一种基于PID自整定的智能调节仪的制作方法

本发明涉及变送器智能仪表仪器，特别是一种基于pid自整定的智能调节仪。

背景技术：

1、pid控制是工业过程控制中应用最广泛的控制策略，其原理简单、适用性强，约占工业控制回路的90%以上。然而，pid控制性能的优劣高度依赖于参数整定的合理性，比例增益、积分时间和微分时间三个参数的匹配直接决定系统的稳定性、响应速度和稳态精度。传统的手动试凑法整定pid参数对操作人员经验要求极高，且难以适应复杂工况和多变量耦合系统。为此，自整定pid技术应运而生，通过继电反馈、阶跃响应或模式识别等方法自动辨识被控对象特性并计算pid参数，显著降低了调试难度。

2、继电反馈法是目前应用最成熟的pid自整定技术，其通过继电器非线性特性使系统产生极限环振荡，进而提取临界增益和临界周期，再按ziegler-nichols等公式计算pid参数。现有基于继电反馈的自整定调节仪已实现了基本的一键整定功能，但仍存在明显不足：一是继电特性的回差宽度固定或需人工设置，在噪声干扰大的工业现场易导致误触发或整定失败；二是整定策略单一，通常仅采用固定的z-n公式，对不同动态特性（如大滞后、快响应）的被控对象适应性差；三是整定完成后参数固定不变，无法适应对象时变、负载扰动等工况变化，且缺乏对整定结果控制品质的在线评估与优化机制。

3、此外，现有自整定调节仪在模式切换安全性方面设计薄弱，自整定前需人工判断系统是否允许位式控制，切换过程缺乏平滑过渡机制，自整定中若遇异常扰动或振荡发散无法自动保护。因此，亟需一种具备回差自适应、多策略智能选择、在线闭环优化及安全模式切换的pid自整定智能调节仪，以克服现有技术的局限性，满足复杂工业过程对控制品质日益提高的要求。

技术实现思路

1、本发明针对上述背景及现有技术方法存在的问题，提供一种基于pid自整定的智能调节仪，其特征在于，包括：输入信号处理模块，用于接收被控对象的测量值信号和设定值信号，对所述测量值信号进行滤波处理和量程转换，获得标准化偏差信号；

2、继电反馈测试模块，与所述输入信号处理模块电连接，用于在自整定模式下向被控对象输出具有可调回差特性的继电激励信号，使被控对象产生稳定的极限环振荡，并采集振荡过程的输出波形数据；

3、参数辨识模块，与所述继电反馈测试模块电连接，用于根据所述输出波形数据计算被控对象的临界增益和临界振荡周期，并基于所述临界增益和临界振荡周期通过描述函数法提取被控对象的频率响应特征参数；

4、智能整定决策模块，与所述参数辨识模块电连接，用于根据所述频率响应特征参数和被控对象的动态特性分类结果，从预设的多组整定规则中自动选择整定策略，计算初始pid参数组；

5、在线优化模块，与所述智能整定决策模块电连接，用于在pid控制运行过程中，实时监测控制品质指标，并根据所述控制品质指标对所述初始pid参数组进行闭环迭代优化，获得优化pid参数组；

6、pid运算模块，与所述在线优化模块电连接，用于根据所述优化pid参数组执行增量式pid运算，输出控制量信号；

7、输出驱动模块，与所述pid运算模块电连接，用于将所述控制量信号转换为标准驱动信号输出至执行机构；

8、模式切换模块，分别与所述继电反馈测试模块、所述pid运算模块和所述输出驱动模块电连接，用于根据外部指令或自动判断条件，在自整定模式与pid控制模式之间进行安全切换。

9、作为本发明进一步地说明，所述继电反馈测试模块包括：回差自适应调整单元，用于根据测量值信号的噪声水平自动调整继电特性的回差宽度；

10、振荡稳定性判断单元，用于检测输出波形是否形成稳定的极限环振荡；所述判断单元通过计算相邻过零时间间隔的变异系数；

11、数据采样单元，用于在振荡稳定后采集至少三个完整周期的输出波形数据，并计算输出波形的一次谐波幅值和振荡周期。

12、更进一步地，所述参数辨识模块包括：临界参数计算单元，用于根据继电特性幅值和所述一次谐波幅值计算临界增益，以及根据所述振荡周期计算临界振荡周期；所述临界增益的计算公式为：

