一種新型的抗積分飽和pid控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于控制技術(shù)領(lǐng)域，具體而言涉及一種新型抗積分飽和的PID控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002]PID控制是比例⑵、積分⑴、微分⑶通過線性組合構(gòu)成PID控制量，對被控對象進行控制，由于算法簡單、魯棒性好、可靠性高，被廣泛應用于過程控制與運動控制系統(tǒng)中。而在實際的控制系統(tǒng)中，由于功率、能量等限制因素，控制量不可能無限輸出，又如被控對象的最大電壓、最大電流等參數(shù)限制，控制量必須被限制在合理范圍之內(nèi)。因此，必須對PID控制量進行設計如對限幅、增加抗積分飽和參數(shù)等，以保證系統(tǒng)的正常工作。
[0003]當系統(tǒng)誤差項持續(xù)存在且符號不變的時候，積分參數(shù)會使得積分項出現(xiàn)飽和現(xiàn)象，從而使得PID控制量達到限幅，而當誤差項改變符號時，積分項又較慢的退飽和，再次影響PID控制量，從而出現(xiàn)過沖或超調(diào)。
[0004]目前，防止積分飽和的最直觀方法就是從積分項入手，增加抑制積分飽和的參數(shù)，方法直接明了，易于實現(xiàn)。但其參數(shù)是針對特定被控對象選取的，受系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、參數(shù)等影響，適應性、魯棒性都比較差，甚至穩(wěn)定性方面也存在問題。
[0005]此外，類似專利CN201410529586-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CN201210019001-電機調(diào)速系統(tǒng)的抗飽和PID控制方法等提到增加抗積分飽和修正系數(shù)、模型、補償系數(shù)等方法，增加了 PID控制的復雜性，可靠性、穩(wěn)定性還需加強，而且不同被控對象依然無法達到自適應的要求。
[0006]因此，有必要提出一種直觀的、適應性強的PID控制方法，并可以提高或者不影響系統(tǒng)的魯棒性、可靠性、穩(wěn)定性等特性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]鑒于以上現(xiàn)有技術(shù)問題，本發(fā)明的目的在于提供一種新型的抗積分飽和PID控制方法，其在解決積分飽和問題的同時，可保證系統(tǒng)的魯棒性、可靠性和穩(wěn)定性。
[0008]為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案:
[0009]—種新型的抗積分飽和PID控制方法，包括下列步驟:
[0010]步驟一:通過系統(tǒng)的給定輸入值和輸出反饋值計算系統(tǒng)的誤差值；
[0011]步驟二:將系統(tǒng)的誤差值分別進行P、1、D參數(shù)計算，得到比例、積分、微分三個控制量，并將這三個控制量相加得到PID控制量；
[0012]步驟三:判斷PID控制量是否超出系統(tǒng)的限幅值，即是否出現(xiàn)飽和現(xiàn)象，如果未出現(xiàn)飽和現(xiàn)象轉(zhuǎn)入步驟四，如果出現(xiàn)飽和現(xiàn)象轉(zhuǎn)入步驟五；
[0013]步驟四:未出現(xiàn)飽和現(xiàn)象，將PID控制量作為最后的系統(tǒng)控制量；
[0014]步驟五:出現(xiàn)飽和現(xiàn)象，將系統(tǒng)的限幅值作為最后的系統(tǒng)控制量，并轉(zhuǎn)入步驟六；
[0015]步驟六:抗積分飽和環(huán)節(jié)，通過系統(tǒng)的限幅值減去當前比例控制量和微分控制量得到出現(xiàn)飽和現(xiàn)象時的積分控制量，防止積分控制量繼續(xù)飽和，以及快速的退出飽和現(xiàn)象。
[0016]進一步地，優(yōu)化所述步驟六的抗積分飽和環(huán)節(jié)，直接通過系統(tǒng)控制量減去當前比例控制量和微分控制量得到積分控制量，并且所述步驟四和所述步驟五執(zhí)行完成都轉(zhuǎn)入所述步驟六，即未出現(xiàn)飽和現(xiàn)象時積分控制量保持不變，出現(xiàn)飽和現(xiàn)象時積分控制量則是經(jīng)系統(tǒng)限幅的系統(tǒng)控制量計算得到的。
