具有積分飽和預(yù)處理功能的pid控制方法
【專利摘要】本發(fā)明所述的具有積分飽和預(yù)處理功能的PID控制方法對(duì)系統(tǒng)階躍響應(yīng)的過渡過程進(jìn)行分析，按照給定值與反饋量之間的誤差和被控量的變化率，提供具有積分飽和預(yù)測(cè)功能的PID控制方法，按照不同情況對(duì)積分累計(jì)值進(jìn)行不同的處理，以徹底消除積分飽和現(xiàn)象，使系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性均達(dá)到非常好的控制效果，而且具有很好的抗干擾能力。
【專利說明】具有積分飽和預(yù)處理功能的PID控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及工業(yè)控制的PID控制領(lǐng)域，更具體地，涉及一種具有積分飽和預(yù)處理功能的PID控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002]PID控制方法是在過程控制中應(yīng)用最廣泛的一種控制規(guī)律，在PID的控制規(guī)律中具有三個(gè)系數(shù):比例系數(shù)kp、積分系數(shù)Ki和微分系數(shù)Kd。該比例系數(shù)kp的作用是加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度，提高系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度:比例系數(shù)kp過大則易產(chǎn)生超調(diào)；比例系數(shù)kp過小則會(huì)降低調(diào)節(jié)精度，使得響應(yīng)速度減慢，從而延長了調(diào)節(jié)時(shí)間。積分系數(shù)Ki的作用是消除系統(tǒng)的靜態(tài)誤差:積分系數(shù)1過大，在響應(yīng)過程的初期會(huì)產(chǎn)生積分飽和現(xiàn)象，從而引起響應(yīng)過程的較大超調(diào)；積分系數(shù)K1過小將使系統(tǒng)靜態(tài)誤差難以消除，影響系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度。微分系數(shù)Kd的作用是改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特征，在響應(yīng)過程中抑制偏差向任何方向變化，對(duì)偏差變化進(jìn)行提前預(yù)報(bào):微分系數(shù)&過大會(huì)使得響應(yīng)過程提前制動(dòng)，從而延長調(diào)節(jié)時(shí)間，而且降低系統(tǒng)的抗干擾性能。
[0003]參考圖1這樣的一種反饋系統(tǒng)，假如給定參考信號(hào)205 —個(gè)大的階躍，比執(zhí)行器202達(dá)到飽和值的輸入還要大得多。積分器208繼續(xù)對(duì)誤差206做積分運(yùn)算，PID控制器201輸出207持續(xù)增大。然而，受控對(duì)象的輸入203被限制在執(zhí)行器202輸出最大值，所以誤差206依然很大，直到受控對(duì)象203的輸出204超出參考值205，誤差值206改變符號(hào)。如果飽和持續(xù)很長一段時(shí)間，PID控制器輸出207可能變得很大，這將導(dǎo)致一個(gè)相當(dāng)大的負(fù)誤差206，產(chǎn)生很差的瞬態(tài)響應(yīng)。
[0004]從上述針對(duì)PID控制器的示范例中可以看出，由于積分環(huán)節(jié)的存在，如果不做相應(yīng)的處理，很容易導(dǎo)致積分飽和現(xiàn)象。
[0005]積分飽和一般出現(xiàn)在下面一些情況:當(dāng)偏差產(chǎn)生躍變時(shí)，位置型PID算式的輸出將急劇增大或減小，有可能超過執(zhí)行機(jī)構(gòu)的上(下)限，而此時(shí)執(zhí)行機(jī)構(gòu)只能工作在上限；系統(tǒng)輸出需要很長時(shí)間才達(dá)到給定值，在這段時(shí)間內(nèi)算式的積分項(xiàng)將產(chǎn)生一個(gè)很大的積累值；當(dāng)系統(tǒng)輸出超過給定值后，偏差反向，但由于大的積分積累值，控制量需要相當(dāng)一段時(shí)間脫離飽和區(qū)。因此引起系統(tǒng)產(chǎn)生大幅度超調(diào)，導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定。
