理论教育 改进的齐格勒-尼科尔斯(RZN)方法优化方案

改进的齐格勒-尼科尔斯(RZN)方法优化方案

更新时间:2025-09-01 理论教育 版权反馈
【摘要】:RZN方法整定步骤如下。计算RZN方法的两个特性参数k与θ。当1.5<k<2.25,或者0.57<θ<0.96时,取其中,μ反映了RZN法与Z-N法积分时间常数之比。此时,设定值响应超调量约为20%。这里,RZN方法随着对象纯滞后加大,通过不断增强积分作用,即减小积分时间常数,来改善设定值响应;同时引入并加强设定值滤波,来抑制由此带来的过大超调量。当1.2<k<15,或者0.16<θ<1.4时,取此时,对于设定值响应,大约有10%的设定值超调量。

Z-N法整定的PID参数在设定值变化大且频繁的场合下,其跟踪特性可能并不理想,设定值的阶跃变化会使闭环系统响应的超调量或最大偏差仍比较大。因此,有不少研究者对该方法进行了各种不同的改进。2025年C.C.Hang,K.J.Astrom和W.K.Ho通过对典型被控对象的数学模型进行仿真研究,提出了基于设定值加权的PID参数整定公式。

RZN方法是基于设定值加权的微分先行PID整定方法,通过大量实验,RZN方法克服了Z-N方法整定造成的超调量过大和抗扰动能力差的缺点。

RZN方法提出了描述系统特性的2个参数,即规范化的过程增益k和规范化的时滞时间θ,并用来作为系统分类的标准,从而采用不同的整定公式。

对于具有自衡特性的过程,其规范化时滞时间θ定义为过程纯滞后时间τ和过程时间常数T之比,即

规范化过程增益k定义为过程开环稳态增益K和闭环临界比例增益K u(ultimate gain,即在比例反馈控制下,闭环系统达到临界稳定状态时的比例控制器增益)的乘积,即

事实上,k与θ之间是紧密相关的,一般可近似用θ来表示,即

在RZN方法中,在设定值项增加了加权系数,则实际PID控制算式可写为

其中

式中:β是设定值加权系数,一般情况下取值小于1;K c为比例增益;T i为积分时间;T d为微分时间;r(t)为设定值;y(t)为测量值。

通过引入设定值加权,实际上就是对设定值引入了一滤波器,延缓设定值的变化速率,从而可以有效地抑制设定值改变带来的过大超调量。

RZN方法整定步骤如下。

(1)取广义对象为标准形式,即

(2)按理论计算或实验方法求出K u和T u(即纯比例控制下得到的临界比例增益和临界振荡周期)。

(3)计算RZN方法的两个特性参数k与θ。(https://www.daowen.com)

(4)按下列不同控制律,k或者θ的不同数值范围分别取如下整定公式。

①对于PID控制器。

当2.25<k<15,或者0.16<θ<0.57时,取

其他PID参数与Z-N方法相同。

这里,对应纯滞后的较小区间,RZN方法相对Z-N方法,仅仅引入了设定值加权系数,因而改善的只是设定值响应特性;二者的扰动响应特性是完全一样的。

当1.5<k<2.25,或者0.57<θ<0.96时,取

其中,μ反映了RZN法与Z-N法积分时间常数之比。其他参数(即K c和T d)与Z-N法相同。此时,设定值响应超调量约为20%。

这里,RZN方法随着对象纯滞后加大,通过不断增强积分作用,即减小积分时间常数,来改善设定值响应;同时引入并加强设定值滤波,来抑制由此带来的过大超调量。

②对于PI控制器。

当1.2<k<15,或者0.16<θ<1.4时,取

此时,对于设定值响应,大约有10%的设定值超调量。

RZN法较Z-N法的改进之处主要在于对纯滞后较小过程,改善了系统的阻尼状况,增强其稳定裕度;而在纯滞后较大时,则加快设定值与负荷扰动响应速度。

在一般情况下,RZN法比Z-N法整定参数所得的动态响应要好,但RZN法所需的先验知识要比Z-N法多。

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