[0017]進一步地，所述步驟六中的抗積分飽和環(huán)節(jié)能與其他類型的PID控制進行結(jié)合以實現(xiàn)積分的飽和抑制與快速退飽和的效果。
[0018]采用上述方案后，本發(fā)明的有益效果在于:
[0019]1、抗積分飽和環(huán)節(jié)通過系統(tǒng)輸出控制量、比例控制量、微分控制量實現(xiàn)積分控制量的計算，方法簡單。
[0020]2、本發(fā)明方法有效抑制了積分控制量的飽和，減少輸出反饋的過沖，并加快退飽和速度達到快速響應。
[0021]3、本發(fā)明方法由于結(jié)構(gòu)簡單，不引進額外的控制參數(shù)，系統(tǒng)的魯棒性、可靠性、穩(wěn)定性等不會產(chǎn)生影響。
【附圖說明】
[0022]圖1為本發(fā)明實施例中離散形式的新型抗積分飽和PID控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。
[0023]圖2為傳統(tǒng)PID控制在階躍給定輸入下的系統(tǒng)輸出反饋和積分控制量變化圖。
[0024]圖3為本發(fā)明中新型抗積分飽和PID控制在階躍給定輸入下的系統(tǒng)輸出反饋和積分控制量變化圖。
【具體實施方式】
[0025]為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合說明書附圖并用離散形式的PID來具體實施，進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定，熟悉此技術(shù)的人士可由本說明書所揭露的內(nèi)容輕易地了解本發(fā)明的其他優(yōu)點及功效。
[0026]一種新型的抗積分飽和PID控制方法，以離散形式的PID為例，如圖1所示，具體實施步驟如下:
[0027]步驟一:在離散系統(tǒng)第k時刻，通過系統(tǒng)的給定輸入值Ref(k)和輸出反饋值Fdb(k)計算系統(tǒng)的誤差值e(k);
[0028]步驟二:比例控制量、積分控制量、微分控制量、PID控制量計算:
[0029]UP (k) = KP*e (k)
[0030]U:(k) = K^eC^^T+U^k-l)
[0031 ] UD (k) = KD* (e (k) -e (k_ 1)) /T
[0032]UPID (k) = UP (k) +U: (k) +UD (k)
[0033]其中，UP (k)、U: (k)、UD (k)分別為離散系統(tǒng)第k時刻的比例控制量、積分控制量、微分控制量，KpKdKd分別為P、1、D參數(shù)，T為控制周期，U: (k-Ι)為離散系統(tǒng)第k-Ι時刻的積分控制量，e(k-l)為離散系統(tǒng)第k-Ι時刻的誤差值，UPID(k)為離散系統(tǒng)第k時刻的PID控制量;
[0034]步驟三:判斷PID控制量UPID(k)是否超出系統(tǒng)的限幅值1]_或1]_，即是否出現(xiàn)飽和現(xiàn)象，如果未出現(xiàn)飽和現(xiàn)象轉(zhuǎn)入步驟四，如果出現(xiàn)飽和現(xiàn)象轉(zhuǎn)入步驟五；
[0035]步驟四:未出現(xiàn)飽和現(xiàn)象，將PID控制量作為最后的系統(tǒng)控制量:
[0036]U0UT (k) = UPID (k)
[0037]步驟五:出現(xiàn)飽和現(xiàn)象，將系統(tǒng)的限幅值作為最后的系統(tǒng)控制量，并轉(zhuǎn)入步驟六抗積分飽和環(huán)節(jié):
[0038]U0UT (k) = UMAX或 U 0UT (k) = UMIN
[0039]步驟六:抗積分飽和環(huán)節(jié)，通過系統(tǒng)的限幅值減去當前比例控制量和微分控制量得到出現(xiàn)飽和現(xiàn)象時的積分控制量:
[0040](k) = UMAX-UP (k) -UD (k)或 (k) = UMIN-UP (k) _UD (k)
[0041]進一步，可以寫成:(k)= U0UT(k) -UP (k) -UD(k)
[0042]而離散系統(tǒng)第k-1時刻:
[0043]U: (k~l) = U0UT (k~l)-Up (k~l)-UD (k~l)
[0044]其中，Up(k_l)、UD(k_l)分別為咼散系統(tǒng)第k_l時刻的比例控制量、微分控制量。
