改進PID算法在MTS控制系統中的應用

周挺

摘要：針對飛機結構強度試驗中大遲滯、時變、非線性系統的控制問題，采用改進的PID算法實現系統優化控制;在MTS FlexTest 200控制系統中利用虛擬控制通道和在線回路計算功能編寫改進的PID控制程序;以一慣性環節為控制仿真對象，對比常規PID控制和改進PID控制效果。結果表明：改進PID控制能有效減小系統的超調量和調節時間，抑制外界噪聲干擾，較常規PID控制效果有明顯提升。

關鍵詞：飛機結構強度試驗;改進PID算法;MTS FlexTest 200控制系統

中圖分類號：TP273.4? ? ? ?文獻標識碼：B

文章編號：1009-3044（2021）04-0033-04

Abstract：Aiming atthecontrol problem of large hysteresis ，time-varying and strong nonlinearity system in aircraft structural strength test，an advanced PID algorithm was adopted to realize the system optimal control.Advanced PID control program was written in MTS FlexTest 200 control system using virtual control channel and on-line loop computing function.Taking an inertial link as the control simulation object，thecontrol effect of conventional PID control and advanced PID control was compared.The results show that the advanced PID control can effectively reduce the overshoot and regulation time of the system，and inhibit the interference of external noise，which is more effective than conventional PID control.

Key words： Aircraft structural strength test; Advanced PID Algorithm;MTS FlexTest 200 control system

飛機結構強度試驗通過對飛機結構施加載荷以模擬飛機在真實飛行使用過程中遇到的受載情況，是核準檢驗飛機結構設計與制造的重要途徑[1]。MTS FlexTest 200控制系統集數據采集、伺服驅動、信號發生、計算機數字控制、數據顯示與存儲于一體，是飛機結構強度試驗中的通用設備，其采用傳統的PIDF（比例積分微分前饋）控制算法實現載荷、位移、壓力、溫度等物理量的計算機數字控制。傳統PIDF控制方法具有原理簡單、魯棒性好、適應性強、易于整定、控制輸出對被控對象的變化不敏感等優點，但當被控對象存在較大時變性、滯后性、非線性時，難以得到滿意的控制效果[2-3]。本文提出PID控制算法的改進措施，在MTS FlexTest 200控制系統中利用虛擬通道和計算回路功能，通過通道設置、變量定義和算法編輯，屏蔽系統固有的PIDF控制算法，將改進的PID控制算法應用于系統中，通過系統仿真，驗證算法的有效性。

1 常規PID控制

常規PID控制通過線性加權計算系統誤差信號e（t）的比例、積分、微分控制量完成系統閉環控制，圖1為常規PID控制原理圖。

PID控制中，比例系數越大，系統穩態誤差越小，響應速度越快，但過大比例系數會造成系統振蕩;積分環節可消除穩態誤差，但積分飽和會引起系統超調嚴重，系統調節時間變長;微分環節對偏差的變化產生超前控制，可加快系統的暫態響應過程，減小系統的超調量，但會引入噪聲信號，使系統不穩定性加劇[4]。通過比例、積分、微分系數的優化適配，以獲得滿意的控制效果[5]。

2 改進的PID算法

2.1變速積分

普通PID控制算法中積分系數KI固定不變，積分作用沒有考慮偏差的變化趨勢，過大的積分系數會引起嚴重超調乃至振蕩，甚至出現積分飽和現象，過小的積分系數使積分效果不明顯，收斂時間長，對消除靜差產生影響。采用變速積分來適應系統對積分環節的要求，根據偏差的大小來自動調整積分累加的速度，偏差越大，積分累加速度越慢，反之則越快。

由式（4）和式（5）可知，由于系數f（e（k））的加入，積分速度因誤差的大小而變化，系統的自適應能力增強，誤差小于e1時，積分累加速度與常規PID積分項相同，積分速度最大;誤差大于e1且小于e2時，積分累加誤差比例隨誤差增大而逐漸減小;誤差大于e2時，積分停止累加誤差。

2.2積分限幅

在變速積分的基礎上，根據被控對象特性和控制響應需求，將積分項的輸出uI（k）限制在限定值[umin，umax]之間，削弱積分項的作用程度。即：

2.3不完全微分

標準微分環節相當于給系統引入了一個高通濾波器，外界高頻擾動經過微分環節后控制信號將顯著增大，造成控制過程振蕩;若控制對象存在長時間的滯后環節時，較大的微分控制輸出將使輸出失真。不完全微分是在微分項上增加低通濾波器，以此濾除高頻干擾，降低外界噪聲的影響。不完全微分UD（s）的輸出表示為：

3 改進PID控制的應用

MTS FlexTest 200控制系統的計算回路以1024Hz的控制頻率實現多輸入輸出通道的交叉引用與循環控制，合理設置虛擬通道可方便中間變量調用與邏輯運算功能的實現。

