Pid控制系統(tǒng)抗積分飽和及抑制超調(diào)的智能積分方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種PID控制系統(tǒng)抗積分飽和及抑制超調(diào)的智能積分方法，步驟為：根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)定輸入值r(t)和系統(tǒng)的輸出值y(t)計(jì)算偏差信號(hào)值e(t)；判斷被控對(duì)象真實(shí)輸入信號(hào)是否存在測(cè)量值v(t)：當(dāng)被控對(duì)象真實(shí)輸入信號(hào)存在測(cè)量值v(t)時(shí)，依據(jù)控制器輸出的控制信號(hào)u(t)和測(cè)量值v(t)計(jì)算執(zhí)行器超限信號(hào)x(t)，當(dāng)被控對(duì)象真實(shí)輸入信號(hào)不存在測(cè)量值v(t)時(shí)，設(shè)置執(zhí)行器限制值；對(duì)積分的偏差信號(hào)，設(shè)置抗積分飽和參數(shù)α，以便消除因執(zhí)行器超限而引發(fā)的系統(tǒng)振蕩；對(duì)積分的偏差信號(hào)，設(shè)置抑制超調(diào)參數(shù)β，以便抑制由積分作用引起的系統(tǒng)階躍響應(yīng)超調(diào)。本發(fā)明不但能夠抗飽和、抑超調(diào)，而且不改變?cè)到y(tǒng)穩(wěn)定性，具有參數(shù)整定簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)，易于實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)、高精度快速控制。
【專利說明】PID控制系統(tǒng)抗積分飽和及抑制超調(diào)的智能積分方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及控制【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其涉及一種PID控制系統(tǒng)抗積分飽和及抑制超調(diào)的 智能積分方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 工業(yè)控制器設(shè)計(jì)的目的就是使被控對(duì)象按要求的指標(biāo)運(yùn)行，或者說使被控對(duì)象具 有期望響應(yīng)。在實(shí)際控制系統(tǒng)中，常常會(huì)存在各種各樣的限制，如，過程控制中溫度、壓力、 流量以及液位等有限制，電機(jī)系統(tǒng)中電壓、電流、轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速等有限制。此外，被控對(duì)象有時(shí) 需要從一種控制模式切換到另外一種控制模式，例如從手動(dòng)控制切換到自動(dòng)控制，負(fù)荷變 化時(shí)變模型控制以及變結(jié)構(gòu)控制等。由此引起控制器輸出并不等于被控對(duì)象實(shí)際輸入，控 制系統(tǒng)的響應(yīng)性能變差，這種現(xiàn)象被稱為飽和（Windup)現(xiàn)象。系統(tǒng)設(shè)計(jì)中不考慮這種非線 性因素影響時(shí)，易于使系統(tǒng)在給定大范圍突變時(shí)出現(xiàn)不能容忍的長(zhǎng)時(shí)間超調(diào)現(xiàn)象，甚至造 成系統(tǒng)不穩(wěn)定。
[0003] 比例積分微分（PID :Proportional、Integral and Derivative)控制器由于其調(diào) 節(jié)規(guī)律簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)，不需要準(zhǔn)確的被控對(duì)象數(shù)學(xué)模型，在工業(yè)過程中成為應(yīng)用最廣泛的 控制器。PID控制器中的積分作用可以消除靜差，但會(huì)使系統(tǒng)產(chǎn)生超調(diào)、積分飽和或積分失 控現(xiàn)象。
[0004] 防止積分飽和的最直觀方法就是停止或限制積分作用，即條件積分法。條件積分 方法針對(duì)由積分環(huán)節(jié)所引發(fā)飽和現(xiàn)象入手，直接明了，容易實(shí)現(xiàn)。但其參數(shù)選取往往針對(duì)某 一固定對(duì)象，一旦對(duì)象或系統(tǒng)參數(shù)發(fā)生變化，該方法不但不能抑制飽和現(xiàn)象，還會(huì)造成系統(tǒng) 的失控。