[0006]因此，所謂積分飽和現(xiàn)象是指如果系統(tǒng)存在一個(gè)方向的偏差，PID控制器的輸出由于積分作用的不斷累加而加大，從而導(dǎo)致控制器輸出u (k)達(dá)到極限位置。此后若控制器輸出繼續(xù)增大，u(k)也不會(huì)再增大，即系統(tǒng)輸出超出正常運(yùn)行范圍而進(jìn)入了飽和區(qū)。一旦出現(xiàn)反向偏差，U(k)逐漸從飽和區(qū)退出。進(jìn)入飽和程度愈深則退飽和時(shí)間愈長。此段時(shí)間內(nèi)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)仍停留在極限位置而不能隨著偏差反向立即做出相應(yīng)的改變，這時(shí)系統(tǒng)就像失去控制一樣，造成控制性能惡化。這種現(xiàn)象稱為積分飽和現(xiàn)象或積分失控現(xiàn)象。
[0007]目前工業(yè)上常用的克服積分飽和現(xiàn)象的方法主要有積分分離法、條件積分法、變速積分PID控制控制方法、超限削弱積分法以及有效偏差法。
[0008]以積分分離法為例，積分分離式PID控制方法的基本思想是:當(dāng)被控量與設(shè)定值偏差較大時(shí)，取消積分的作用，以免由于積分作用使系統(tǒng)穩(wěn)定性降低，超調(diào)量增大；當(dāng)被控量接近給定值時(shí)，引入積分控制，以便消除靜差，提高控制精度。
[0009]發(fā)明專利申請(qǐng)?zhí)枮?01210097715.4的名稱為“改進(jìn)的積分分離式PID控制方法”提出了一種改進(jìn)的積分分離式PID控制方法，設(shè)置了理論輸出值的上限值和下限值，防止出現(xiàn)過大或者過小的控制量，即使出現(xiàn)積分飽和的現(xiàn)象，由于積分累計(jì)較小，也能較快地退出超調(diào)，從而增強(qiáng)了超調(diào)的響應(yīng)速度并且減少了超調(diào)，并且提供了兩個(gè)理論輸出值之間的差值，提供了系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度。但是依然存在退出超調(diào)的響應(yīng)速度慢，無法實(shí)現(xiàn)正反向調(diào)節(jié)以及調(diào)節(jié)精度不高等問題。
[0010]以條件積分法為例，條件積分方法具備一個(gè)開關(guān)環(huán)節(jié)，當(dāng)系統(tǒng)控制器發(fā)生限幅飽和時(shí)，停止或者限制PID控制器的積分作用，這一類方法可以歸結(jié)為非線性結(jié)構(gòu)的抗飽和控制方法，需要在控制過程中考慮控制輸入飽和和非線性特性，通過改變控制器的結(jié)構(gòu)使之能夠全局穩(wěn)定。這種條件積分方法實(shí)現(xiàn)簡單，但是積分作用的限制值不容易掌握。
[0011]發(fā)明專利申請(qǐng)?zhí)枮?01210019001.1的名稱為“電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的抗飽和PID控制方法”針對(duì)現(xiàn)有抗飽和PID控制器對(duì)于不同控制輸入條件缺乏魯棒性的不足，提出了一種基于積分狀態(tài)預(yù)測(cè)的抗飽和PID控制方法，通過對(duì)控制誤差分別進(jìn)行比例運(yùn)算、積分運(yùn)算和微分運(yùn)算后的結(jié)果進(jìn)行累加作為控制器輸出，但是對(duì)不同的系統(tǒng)條件缺乏魯棒性。
