[發明專利]PID控制系統抗積分飽和及抑制超調的智能積分方法

有效

• 申請號: 201410529586.0
• 申請日: 2014-10-10
• 公開（公告）號: CN104252135A
• 公開（公告）日: 2014-12-31
• 發明（設計）人: 陳永會;譚功全
• 申請（專利權）人: 四川理工學院
• 主分類號: G05B13/04
• 分類號: G05B13/04
• 代理公司: 成都九鼎天元知識產權代理有限公司 51214
• 代理人: 錢成岑

技術領域

本發明涉及控制技術領域，尤其涉及一種PID控制系統抗積分飽和及抑制超調的智能積分方法。

背景技術

工業控制器設計的目的就是使被控對象按要求的指標運行，或者說使被控對象具有期望響應。在實際控制系統中，常常會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，電機系統中電壓、電流、轉矩和轉速等有限制。此外，被控對象有時需要從一種控制模式切換到另外一種控制模式，例如從手動控制切換到自動控制，負荷變化時變模型控制以及變結構控制等。由此引起控制器輸出并不等于被控對象實際輸入，控制系統的響應性能變差，這種現象被稱為飽和（Windup）現象。系統設計中不考慮這種非線性因素影響時，易于使系統在給定大范圍突變時出現不能容忍的長時間超調現象，甚至造成系統不穩定。

比例積分微分（PID：Proportional、Integral?and?Derivative）控制器由于其調節規律簡單，易于實現，不需要準確的被控對象數學模型，在工業過程中成為應用最廣泛的控制器。PID?控制器中的積分作用可以消除靜差，但會使系統產生超調、積分飽和或積分失控現象。

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。條件積分方法針對由積分環節所引發飽和現象入手，直接明了，容易實現。但其參數選取往往針對某一固定對象，一旦對象或系統參數發生變化，該方法不但不能抑制飽和現象，還會造成系統的失控。

另一方面，積分作用造成飽和現象的原因就是由于限幅使控制器的輸出與被控對象的輸入不等，將二者之差作為反饋信號來抑制飽和現象的思想稱為抗飽和的反向計算法。反向計算法采用線性反饋結構，其設計思路清晰，易于實現，目前各類控制器抗飽和現象的設計大多采用該方法。但是，該方法的難點在于補償系數選擇困難，無法找到保證穩定性和暫態性能的補償辦法。

此外，線性矩陣不等式和不變橢球等數學理論在抗飽和領域也被廣泛應用，但眾多現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構一般都復雜，很難在實際的工業現場中應用。

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，而且不改變原系統穩定性，具有參數整定簡單的優點，易于實現控制系統的實時、高精度快速控制。

發明內容

針對現有技術中抗飽和與抑超調方法的參數確定復雜，甚至存在系統穩定性問題，提出一種既保證所得控制系統穩定性，又不會因為執行器飽和而引發系統動態振蕩的方法。

本發明提供了一種PID控制系統抗積分飽和及抑制超調的智能積分方法,包括下列步驟：?

步驟一：根據系統的設定輸入值r(t)和系統的輸出值y(t)計算偏差信號值e(t)；

步驟二：判斷被控對象真實輸入信號是否存在測量值v(t)；

當被控對象真實輸入信號存在測量值v(t)時，依據控制器輸出的控制信號u(t)和被控對象測量值v(t)計算執行器超限信號x(t)，進入步驟三，當被控對象真實輸入信號不存在測量值v(t)時，設置執行器限制值，進入步驟三；

步驟三：對積分的偏差信號，設置抗積分飽和參數α，以便消除因執行器超限而引發的系統振蕩；

步驟四：對積分的偏差信號，設置抑制超調參數β，以便抑制由積分作用引起的系統階躍響應超調；

步驟五：對積分運算部分，設置積分作用限制值，在前述對偏差信號修正后運算的積分作用超限時，禁止積分值超限。

進一步的，被控對象真實輸入信號不存在測量值v(t)時，執行器超限信號x(t)由下式確定：

其中，u(t)為當前時刻控制信號值，v(t)為當前時刻限幅后的控制信號值，x(t)為執行器超限信號，和分別為所設置的執行器的上、下限制值。

進一步的，所述的消除執行器超限引發的系統振蕩，對積分的偏差信號由偏差信號修正得到，抗飽和修正系數由下式確定：

,?

其中，x(t)為執行器超限值，f(??)為抗飽和修正系數，α為抗積分飽和參數。