[0005] 另一方面，積分作用造成飽和現(xiàn)象的原因就是由于限幅使控制器的輸出與被控對(duì) 象的輸入不等，將二者之差作為反饋信號(hào)來抑制飽和現(xiàn)象的思想稱為抗飽和的反向計(jì)算 法。反向計(jì)算法采用線性反饋結(jié)構(gòu)，其設(shè)計(jì)思路清晰，易于實(shí)現(xiàn)，目前各類控制器抗飽和現(xiàn) 象的設(shè)計(jì)大多采用該方法。但是，該方法的難點(diǎn)在于補(bǔ)償系數(shù)選擇困難，無法找到保證穩(wěn)定 性和暫態(tài)性能的補(bǔ)償辦法。
[0006] 此外，線性矩陣不等式和不變橢球等數(shù)學(xué)理論在抗飽和領(lǐng)域也被廣泛應(yīng)用，但眾 多現(xiàn)有的工作都停留在理論階段，特別是所得到的抗飽和控制器結(jié)構(gòu)一般都復(fù)雜，很難在 實(shí)際的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)中應(yīng)用。
[0007] 因此，存在一種智能積分控制的需要，該智能積分控制不但能夠抗飽和、抑超調(diào)， 而且不改變?cè)到y(tǒng)穩(wěn)定性，具有參數(shù)整定簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)，易于實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)、高精度快 速控制。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中抗飽和與抑超調(diào)方法的參數(shù)確定復(fù)雜，甚至存在系統(tǒng)穩(wěn)定性問 題，提出一種既保證所得控制系統(tǒng)穩(wěn)定性，又不會(huì)因?yàn)閳?zhí)行器飽和而引發(fā)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)振蕩的 方法。
[0009] 本發(fā)明提供了一種PID控制系統(tǒng)抗積分飽和及抑制超調(diào)的智能積分方法，包括下 列步驟： 步驟一：根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)定輸入值r(i)和系統(tǒng)的輸出值_7(()計(jì)算偏差信號(hào)值di); 步驟二：判斷被控對(duì)象真實(shí)輸入信號(hào)是否存在測(cè)量值Κ?); 當(dāng)被控對(duì)象真實(shí)輸入信號(hào)存在測(cè)量值Κ?)時(shí)，依據(jù)控制器輸出的控制信號(hào)《(?)和被 控對(duì)象測(cè)量值Κ?)計(jì)算執(zhí)行器超限信號(hào)ζ(?)，進(jìn)入步驟三，當(dāng)被控對(duì)象真實(shí)輸入信號(hào)不存 在測(cè)量值Κ?)時(shí)，設(shè)置執(zhí)行器限制值，進(jìn)入步驟三； 步驟三：對(duì)積分的偏差信號(hào)，設(shè)置抗積分飽和參數(shù)〃，以便消除因執(zhí)行器超限而引發(fā) 的系統(tǒng)振湯； 步驟四：對(duì)積分的偏差信號(hào)，設(shè)置抑制超調(diào)參數(shù)，，以便抑制由積分作用引起的系統(tǒng) 階躍響應(yīng)超調(diào)； 步驟五：對(duì)積分運(yùn)算部分，設(shè)置積分作用限制值，在前述對(duì)偏差信號(hào)修正后運(yùn)算的積分 作用超限時(shí)，禁止積分值超限。
[0010] 進(jìn)一步的，被控對(duì)象真實(shí)輸入信號(hào)不存在測(cè)量值Κ?)時(shí)，執(zhí)行器超限信號(hào)ζ⑴由 下式確定：

【權(quán)利要求】
1. PID控制系統(tǒng)抗積分飽和及抑制超調(diào)的智能積分方法，其特征在于，包括下列步驟： 步驟一：根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)定輸入值r(i)和系統(tǒng)的輸出值_7(()計(jì)算偏差信號(hào)值di); 步驟二：判斷被控對(duì)象真實(shí)輸入信號(hào)是否存在測(cè)量值Κ?); 當(dāng)被控對(duì)象真實(shí)輸入信號(hào)存在測(cè)量值Κ?)時(shí)，依據(jù)控制器輸出的控制信號(hào)《(?)和被 控對(duì)象真實(shí)輸入值Κ?)計(jì)算執(zhí)行器超限信號(hào)ζ(?)，進(jìn)入步驟三，當(dāng)被控對(duì)象真實(shí)輸入信號(hào) 不存在測(cè)量值Κ?)時(shí)，設(shè)置執(zhí)行器限制值，進(jìn)入步驟三； 步驟三：對(duì)積分的偏差信號(hào)，設(shè)置抗積分飽和參數(shù)〃，以便消除因執(zhí)行器超限而引發(fā) 的系統(tǒng)振湯； 步驟四：對(duì)積分的偏差信號(hào)，設(shè)置抑制超調(diào)參數(shù)，，以便抑制由積分作用引起的系統(tǒng) 階躍響應(yīng)超調(diào)； 步驟五：對(duì)積分運(yùn)算部分，設(shè)置積分作用限制值，在前述對(duì)偏差信號(hào)修正后運(yùn)算的積分 作用超限時(shí)，禁止積分值超限。
