本發明涉及pid控制技術領域，具體涉及一種改進的重復補償pid控制系統和系統構建方法。

背景技術：

很多導引頭光學艙采用直流伺服系統，要求跟蹤輸入指令快速無超調，控制回路性能指標高，抗擾動能力強等，這樣就對直流伺服系統提出了更高的要求，直流伺服系統具有結構簡單、重量輕，啟動力矩大，調速范圍寬，控制容易，維護方便等優點，在導引頭光學艙中得到了廣泛的應用。

常規pid控制器因其結構簡單，不需要對象的精確數學模型，易于操作、適用面廣等特點而得到了廣泛的應用，但魯棒性差，控制精度不高，適應能力較差，應用在伺服系統中，參數調整時間長，很難提高系統性能指標。因此需要改進常規pid控制算法，使其滿足伺服系統對穩定性的要求。

重復補償控制原理來源于內模原理，其原理指的是，如果參考信號的發生器包含在一個穩定的閉環系統中，被控輸出就能無誤差地跟蹤參考信號。inoue等人基于上述思想提出了重復補償控制理論，利用內膜原理，在穩定閉環系統內設置一個可以產生與參考輸入同周期的內部模型，從而使系統實現對外部周期參考信號的漸近跟蹤。重復補償控制系統框圖如圖1所示。

重復補償控制系統中，加到被控對象上面的輸入信號除了偏差信號之外，還疊加了上一周期同時刻的控制偏差，把上一次運行的偏差反映到現在，和當前的控制偏差疊加到一起對被控對象進行控制。如圖2所示。圖中r為輸入信號，y為系統輸出，u為控制器輸出，由于此系統中具有一個延時因子，因此它的開環傳遞函數在虛軸上含有無數個極點。所以系統對任何階輸入或干擾的系統誤差是漸近趨于零，魯棒性較強。

重復補償控制雖可以保證輸出精度跟蹤給定值，但它卻有2個缺點：由圖1可以看出，重復補償得到的控制指令并不是立即輸出，而是滯后一個參考周期才輸出。如果系統內部出現干擾，消除干擾對輸出的影響至少要一個參考周期。干擾出現后的一個周期內，系統對干擾并不產生調節作用，這一周期系統幾乎處于開環狀態，存在一個延遲因子、控制器在第一個周期里，沒有信號輸出。

可見，現有的重復補償pid控制方案會使伺服控制系統穩定回路調試時間增加。

技術實現要素：

有鑒于此，本發明提供了一種改進的重復補償pid控制系統和系統構建方法，可以優化伺服系統的參數，改善系統延時對控制系統的影響，而且伺服控制系統穩定回路的調試時間還不會增加。

為了解決上述技術問題，本發明是這樣實現的：

一種改進的重復補償pid控制系統，在重復補償pid控制器的延時環節所在支路上串聯第二pid控制器，且位于延時環節之前；將第二pid控制器的pid參數設置為與所述重復補償pid控制器的pid參數相同。

優選地，在兩個pid控制器的pid參數被設置為相同的基礎上，進一步對兩個pid控制器進行參數微調。

本發明還提供了一種改進的重復補償pid控制系統的構建方法，包括如下步驟：

步驟一、構建傳統的重復補償pid控制器，通過優化pid參數和延時環節參數，調試系統的穩定指標，并根據系統所需的頻率在保證系統穩定精度的基礎上調節跟蹤誤差的頻率；

步驟二、在延時環節所在支路上增加第二pid控制器，且位于延時環節之前，第二pid控制器的pid參數與步驟一構建的pid控制器的pid參數相同，從而在實現延時控制的基礎上，改善跟蹤精度和響應時間。

優選地，所述步驟一包括如下兩個步驟：

步驟101：在閉環控制系統中采用pid控制器，通過優化pid參數，調試系統的穩定指標；

步驟102：在步驟101構建的pid控制器基礎上增加與pid控制器并列的延時環節，根據系統所需的頻率，在保證系統穩定精度的基礎上調節跟蹤誤差的頻率。

優選地，該方法進一步包括步驟三：微調兩路pid控制器的參數，可以調節為不同數值，從而獲得更加優化的系統性能指標。

有益效果：

(1)為了解決重復補償控制滯后輸出和干擾延時的缺點，同時為了使系統的控制性能得到提高，本發明在重復補償延時環節前再增加一個pid控制器，對延時環節做出補償，從而消除輸出周期性的跟蹤誤差，減小系統在負載下的輸出畸變。

(2)該增加的pid控制器并非與原有的pid控制器獨立，而是參數相同的pid控制器。常規pid進行參數補償時，調節一個參數，同時影響隔離度和系統幅頻特性，尋找最優參數比較困難。改進重復補償pid控制中具有兩路pid補償，兩路pid具有相同參數，在保證系統穩定特性，提高跟蹤精度和響應時間的同時，不增加調節變量，從而減少了pid參數調整的困難和所需時間。

