改进PID算法在MTS控制系统中的应用

周挺

摘要：针对飞机结构强度试验中大迟滞、时变、非线性系统的控制问题，采用改进的PID算法实现系统优化控制;在MTS FlexTest 200控制系统中利用虚拟控制通道和在线回路计算功能编写改进的PID控制程序;以一惯性环节为控制仿真对象，对比常规PID控制和改进PID控制效果。结果表明：改进PID控制能有效减小系统的超调量和调节时间，抑制外界噪声干扰，较常规PID控制效果有明显提升。

关键词：飞机结构强度试验;改进PID算法;MTS FlexTest 200控制系统

中图分类号：TP273.4       文献标识码：B

文章编号：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

飞机结构强度试验通过对飞机结构施加载荷以模拟飞机在真实飞行使用过程中遇到的受载情况，是核准检验飞机结构设计与制造的重要途径[1]。MTS FlexTest 200控制系统集数据采集、伺服驱动、信号发生、计算机数字控制、数据显示与存储于一体，是飞机结构强度试验中的通用设备，其采用传统的PIDF（比例积分微分前馈）控制算法实现载荷、位移、压力、温度等物理量的计算机数字控制。传统PIDF控制方法具有原理简单、鲁棒性好、适应性强、易于整定、控制输出对被控对象的变化不敏感等优点，但当被控对象存在较大时变性、滞后性、非线性时，难以得到满意的控制效果[2-3]。本文提出PID控制算法的改进措施，在MTS FlexTest 200控制系统中利用虚拟通道和计算回路功能，通过通道设置、变量定义和算法编辑，屏蔽系统固有的PIDF控制算法，将改进的PID控制算法应用于系统中，通过系统仿真，验证算法的有效性。

1 常规PID控制

常规PID控制通过线性加权计算系统误差信号e（t）的比例、积分、微分控制量完成系统闭环控制，图1为常规PID控制原理图。

PID控制中，比例系数越大，系统稳态误差越小，响应速度越快，但过大比例系数会造成系统振荡;积分环节可消除稳态误差，但积分饱和会引起系统超调严重，系统调节时间变长;微分环节对偏差的变化产生超前控制，可加快系统的暂态响应过程，减小系统的超调量，但会引入噪声信号，使系统不稳定性加剧[4]。通过比例、积分、微分系数的优化适配，以获得满意的控制效果[5]。

2 改进的PID算法

2.1变速积分

普通PID控制算法中积分系数KI固定不变，积分作用没有考虑偏差的變化趋势，过大的积分系数会引起严重超调乃至振荡，甚至出现积分饱和现象，过小的积分系数使积分效果不明显，收敛时间长，对消除静差产生影响。采用变速积分来适应系统对积分环节的要求，根据偏差的大小来自动调整积分累加的速度，偏差越大，积分累加速度越慢，反之则越快。

由式（4）和式（5）可知，由于系数f（e（k））的加入，积分速度因误差的大小而变化，系统的自适应能力增强，误差小于e1时，积分累加速度与常规PID积分项相同，积分速度最大;误差大于e1且小于e2时，积分累加误差比例随误差增大而逐渐减小;误差大于e2时，积分停止累加误差。

2.2积分限幅

在变速积分的基础上，根据被控对象特性和控制响应需求，将积分项的输出uI（k）限制在限定值[umin，umax]之间，削弱积分项的作用程度。即：

2.3不完全微分

标准微分环节相当于给系统引入了一个高通滤波器，外界高频扰动经过微分环节后控制信号将显著增大，造成控制过程振荡;若控制对象存在长时间的滞后环节时，较大的微分控制输出将使输出失真。不完全微分是在微分项上增加低通滤波器，以此滤除高频干扰，降低外界噪声的影响。不完全微分UD（s）的输出表示为：

3 改进PID控制的应用

MTS FlexTest 200控制系统的计算回路以1024Hz的控制频率实现多输入输出通道的交叉引用与循环控制，合理设置虚拟通道可方便中间变量调用与逻辑运算功能的实现。

