本發(fā)明涉及一種電機(jī)控制方法，具體說(shuō)是一種用于電機(jī)控制的抗積分飽和控制方法。

背景技術(shù)：

在控制系統(tǒng)中，被控對(duì)象常存在各種各樣的限制，如電機(jī)控制系統(tǒng)中，電機(jī)會(huì)受到最大電流、最大轉(zhuǎn)矩或發(fā)熱等因素的限制，因此需要對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)矩或電流給定值進(jìn)行限幅。

對(duì)于采用PID控制器的電機(jī)控制系統(tǒng)，若在控制過(guò)程中，電機(jī)轉(zhuǎn)矩或電流已達(dá)到限幅值，但偏差仍沒(méi)有消除，此時(shí)由于積分作用，控制器運(yùn)算結(jié)果將繼續(xù)增大或減小，但電機(jī)已無(wú)相應(yīng)的動(dòng)作，使得控制器輸出與被控對(duì)象實(shí)際輸入不等，這種現(xiàn)象稱為積分飽和現(xiàn)象。積分飽和會(huì)使得系統(tǒng)超調(diào)變大，過(guò)渡時(shí)間變長(zhǎng)，閉環(huán)響應(yīng)變差，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)造成事故，因此在控制系統(tǒng)中需要采取合適的抗積分飽和算法。

眾多學(xué)者對(duì)抗積分飽和問(wèn)題進(jìn)行了研究。Lee S、林瑞全等人分別在《Closed－loop estimation of permanent magnet synchronous motor parameters by PI controller gain tuning》、《基于積分分離PID控制算法的神經(jīng)元控制器》等文獻(xiàn)中公開了積分分離的方法，即設(shè)置一個(gè)開關(guān)環(huán)節(jié)，當(dāng)控制器發(fā)生飽和限幅時(shí)，停止或限制控制器的積分作用，這種方法實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，但缺乏魯棒性，一旦系統(tǒng)產(chǎn)生變化，該方法不一定能有效抑制飽和現(xiàn)象；Eric L、丁懿等人分別在《Initial Evaluation of IETM Applicability to Schoolhouse and Worksite Training Functions》、《變速積分PID控制在磁懸浮軸承控制中的應(yīng)用和改進(jìn)》等文獻(xiàn)中提出了變速積分的思想，通過(guò)改變積分項(xiàng)的累加速度，使其與偏差大小相對(duì)應(yīng)，偏差大時(shí)，積分累積速度慢，偏差小時(shí)，積分累積速度快，積分作用可以隨著系統(tǒng)偏差的變化而動(dòng)態(tài)變化，但該方法會(huì)給系統(tǒng)帶來(lái)一定的擾動(dòng)，在控制結(jié)構(gòu)的切換點(diǎn)處，系統(tǒng)的輸出會(huì)出現(xiàn)跳躍；近年，PENG Youbin、翟存波等人分別在《Anti-windup，bumpless，and conditioned transfer techniques for PID controllers》、《一種直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)機(jī)側(cè)變流器矢量控制改進(jìn)方法研究》等文獻(xiàn)中提出了反計(jì)算跟蹤(back calculation and tracking)的算法，在帶限幅控制器的基礎(chǔ)上，引入了一個(gè)負(fù)反饋補(bǔ)償模塊至積分環(huán)節(jié)，用來(lái)保持或降低積分作用，該算法已在工程中得到應(yīng)用，但反計(jì)算跟蹤算法有一個(gè)明顯的缺點(diǎn)，補(bǔ)償參數(shù)需要人為配置，若參數(shù)配置不合理，則很難保證系統(tǒng)在所有運(yùn)行狀態(tài)下都有良好的響應(yīng)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題在于，為了克服現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷，在現(xiàn)有技術(shù)中反計(jì)算跟蹤算法的基礎(chǔ)上，提出了一種用于電機(jī)控制的抗積分飽和控制方法。與傳統(tǒng)的反計(jì)算跟蹤算法相比，本發(fā)明的算法可根據(jù)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)對(duì)補(bǔ)償參數(shù)自動(dòng)調(diào)節(jié)，避免了參數(shù)設(shè)置不當(dāng)時(shí)，可能會(huì)出現(xiàn)的超調(diào)或提前退飽和現(xiàn)象，提高了算法的自適應(yīng)性和系統(tǒng)的整體控制性能。