[0012]上述幾種方法盡管能夠在一定程度上減少積分飽和程度，但是不能從根本上加以消除，同時(shí)對(duì)改善穩(wěn)態(tài)性能指標(biāo)和動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)之間的矛盾并沒有明顯的效果。因而，針對(duì)目前工業(yè)上對(duì)控制效果要求的日益嚴(yán)格，如想實(shí)現(xiàn)快速無超調(diào)的控制，還需要在積分飽和預(yù)處理方面進(jìn)行相應(yīng)的改進(jìn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0013]本發(fā)明提供一種具有積分飽和預(yù)處理功能的PID控制方法，其特征在于，所述方法對(duì)積分項(xiàng)進(jìn)行預(yù)處理，將每個(gè)采樣時(shí)刻的偏差值乘以系數(shù)δ，用Sum表示前k-1次的誤差
與系數(shù)δ乘積的累積和，即
【權(quán)利要求】
1.具有積分飽和預(yù)處理功能的PID控制方法，其特征在于，所述方法對(duì)積分項(xiàng)進(jìn)行預(yù)處理，將每個(gè)采樣時(shí)刻的偏差值乘以系數(shù)δ，用Sum表示前k-Ι次的誤差與系數(shù)δ乘積的累積和，即
2.如權(quán)利要求1所述的具有積分飽和預(yù)處理功能的PID控制方法，其特征在于，過程反饋量變化率為
3.如權(quán)利要求2所述的具有積分飽和預(yù)處理功能的PID控制方法，其特征在于，當(dāng)所述過程反饋量變化率d_y=0且I error (k) =dead_error (k)時(shí),積分累積值取上一采樣時(shí)刻的值，即 Sum=Sum。
4.如權(quán)利要求2所述的具有積分飽和預(yù)處理功能的PID控制方法，其特征在于，當(dāng)所述過程反饋量變化率d_y>0, error (k) >dead_error (k)且Κ〈 ε時(shí),積分累積值取上一采樣時(shí)刻值加上誤差乘以系數(shù)κ，即Sum=Sum+K error (k)。
5.如權(quán)利要求2所述的具有積分飽和預(yù)處理功能的PID控制方法，其特征在于，當(dāng)所述過程反饋量變化率d_y>0、error (k)>dead_error(k)且K〉= ε時(shí),積分累積值取上一采樣時(shí)刻值乘以小于I的系數(shù)rI，即Sum= n Sum。
6.如權(quán)利要求2所述的具有積分飽和預(yù)處理功能的PID控制方法，其特征在于，當(dāng)所述過程反饋量變化率d_y>0、error (k)〈=_dead_error(k)且d_y> Y時(shí)，積分累積值取上一采樣時(shí)刻值加上誤差乘以系數(shù)β，即Sum=Sum+β error (k)。
7.如權(quán)利要求2所述的具有積分飽和預(yù)處理功能的PID控制方法，其特征在于，當(dāng)所述過程反饋量變化率d_y>0、error (k)〈=_dead_error(k)且d_y〈= Y時(shí)，積分累積值取上一采樣時(shí)刻值加上誤差乘以α，即Sum=Sum+a error (k)。
8.如權(quán)利要求2所述的具有積分飽和預(yù)處理功能的PID控制方法，其特征在于，當(dāng)所述過程反饋量變化率d_y〈=0、error (k) >dead_error (k)且d_y〈- Y時(shí),積分累積值取上一采樣時(shí)刻值加上誤差乘以β，即Sum=Sum+β error (k)。
9.如權(quán)利要求2所述的具有積分飽和預(yù)處理功能的PID控制方法，其特征在于，當(dāng)所述過程反饋量變化率d_y〈=0、error (k)>dead_error(k)且d_y>=_ Y時(shí)，積分累積值取上一采樣時(shí)刻值加上誤差乘以α，即Sum=Sum+a error (k)。
10.如權(quán)利要求2所述的具有積分飽和預(yù)處理功能的PID控制方法，其特征在于，當(dāng)所述過程反饋量變化率d_y〈0且error (k)〈dead_error (k)時(shí),積分累積值取上一采樣時(shí)刻值，即 Sum=Sum。
【文檔編號(hào)】G05B11/42GK103838139SQ201410070621
【公開日】2014年6月4日 申請(qǐng)日期:2014年2月28日 優(yōu)先權(quán)日:2014年2月28日
【發(fā)明者】錢琳琳, 張益農(nóng), 王德政 申請(qǐng)人:北京聯(lián)合大學(xué)