3.1通道设置

设置一个标准控制通道，输入输出都为虚拟通道通道，如图2所示，虚拟输入通道1设为反馈通道，由一惯性环节表示，如式（8）所示：

虛拟输入通道2为比例控制输出uP（k）;虚拟输入通达3为积分控制输出uI（k）;虚拟输入通道4为微分控制输出uD（k）;虚拟输入通道5为改进PID控制总输出u（k）;虚拟输出为系统常规PID控制输出。设置7个变量，定义为比例系数P、积分系数I、微分系数D、积分限幅值I_limit、变速积分中参数e1、e2、不完全微分中低通滤波器的时间常数Tf，用于参数的实时调试。设置4个数字开关信号，分别用来开闭比例、积分、微分及总控制输出。

3.2算法程序

由式（8）在虚拟输入通道1的计算回路编辑器中设置仿真对象，设Tf=100s，kf=20，T=1/1024s，程序如下：

realcon_temp;

real nor_PID;//系统固有PID控制

real opt_PID;//改进PID控制

//数字输出O1切换控制算法

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）分别计算改进PID控制输出，并在虚拟输入通道2、3、4的计算回路编辑器中编辑，程序如下：

虚拟输入通道2编辑器中程序：

realtemp，error;

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

temp = error *P;//P为比例系数

"output0" = temp;

虚拟输入通道3编辑器中程序：

realtemp，error，coefficient;

error = abs（（"C1 Command" - "C1 Input1"）/100）;//求误差绝对值

//变速积分

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为积分系数

//积分限幅，I_limit为积分限幅值

if（temp >= I_limit）temp = I_limit;

if（temp <= -I_limit）temp = -I_limit;

"output0" = temp;

虚拟输入通道4编辑器中程序：

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为微分系数，tf为低通滤波器的时间常数

olderror = error;

"output0" = temp;

根据式（1）、（3）在虚拟输入通道5计算改进PID总控制输出，程序如下：

real con_temp，con_P，con_I，con_D;

//数字输出DO2、DO3、DO4开闭PID输出

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;

所有程序都按系统控制刷新频率同时迭代运行。

4结果分析

对式（8）对象采用改进的PID进行控制，指令采用振幅为50%满度值的阶跃信号，在控制系统应用软件下运行仿真程序。分析变速积分的加入前后对控制效果的影响，系统控制参数由试凑法得到，分别为P=15，I=5，D=5，变速积分参数e1=0.1，e2=0.8，图3为常规PID控制曲线，图4为变速积分PID控制曲线，表1为常规PID控制和变速积分PID控制的超调量和调节时间对比，可以看到，变速积分PID控制较常规PID控制超调量更小，调节时间更短。

对式（8）对象加入随机扰动信号，对比加入不完全微分前后的控制效果，同样指令采用振幅为50%满度值的阶跃信号，不完全微分低通滤波器的时间常数Tf=0.04s，图5为未加入不完全微分的控制曲线，图6为加入不完全微分后的控制曲线，可以看到，加入不完全微分后控制过程平稳，系统超调得到抑制，控制性能得到明显提升。

5结论

1）针对飞机结构强度试验中存在的大迟滞、非线性对象的控制问题，改进PID算法较常规PID算法具有更强的抗干扰能力和更好的动静态控制性能

2）利用MTS FlexTest 200控制系统的虚拟通道和计算回路功能可将改进的PID控制应用于飞机结构强度试验中，提高试验控制品质。

参考文献：

[1] 韩凯，孙志强，冯建民，贺谦.飞机结构强度试验中声源定位技术的研究与验证[J].科学技术与工程，2017，17（19）：284-289.

[2] 王晓娜.基于改进PID的恒温控制软件设计与实现[J].计算机仿真，2015，32（4）：371-374.

[3] 蔡金萍，李莉.基于改进PID算法的小区域温度控制模型仿真[J].计算机仿真，2015，32（6）：237-240.

[4] 蔡成波，崔玉国，蔡永根，李勇.压电微动平台的改进PID控制[J].压电与声光，2015，38（3）：441-444.

[5] 任建华，谢建，张磊.含二级液压缸举升系统的改进PID 控制算法研究[J].液压气动与密封，2013，35（2）：50-52.

【通联编辑：梁书】