本發(fā)明的基本思路是：在現(xiàn)有PI控制器的基礎(chǔ)上，采用了限幅模塊和反計(jì)算跟蹤抗積分飽和控制算法，并根據(jù)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)補(bǔ)償系數(shù)，避免了傳統(tǒng)算法中采用的固定補(bǔ)償系數(shù)設(shè)置不合理時(shí)，可能導(dǎo)致的超調(diào)或提前退飽和問(wèn)題。首先，定義傳統(tǒng)PI控制器的參數(shù)，然后在現(xiàn)有PI控制器的基礎(chǔ)上，引入限幅模塊和反計(jì)算跟蹤抗積分飽和補(bǔ)償模塊，通過(guò)設(shè)置合適的補(bǔ)償系數(shù)，降低或保持積分項(xiàng)的輸出，使得PI控制器的輸出盡快地恢復(fù)到限幅值以內(nèi)。然后，在現(xiàn)有反計(jì)算跟蹤補(bǔ)償模塊的基礎(chǔ)上，定義積分飽和深度，并設(shè)定一個(gè)閾值常數(shù)，通過(guò)判斷積分飽和深度與閾值常數(shù)之間的關(guān)系，來(lái)自動(dòng)調(diào)節(jié)抗積分飽和補(bǔ)償系數(shù)的值，既保持了傳統(tǒng)算法的退飽和作用，又提高了傳統(tǒng)算法的適應(yīng)性和整體控制性能。

基于上述技術(shù)思路，本發(fā)明為實(shí)現(xiàn)發(fā)明目的提出的技術(shù)方案是：

一種用于電機(jī)控制的抗積分飽和控制方法，其步驟如下：

步驟1，確定PI控制器的原始輸出Un

首先，給定PI控制器的控制量ωr，然后測(cè)定反饋控制量ω，確定PI控制器的原始輸出Un：

其中：e為ωr與ω之間的偏差，K_p、T_i分別為PI控制器的比例系數(shù)和積分時(shí)間常數(shù)，U_p、U_i分別為比例控制器和積分控制器的輸出，S是復(fù)變量；

步驟2，給定PI控制器輸出的限幅值Us

a、若Un在限幅值以內(nèi)，Un-Us≤0，則Un不需要進(jìn)行抗積分飽和補(bǔ)償，此時(shí)PI控制器的最終輸出Un′為：

Un′＝Un (2)

b、若Un超出限幅值，Un-Us＞0，則轉(zhuǎn)入步驟3。

步驟3，設(shè)置補(bǔ)償系數(shù)K_c

首先，定義積分飽和深度e_u，e_u＝Un-Us，設(shè)定閾值常數(shù)α(α＞0，根據(jù)仿真結(jié)果，α取值范圍在0～0.5Us之間時(shí)，控制效果較好)，通過(guò)判斷積分飽和深度e_u與閾值常數(shù)α之間的關(guān)系，來(lái)自動(dòng)調(diào)節(jié)補(bǔ)償系數(shù)Kc的值。

當(dāng)0＜e_u＝u_n-u_s≤α?xí)r，即飽和深度在閾值以內(nèi)，補(bǔ)償系數(shù)采用傳統(tǒng)反計(jì)算跟蹤補(bǔ)償算法所設(shè)定的固定系數(shù)Kc，給積分控制器一個(gè)負(fù)反饋補(bǔ)償(-e_u*Kc)，使飽和深度e_u降低至0；

當(dāng)e_u＝u_n-u_s＞α?xí)r，PI控制器處于深度飽和狀態(tài)，此時(shí)應(yīng)調(diào)整補(bǔ)償系數(shù)Kc，使飽和深度e_u降低至閾值常數(shù)α，那么u_n＝u_s+α，則有如下關(guān)系：