3.1通道設置

設置一個標準控制通道，輸入輸出都為虛擬通道通道，如圖2所示，虛擬輸入通道1設為反饋通道，由一慣性環節表示，如式（8）所示：

虛擬輸入通道2為比例控制輸出uP（k）;虛擬輸入通達3為積分控制輸出uI（k）;虛擬輸入通道4為微分控制輸出uD（k）;虛擬輸入通道5為改進PID控制總輸出u（k）;虛擬輸出為系統常規PID控制輸出。設置7個變量，定義為比例系數P、積分系數I、微分系數D、積分限幅值I_limit、變速積分中參數e1、e2、不完全微分中低通濾波器的時間常數Tf，用于參數的實時調試。設置4個數字開關信號，分別用來開閉比例、積分、微分及總控制輸出。

3.2算法程序

由式（8）在虛擬輸入通道1的計算回路編輯器中設置仿真對象，設Tf=100s，kf=20，T=1/1024s，程序如下：

realcon_temp;

real nor_PID;//系統固有PID控制

real opt_PID;//改進PID控制

//數字輸出O1切換控制算法

if（"O1" == 1）

{opt_PID = 0.99999*opt_PID + "C1 Input5" * 0.0002;

con_temp = opt_PID;}

else

{nor_PID = 0.99999*nor_PID + "C1 Output" * 0.0002;

con_temp =nor_PID;

}

"output0" =con_temp;

由式（3）、（5）、（7）分別計算改進PID控制輸出，并在虛擬輸入通道2、3、4的計算回路編輯器中編輯，程序如下：

虛擬輸入通道2編輯器中程序：

realtemp，error;

error = （"C1 Command" - "C1 Input1"）/100;

temp = error *P;//P為比例系數

"output0" = temp;

虛擬輸入通道3編輯器中程序：

realtemp，error，coefficient;

error = abs（（"C1 Command" - "C1 Input1"）/100）;//求誤差絕對值

//變速積分

if（error<=e1）

coefficient=1;

else if（error>e1&&error<=e2）

coefficient=（e2-error）/（e2-e1）;

else if（temperror>e2）

coefficient=0;

temp = temp + （error * I* coefficient/10）/1024;//I為積分系數

//積分限幅，I_limit為積分限幅值

if（temp >= I_limit）temp = I_limit;

if（temp <= -I_limit）temp = -I_limit;

"output0" = temp;

虛擬輸入通道4編輯器中程序：

real temp，error，olderror;

error = （"C1 Command"-"C1 Input1"）/100;

temp=D*（error-olderror）*rate（）*（1-tf/（tf+0.001））+（tf/（tf+0.001））*temp;//D為微分系數，tf為低通濾波器的時間常數

olderror = error;

"output0" = temp;

根據式（1）、（3）在虛擬輸入通道5計算改進PID總控制輸出，程序如下：

real con_temp，con_P，con_I，con_D;

//數字輸出DO2、DO3、DO4開閉PID輸出

if（"DO2" == 1）con_P=con_P;

elsecon_P = 0.0;

if（"DO3" == 1）con_I = con_I;

elsecon_I = 0.0;

if（"DO4" == 1）con_D = con_D;

elsecon_D = 0.0;

con_temp=（con_P+con_I+con_D）;

"output0" =con_temp;

所有程序都按系統控制刷新頻率同時迭代運行。

4結果分析

對式（8）對象采用改進的PID進行控制，指令采用振幅為50%滿度值的階躍信號，在控制系統應用軟件下運行仿真程序。分析變速積分的加入前后對控制效果的影響，系統控制參數由試湊法得到，分別為P=15，I=5，D=5，變速積分參數e1=0.1，e2=0.8，圖3為常規PID控制曲線，圖4為變速積分PID控制曲線，表1為常規PID控制和變速積分PID控制的超調量和調節時間對比，可以看到，變速積分PID控制較常規PID控制超調量更小，調節時間更短。

對式（8）對象加入隨機擾動信號，對比加入不完全微分前后的控制效果，同樣指令采用振幅為50%滿度值的階躍信號，不完全微分低通濾波器的時間常數Tf=0.04s，圖5為未加入不完全微分的控制曲線，圖6為加入不完全微分后的控制曲線，可以看到，加入不完全微分后控制過程平穩，系統超調得到抑制，控制性能得到明顯提升。

5結論

1）針對飛機結構強度試驗中存在的大遲滯、非線性對象的控制問題，改進PID算法較常規PID算法具有更強的抗干擾能力和更好的動靜態控制性能

2）利用MTS FlexTest 200控制系統的虛擬通道和計算回路功能可將改進的PID控制應用于飛機結構強度試驗中，提高試驗控制品質。

參考文獻：

[1] 韓凱，孫志強，馮建民，賀謙.飛機結構強度試驗中聲源定位技術的研究與驗證[J].科學技術與工程，2017，17（19）：284-289.

[2] 王曉娜.基于改進PID的恒溫控制軟件設計與實現[J].計算機仿真，2015，32（4）：371-374.

[3] 蔡金萍，李莉.基于改進PID算法的小區域溫度控制模型仿真[J].計算機仿真，2015，32（6）：237-240.

[4] 蔡成波，崔玉國，蔡永根，李勇.壓電微動平臺的改進PID控制[J].壓電與聲光，2015，38（3）：441-444.

[5] 任建華，謝建，張磊.含二級液壓缸舉升系統的改進PID 控制算法研究[J].液壓氣動與密封，2013，35（2）：50-52.

【通聯編輯：梁書】