2. 如權(quán)利要求1所述的PID控制系統(tǒng)抗積分飽和及抑制超調(diào)的智能積分方法，其特征 在于，步驟二中，被控對(duì)象真實(shí)輸入信號(hào)不存在測(cè)量值Κ?)時(shí)，執(zhí)行器超限信號(hào)ζ(?)由下 式確定：
其中，*#)為當(dāng)前時(shí)刻控制信號(hào)值，為當(dāng)前時(shí)刻限幅后的控制信號(hào)值，式0為執(zhí)行 器超限信號(hào)，
和
分別為所設(shè)置的執(zhí)行器的上、下限制值。
3. 如權(quán)利要求1所述的PID控制系統(tǒng)抗積分飽和及抑制超調(diào)的智能積分方法，其特征 在于，所述的消除執(zhí)行器超限引發(fā)的系統(tǒng)振蕩，對(duì)積分的偏差信號(hào)由偏差信號(hào)修正得到，抗 飽和修正系數(shù)由下式確定：
其中，ζ(?)為執(zhí)行器超限值，/(--)為抗積分飽和修正系數(shù)，〃為抗積分飽和參數(shù)。
4. 如權(quán)利要求1所述的PID控制系統(tǒng)抗積分飽和及抑制超調(diào)的智能積分方法，其特征 在于，所述的消除執(zhí)行器超限引發(fā)的系統(tǒng)振蕩，對(duì)積分的偏差信號(hào)由偏差信號(hào)修正得到，抗 飽和修正系數(shù)由下式確定：
其中，ζ(?)為執(zhí)行器超限值，/(--)為抗積分飽和修正系數(shù)，〃為抗積分飽和參數(shù)。
5. 如權(quán)利要求3或4所述的PID控制系統(tǒng)抗積分飽和及抑制超調(diào)的智能積分方法，其 特征在于，抗積分飽和修正系數(shù).
的取值范圍為數(shù)值區(qū)間[〇, 1]，抗積分飽和修正系 數(shù)隨ζ(?)絕對(duì)值的增大而減小，并且
6. 如權(quán)利要求1所述的PID控制系統(tǒng)抗積分飽和及抑制超調(diào)的智能積分方法，其特征 在于，所述的抑制由積分引起的系統(tǒng)階躍響應(yīng)超調(diào)，對(duì)積分的偏差信號(hào)由偏差信號(hào)修正得 至IJ，修正系數(shù)由下式確定：
其中，e(i)為偏差信號(hào)值為抑制超調(diào)修正系數(shù)，4為抑制超調(diào)參數(shù)。
7. 如權(quán)利要求1所述的PID控制系統(tǒng)抗積分飽和及抑制超調(diào)的智能積分方法，其特征 在于，所述的抑制由積分引起的系統(tǒng)階躍響應(yīng)超調(diào)，對(duì)積分的偏差信號(hào)由偏差信號(hào)修正得 至IJ，修正系數(shù)由下式確定：
其中，e(i)為偏差信號(hào)值為抑制超調(diào)修正系數(shù)，4為抑制超調(diào)參數(shù)。
8. 如權(quán)利要求6或7所述的PID控制系統(tǒng)抗積分飽和及抑制超調(diào)的智能積分方法，其 特征在于，抑制超調(diào)修正系數(shù)，
的取值范圍為數(shù)值區(qū)間[〇, 1]，修正系數(shù)隨e(i)的絕 對(duì)值的增大而減小，并且
9. 如權(quán)利要求1所述的PID控制系統(tǒng)抗積分飽和及抑制超調(diào)的智能積分方法，其特征 在于，所述的抗積分飽和與抑制階躍響應(yīng)超調(diào)，對(duì)積分的偏差信號(hào)由偏差信號(hào)修正得到，修 正系數(shù)由下式確定：
其中^⑴為執(zhí)行器超限值，e⑴為偏差信號(hào)值，/(--)為抗積分飽和修正系數(shù)，^(--) 為抑制超調(diào)修正系數(shù)，A (--)為抗飽和抑超調(diào)修正系數(shù)。
10. 如權(quán)利要求9所述的PID控制系統(tǒng)抗積分飽和及抑制超調(diào)的智能積分方法，其特征 在于，所述的抗積分飽和與抑制階躍響應(yīng)超調(diào)，對(duì)積分的偏差信號(hào)由偏差信號(hào)修正得到，抗 飽和抑超調(diào)修正系數(shù)
的取值范圍為數(shù)值區(qū)間[〇, 1]，隨ζ(?)和/或e(i)的絕對(duì) 值的增大而減小，A (0,0)=1。
【文檔編號(hào)】G05B13/04GK104252135SQ201410529586
【公開日】2014年12月31日 申請(qǐng)日期:2014年10月10日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月10日
【發(fā)明者】陳永會(huì), 譚功全 申請(qǐng)人:四川理工學(xué)院