可得到補(bǔ)償系數(shù)：

由于積分時(shí)間常數(shù)T_i的值一般較小，(K_pT_ie-T_iu_s-T_iα)＜＜K_pe，因此式(3)可近似為下式：

由此，可確定補(bǔ)償系數(shù)K_c的調(diào)節(jié)規(guī)則為：

步驟4，確定PI控制器抗積分飽和補(bǔ)償后的最終輸出Un′：

本發(fā)明方法，可根據(jù)飽和深度eu、偏差e對(duì)補(bǔ)償系數(shù)Kc進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)，即保持了傳統(tǒng)反計(jì)算跟蹤抗積分飽和補(bǔ)償算法的退飽和作用，又提高了傳統(tǒng)算法的適應(yīng)性和整體控制性能。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明方法中PI控制器及反計(jì)算跟蹤抗積分飽和補(bǔ)償模塊框圖。(圖中G是電機(jī)控制系統(tǒng)其它組成部分的傳遞函數(shù))

圖2是傳統(tǒng)算法中補(bǔ)償系數(shù)Kc取不同值時(shí)對(duì)控制效果的影響。

圖3是采用不同補(bǔ)償系數(shù)時(shí)，本發(fā)明方法與傳統(tǒng)方法的控制效果對(duì)比圖。其中，圖3(a)補(bǔ)償系數(shù)Kc較小時(shí)(Kc＝0.01)，圖3(b)補(bǔ)償系數(shù)Kc理想時(shí)(Kc＝0.013)，圖3(c)是補(bǔ)償系數(shù)Kc過(guò)大時(shí)(Kc＝0.037)。

圖4是閾值常數(shù)α取不同值時(shí)對(duì)控制效果的影響。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。

實(shí)施例：

選用永磁同步電機(jī)，額定功率P＝1kw，額定電流In＝5.3A，設(shè)定PI控制器的控制量ωr＝3000(rpm)，PI控制器的參數(shù)Kp＝160(rad/s)，Ti＝0.02(s)，給PI控制器輸出限幅，限幅值Us＝9.54(N·m)。

在Matlab中進(jìn)行仿真，在沒(méi)有閾值常數(shù)α的情況下，補(bǔ)償系數(shù)Kc分別為0.01、0.013、0.037時(shí)，得到的反饋控制量如圖2。

由圖2可見，補(bǔ)償系數(shù)Kc對(duì)控制效果影響較大。當(dāng)Kc設(shè)置合理時(shí)(Kc＝0.013)，飽和與退飽和作用相當(dāng)，算法可以較好地消除超調(diào)，系統(tǒng)有最為理想的響應(yīng)；當(dāng)Kc設(shè)置較小時(shí)(Kc＝0.01)，退飽和作用小，導(dǎo)致系統(tǒng)仍有一定超調(diào)；當(dāng)Kc設(shè)置過(guò)大時(shí)(Kc＝0.037)，退飽和作用過(guò)大，導(dǎo)致系統(tǒng)會(huì)出現(xiàn)提前退飽和現(xiàn)象，過(guò)渡時(shí)間變長(zhǎng)。

設(shè)置閾值常數(shù)α＝0.5Us，補(bǔ)償系數(shù)Kc分別為0.01、0.013、0.037時(shí)，本發(fā)明算法與傳統(tǒng)算法所得到的速度反饋如圖3(a)、(b)、(c)。

由圖3可見，傳統(tǒng)算法對(duì)所設(shè)置的補(bǔ)償系數(shù)Kc要求較高，Kc較小時(shí)，系統(tǒng)仍有超調(diào)，Kc較大時(shí)，系統(tǒng)產(chǎn)生提前退飽和現(xiàn)象，過(guò)渡時(shí)間變長(zhǎng)，且Kc值的設(shè)定范圍較寬，比較依賴人工經(jīng)驗(yàn)；而采用本發(fā)明的算法，補(bǔ)償系數(shù)Kc在一定范圍內(nèi)變化時(shí)，均能得到較理想的控制性能。

算法中所設(shè)置的閾值常數(shù)α取值相對(duì)比較容易，一般取值范圍在0～0.5Us之間，且取值在一定范圍內(nèi)變化時(shí)，對(duì)控制效果的影響也小于補(bǔ)償系數(shù)Kc變化時(shí)的影響，如圖4，算法的適應(yīng)性得到提高。

因此，采用本發(fā)明的算法，即保持了傳統(tǒng)算法的退飽和作用，又提高了傳統(tǒng)算法的適應(yīng)性和系統(tǒng)的整體控制性能。