(3)當系統性能指標需要微調時，可通過調節系統的延時環節前的比例環節實現，方法簡單，易于實現。

附圖說明

圖1為常規pid控制算法原理框圖。

圖2為重復補償pid控制算法原理框圖。

圖3為改進重復補償的pid控制系統框圖。

圖4為常規pid控制器仿真框圖。

圖5為導引頭光學艙直流伺服系統重復補償pid控制方位軸仿真圖框圖。

圖6為導引頭光學艙直流伺服系統改進重復補償pid控制方位軸仿真圖框圖。

圖7為常規pid控制器跟蹤誤差曲線(跟蹤誤差幅值為0.037)。

圖8為重復補償pid控制器跟蹤誤差曲線(跟蹤誤差幅值為0.035)。

圖9為改進重復補償pid控制器跟蹤誤差曲線(跟蹤誤差幅值為0.025)。

圖10為普通pid控制器階越響應曲線超調量為1.41，響應時間為0.1s。

圖11為重復補償pid控制器超調量1.4，響應時間為0.13s。

圖12為改進重復補償pid控制器超調量1.48，響應時間為0.07s。

圖13為普通pid控制器幅頻特性曲線帶寬32hz，相角裕度65°，幅值裕度9.41。

具體實施方式

針對直流伺服系統用常規pid控制方法，調節參數周期長，系統精度難以提高的缺點，本發明提出了一種基于重復補償的pid控制方案。該方案對重復補償控制結構進行了改進。改進后的控制方案在保證系統性能指標的同時，縮短了參數調節周期，提高了系統隔離擾動的精度。

本發明所提供的控制方案在導引頭光學艙上有著比較好的應用前景。本實施例就以某光學艙的直流電機作為控制對象，如圖2所示，該系統采用陀螺敏感控制對象的當前位置，進行反饋。pid控制器的輸入為給定量r與控制對象的反饋量y的差值，該差值還輸入到延時環節，pid控制器與延時環節的輸出疊加后作為控制對象的輸入。

針對該光學艙的直流電機進行仿真，通過矢量解耦，簡化后得到的直流伺服系統的開環傳遞函數為：

陀螺開環傳遞函數為：

下文的仿真均以上述兩個傳遞函數為基礎。

如圖3所示，本發明在該重復補償pid控制系統的延時環節所在支路上進一步串聯另一個pid控制器，該pid控制器與原pid控制器的pid參數設置為相同，且位于延時環節之前。該改進的重復補償數字pid控制系統的構建和參數優化過程為：

步驟101、搭建常規pid控制器

在控制系統中采用pid控制器，通過優化pid參數，調試系統的穩定指標，原理框圖如圖1所示，仿真框圖如圖4所示，系統跟蹤誤差仿真曲線如圖7所示，系統階越響應曲線如圖10所示，系統幅頻特性曲線如圖13所示。

步驟102、加入延時環節，形成重復補償pid控制算法

在步驟101構建的常規pid控制器基礎上增加與pid控制器并列的延時環節，根據系統所需的頻率，在保證系統穩定精度的基礎上調節跟蹤誤差的頻率。原理框圖如圖2所示，仿真框圖如圖5所示，系統跟蹤誤差仿真曲線如圖8所示，系統階越響應曲線如圖11所示。

本實施例先優化pid參數再加入延時環節優化延時環節參數是為了減少優化難度。在實際中也可以同時進行優化。

步驟103、改進重復補償數字pid控制器

在延時環節前增加第二pid控制器，保證控制器兩個pid相同參數，從而在實現延時控制的基礎上，有效改善跟蹤精度和響應時間。原理框圖如圖3所示，仿真框圖如圖6所示，系統跟蹤誤差仿真曲線如圖9所示，系統階越響應曲線如圖12所示。

步驟104、微調兩路pid控制器

微調兩路pid控制器的參數，可以調節為不同數值，從而獲得更加優化的系統性能指標。

從仿真結果可以看出，伺服系統在改進重復補償pid控制下，響應與參考信號的誤差小，改進重復補償pid控制器，系統的性能指標較好，系統超調時間短，超調量小。

pid控制器主要是對輸出跟蹤誤差進行實時的控制，減小不確定的干擾造成的輸出畸變。當系統處在穩態時，重復補償控制器起主要的調節作用，使得穩態下輸出能很好的跟蹤參考信號；當系統出現比較大的瞬態干擾時，pid控制會起到比較大的作用，調節輸出信號，使跟蹤誤差迅速減小，這樣就形成了基于重復補償的pid控制結構。采用本發明提供的改進重復補償pid控制算法構建的pid控制系統，具有結構簡單，設計合理和控制精度高等優點。

綜上所述，以上僅為本發明的較佳實施例而已，并非用于限定本發明的保護范圍。凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。