13、

14、其中，ku为临界增益，d为继电特性幅值，a为输出波形的一次谐波幅值；

15、模型参数估计单元，用于根据所述临界增益和临界振荡周期，通过频域拟合算法估计被控对象的传递函数模型参数；

16、频率响应存储单元，用于存储被控对象在多个频率点的响应数据，构建被控对象的非参数频率响应模型。

17、更进一步地，所述智能整定决策模块包括:整定规则库，存储有多组针对不同被控对象特性的整定规则；所述整定规则包括基于ziegler-nichols临界比例度法的经典整定规则、基于内模控制理论的imc整定规则、基于相位裕度约束的鲁棒整定规则，以及针对大滞后对象的smith预估器补偿整定规则；

18、规则选择器，用于根据所述特性分类器的分类结果和用户对控制性能偏好的设置，自动选择所述整定规则库中的一组整定规则；

19、参数计算器，用于根据所选整定规则和所述频率响应特征参数，计算初始比例增益、积分时间和微分时间。

20、更进一步地，所述在线优化模块包括：品质评估单元，用于在每个采样周期计算所述控制品质指标，并综合计算控制品质综合评分；

21、参数微调单元，用于当所述控制品质综合评分低于预设阈值时，启动参数微调程序；

22、收敛判断单元，用于判断参数微调是否收敛。

23、更进一步地，所述pid运算模块包括：增量式pid运算单元，用于执行增量式pid控制算法，输出控制增量；所述增量式pid运算的公式为:

24、

25、其中，△u(k)为第k时刻的控制增量，kp为比例增益，ti为积分时间，td为微分时间，t为采样周期，e(k)为第k时刻的偏差；

26、抗积分饱和单元，用于当控制量达到输出上限或下限时，停止积分项的累积，防止积分饱和引起的超调和振荡；

27、微分先行单元，用于对测量值信号而非偏差信号进行微分运算，避免设定值突变时微分项产生冲击。

28、更进一步地，所述输入信号处理模块包括：

29、多通道模拟量输入单元，用于接收来自不同类型传感器的模拟信号；

30、数字滤波单元，用于对所述模拟信号进行数字滤波处理；

31、工程单位转换单元，用于将滤波后的数字量转换为具有物理意义的工程单位量。

32、更进一步地，所述输出驱动模块包括：

33、控制量限幅单元，用于将所述控制量信号限制在预设的安全输出范围内

34、输出方式选择单元，用于根据执行机构类型选择输出方式；

35、手动/自动切换单元，用于在手动输出模式与自动pid控制模式之间进行无扰动切换。

36、更进一步地，所述模式切换模块包括：

37、安全条件判断单元，用于在切换至自整定模式前判断被控对象是否满足安全自整定条件；

38、异常保护单元，用于在自整定过程中监测被控对象的输出是否出现异常；

39、整定完成自动恢复单元，用于在自整定完成后自动将工作模式切换回pid控制模式，并将计算获得的优化pid参数组加载至所述pid运算模块。

40、本发明的有益效果：

41、本发明通过继电反馈测试模块根据测量值信号的噪声水平自动调整回差宽度，有效抑制工业现场噪声干扰引起的误触发，确保极限环振荡的稳定形成，提高自整定成功率；智能整定决策模块根据被控对象特性自动分类并匹配整定规则，针对不同动态特性的对象采用差异化整定策略，避免单一z-n公式在大滞后或快响应系统中的适用性不足问题；在线优化模块在pid运行过程中实时监测超调量、调节时间等品质指标，通过模式识别法自动微调参数，实现“整定-运行-优化”的闭环自进化，适应对象时变和负载扰动；模式切换模块具备安全条件判断、平滑过渡和异常保护功能，自整定前自动校验系统状态，切换时通过斜坡函数防止控制量突变，异常时自动终止并报警，确保生产过程安全；一键启动自整定、图形化进度显示、远程参数上传等功能使普通操作员即可完成调试，减少对高水平技术人员的依赖，降低工程实施和后期维护成本。