[0045]如圖2所示，傳統(tǒng)PID控制中所示輸出反饋Fdb在tl時刻達到飽和值UMAX，而此時積分控制量UP已超過飽和值UMAX，即出現(xiàn)過飽和現(xiàn)象，則輸出反饋需要更長時間來實現(xiàn)退飽和，如圖2中所示在t2時刻。
[0046]圖3所示是應用本發(fā)明方法的PID控制，從圖3中可知tl時刻輸出反饋Fdb未達到飽和值UMAX，其主要原因是積分控制量UP已通過抗積分飽和環(huán)節(jié)進行抑制，從圖3中可知積分控制量UP在控制過程中一直小于飽和值UMAX;另外，圖3中還可以看出輸出反饋值Fdb退出飽和的t2時刻相比圖2中的t2時刻提前了，系統(tǒng)快速達到穩(wěn)定狀態(tài)。
[0047]通過采用本發(fā)明的技術(shù)方案，其有益的效果在于:
[0048]1.抗積分飽和環(huán)節(jié)通過系統(tǒng)輸出控制量、比例控制量、微分控制量實現(xiàn)積分控制量的計算，方法簡單。
[0049]2.該方法有效抑制了積分控制量的飽和，減少輸出反饋的過沖，并加快退飽和速度達到快速響應。
[0050]3.該方法結(jié)構(gòu)簡單，不引進額外的控制參數(shù)，系統(tǒng)的魯棒性、可靠性、穩(wěn)定性等不會產(chǎn)生影響。
【主權(quán)項】
1.一種新型的抗積分飽和PID控制方法，其特征在于，包括下列步驟: 步驟一:通過系統(tǒng)的給定輸入值和輸出反饋值計算系統(tǒng)的誤差值； 步驟二:將系統(tǒng)的誤差值分別進行P、1、D參數(shù)計算，得到比例、積分、微分三個控制量，并將這三個控制量相加得到PID控制量； 步驟三:判斷PID控制量是否超出系統(tǒng)的限幅值，即是否出現(xiàn)飽和現(xiàn)象，如果未出現(xiàn)飽和現(xiàn)象轉(zhuǎn)入步驟四，如果出現(xiàn)飽和現(xiàn)象轉(zhuǎn)入步驟五； 步驟四:未出現(xiàn)飽和現(xiàn)象，將PID控制量作為最后的系統(tǒng)控制量； 步驟五:出現(xiàn)飽和現(xiàn)象，將系統(tǒng)的限幅值作為最后的系統(tǒng)控制量，并轉(zhuǎn)入步驟六；步驟六:抗積分飽和環(huán)節(jié)，通過系統(tǒng)的限幅值減去當前比例控制量和微分控制量得到出現(xiàn)飽和現(xiàn)象時的積分控制量，防止積分控制量繼續(xù)飽和，以及快速的退出飽和現(xiàn)象。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種新型的抗積分飽和PID控制方法，其特征在于:優(yōu)化所述步驟六的抗積分飽和環(huán)節(jié)，直接通過系統(tǒng)控制量減去當前比例控制量和微分控制量得到積分控制量，并且所述步驟四和所述步驟五執(zhí)行完成都轉(zhuǎn)入所述步驟六，即未出現(xiàn)飽和現(xiàn)象時積分控制量保持不變，出現(xiàn)飽和現(xiàn)象時積分控制量則是經(jīng)系統(tǒng)限幅的系統(tǒng)控制量計算得到的。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種新型的抗積分飽和PID控制方法，其特征在于:所述步驟六中的抗積分飽和環(huán)節(jié)能與其他類型的PID控制進行結(jié)合以實現(xiàn)積分的飽和抑制與快速退飽和的效果。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種新型抗積分飽和的PID控制方法，其在普通PID控制方法中加入抗積分飽和環(huán)節(jié)，當PID控制發(fā)生飽和時，抗積分飽和環(huán)節(jié)結(jié)合比例項和微分項計算出當前的積分項。這種方法實現(xiàn)簡單，沒有引進任何額外的參數(shù)，而且能有效抑制積分飽和，加快退飽和的時間，減少過沖，保證系統(tǒng)的魯棒性、可靠性和穩(wěn)定性。本發(fā)明方法可應用于各種變化形式的PID控制系統(tǒng)。
【IPC分類】G05B11/42
【公開號】CN105301957
【申請?zhí)枴緾N201510825095
【發(fā)明人】汪鳳翔, 柯棟梁, 黃東曉, 陶鵬, 于新紅
【申請人】泉州裝備制造研究所
【公開日】2016年2月3日
【申請日】2015年11月24日