍 PID 整定技术的意义与的发展概况，还有本文的选题

背景。主要是通过简单的介绍，了解 PID 参数整定的意义，以此得出实现 PID

自整定软件的必要性。

第二章主要介绍一些常用的 PID 整定技术，包括经典辨识方法和 PID 整定

方法、近几年来的出现的一些新的 PID 自整定研究成果和商业化软件产品的应

用与分析。经典的模型辨识方法和自整定方法是研究本文数据驱动模型辨识方

法和 PID 自整定算法的基础，近几年的一些研究成果表明 PID 自整定技术的研

究一直是热点问题，商业化自整定软件的出现与应用是在自整定技术应用于工

业领域实现优化控制迈出的重大一步，分析与综合它们的各方面特征对于本文

主题的研究具有重要的参考意义。

第三章是论文的理论研究的核心部分，主要介绍了以数据驱使动为基础模

型辨识方法和基于灵敏度的 PID 自整定算法，数据驱动的意义是能够实现 PID

回路在线运行时利用数据库中的历史数据中一些重要的频率点完成模型辨识过

程，并通过得到的模型用灵敏度为性能指标整定 PID 参数，这些算法的研究是

本文软件实现的理论基础。

第四章在前几章的基础上完成软件的实现工作，是本文的应用核心内容。

首先对整定软件的设计做出了细致的分析，然后完成整定软件的实现和测试工

作。第五章是本文的结束语，总结了整定论文撰写过程的主要内容，论文的创

新点和这个过程中碰到的一些问题，并对以后的研究工作做出了展望。

自PID 整定技术出现以来，人们研究 PID 参数整定的工作就一直未停下

来，从最初的人工整定到计算机整定，从最初通过实验完成整定工作到本文利

用数据驱动实现 PID 参数自整定，PID 参数自整定的研究是一个不断完善的过

程，商业化自整定软件让人们把复杂的 PID 整定工作变成了简单的上位机软件

操作，本文在自整定技术的应用中另辟新径，利用数据挖掘技术实现完成模型

辨识工作，并在些基础上实现 PID 参数自整定和软件开发。

关键词：数据驱动 PID 自整定系统辨识灵敏度 OPC 自整

定软件

ABSTRACT

PID controller from the date of appearance has been the most widely used

industrial control applications, but also the most mature controller at any time. With

industrial production processes more complexing, environments harsh and other factors,

the PID control device control requires more complex requirements, and hope that the

PID controller is more accurate and fully automated operation. In actual industrial

applications, only a small part of the PID controller can be relatively satisfied with the

operation, mainly because of the tuning of PID parameters is not well, the previous PID

self-tuning technologies get the process model by plusing a test signal, such as step

response and frequency response, this practice is generally adapted to the beginning of

the system operation and system downtime debugging, when the system is running, this

method often can not show excellent.

A large number of historical data of operator action and long-running will

accumulate when system is running. There are several questions, how to use and obtain

the process model from these data. Process model that was generally using a first order

plus delay method to describe can not adapt the complex control object, using a second

order plus delay model can fit almost any complex object. Sensitivity as a performance

indicator can not only improve the robust performance of the system but also better

complete PID parameters self-tuning. Running on the host computer software PID auto-

tuning algorithm and the OPC interface to explore the historical data from the database

to complete the data-driven PID self-tuning software.

This paper is mainly to study the data-driven PID self-tuning algorithm and

software implementation, including the classical identification method, PID tuning

algorithm, and based on data-driven identification method and tuning algorithm

research, and software implementation. A lot of operating data exist with a lot of

important frequency characteristics in process of PID tuning, the previous technologies

which based on a given test signal can not be a good use of this historical data, this

paper is to complete data-driven identification method and PID auto-tuning algorithm of

sensitivity of the performance of through the introduction and analyzing classical PID

self-tuning technologies, at the end a PID self-tuning software will be developed which

collected data through the OPC interface.

The first chapter of this paper mainly introduces the significance of the PID tuning

techniques and development, an overview of the research background of this paper, in

order to understand the meaning of PID parameters tuning, and develop PID self-tuning

software by a brief introduction.

The second chapter introduces some common PID tuning techniques, including

classical identification method and PID tuning methods, in recent years the emergence

of some new PID self-tuning research and applications and analysis of

commercialization software products. Classic model identification method and self-

tuning method is to study in this paper data-driven model identification method and PID

self-tuning algorithm basis, in recent years, some research results of PID self-tuning

technique research has been a hot issue, the application of commercialization software

is the first step to use in industrial of PID self-tuning technology, it is of great

importance to study them.

Chapter III of this paper is the core part, mainly introduce a model identification

method and the sensitivity of PID tuning algorithm based on data-driven, the

significance of data-driven is able to complete the process of model identification using

the historical data in some important frequencies when system is running, and use the

sensitivty as PID performance parameter to tune the controller, this algorithm is the

basis of softeare development.

Based on the first few chapters, Chapters IV is the application of core content to

complete software development. First, a detailed analysis of tuning software design is

presented, then, tuning software is implementation and tested. The fifth chapter is the

concluding remarks of this paper, and summarizes the main content of the paper, the

innovation of the paper and some problems encountered in this process, and future

research work to make the outlook.

Since the emergence of PID control technology, people study PID parameters self-

tuning all the time, from the initial experimen to data-driven self-tuning, PID

parameters self-tuning is a continuous improvement process, the commercialization

productions turn people’s complex work to simple host computer software operation,

this paper in the self-tuning technique applications open up new ground, using data-

driven technology to complete model identification and PID self-tuning software

development.

Key Word ：Data-driven, PID Self-tuning, System Identificatiion,

Sensitivity, OPC, Auto-tuning Software

中文摘要

ABSTRACT

第一章绪论 ..................................................... 1

§1.1 PID 参数自整定意义 ........................................ 2

§1.2 PID 自整定技术的发展 ...................................... 4

§1.3 论文选题背景 .............................................. 5

§1.4 论文层次结构 .............................................. 5

第二章 PID 整定技术与应用 ......................................... 7

§2.1 经典 PID 参数整定方法 ...................................... 7

§2.1.1 辨识方法 .............................................. 8

§2.1.2 经典整定方法 .......................................... 9

§2.1.3 工程整定方法 ......................................... 12

§2.2 近年 PID 参数整定方法 ..................................... 14

§2.3 商业化 PID 自整定产品 ..................................... 16

§2.4 本章小结 ................................................. 23

第三章基于数据驱动的 PID 自整定算法研究 ......................... 25

§3.1 数据驱动模型辨识方法 ..................................... 25

§3.1.1 传统模型辨识方法缺点 ................................. 25

§3.1.2 自整定软件辨识方法 ................................... 25

§3.1.3 过程模型分析 ......................................... 27

§3.2 基于灵敏度的 PID 自整定方法 ............................... 29

§3.2.1 自整定算法 ........................................... 29

§3.2.2 仿真验证 ............................................. 31

§3.3 本章小结 ................................................. 33

第四章 PID 自整定软件实现 ........................................ 34

§4.1 总体架构分析 ............................................. 35

§4.1.1 需求分析 ............................................. 35

§4.1.2 系统设计 ............................................. 35

§4.1.3 详细设计 ............................................. 36

§4.2 OPC 接口设计 ............................................. 37

§4.3 基于灵敏度自整定算法设计 ................................. 42

§4.3软件实现 ................................................. 43

§4.3.1 开始画面实现 ......................................... 43

§4.3.2 OPC 通讯实现 ......................................... 44

§4.3.3 自整定功能实现 ....................................... 45

§4.3.4 系统整体仿真实现 ..................................... 46

§4.4本章小结 ................................................. 49

第五章结束语 ................................................... 50

参考文献 ........................................................ 52

在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 .................. 56

一、论文 ...................................................... 56

二、专利 ...................................................... 56

三、科研项目 .................................................. 56

致谢 ............................................................ 57

第一章绪论

PID控制回路是应用于工业控制中最常见的一种调节器，它广泛应用于冶

金、化工、伺服驱动、机器人等工业控制系统中。PID控制器依据其含义可以分

为三块主要功能：P-增益控制，加快系统的响应速度；I-积分控制，可以减小系

统稳态误差；D-微分控制，可以预测将来。在工业过程控制中，95％以上的控制

回路具有PID结构，例如液位、温度、流量和压力等的控制中经常见到PID控制回

路的影子，如下图1-1为一个典型的液位控制系统的PID回路例子。

1101

LI1101

FC1101

FV1101

FI1101

图1-1 液位控制系统PID实例

在PID控制器的应用中，其性能指标好坏的评价标准关键看PID参数，然而工

业控制中PID参数的整定一直处于粗放的运作模式下，如火电厂的运行中就存在

如下问题：

1、机组整体运行煤耗高、污染物排放超标；

2、煤质的变化引起的系统调节品质改变；

3、负荷的频繁调度使系统不稳定；

4、设备磨损造成的一次设备特性变化；

5、自动投入率低；

6、 AGC投运或系统整体；

7、启停响应慢等。

这其中由于控制回路调节不当所产生的问题占了大部分，由此，PID参数调

整的好坏在整个工业控制运行过程中起到了关键作用，PID参数整定这一名词被

越来越多的人所熟知。PID参数整定意味着为获得期望的控制性能指标而选择合

适的值来适应参数变化。由此在整定PID控制器时，关于PID各项参数数值整定的

依据是什么这个问题，业界出现莫衷一是的回答，有人是用数学计算方式，有人

是看曲线图等等。而如果是曲线图的话，那么曲线图由什么设备观察？怎么观

察？等等问题也是PID控制器在应用当中的一些障碍所在，其实这些问题的所在

主要是从经验调节与公式计算之间的区别所在。

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摘要：

摘要PID控制器自产生之日起，一直是工业控制中应用最广泛，同时也是最成熟的控制器，随时工业生产工艺越来越复杂，工业生产环境越来越恶劣等因素的影响，对PID控制器的控制要求提出了更多更复杂的要求，希望PID控制器的控制方式更加准确与全自动化操作。在实际的工业应用中，只有少部分的PID控制器能够比较满意的运行，其主要原因是PID参数的整定工作没有做好，以传统的PID自整定技术需外加试验信号来获取过程模型，如阶跃响应和频率响应等，这种做法一般只适应于在系统运行之初和系统停机调试的情况，当系统正在运行时这种方法往往不能表现了出色。在线运行的系统，操作员频繁操作和长时间运行下会积累大量的历史数据，如何通...

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