Pid控制系统抗积分饱和及抑制超调的智能积分方法
【专利摘要】本发明公开了一种PID控制系统抗积分饱和及抑制超调的智能积分方法，步骤为：根据系统的设定输入值r(t)和系统的输出值y(t)计算偏差信号值e(t)；判断被控对象真实输入信号是否存在测量值v(t)：当被控对象真实输入信号存在测量值v(t)时，依据控制器输出的控制信号u(t)和测量值v(t)计算执行器超限信号x(t)，当被控对象真实输入信号不存在测量值v(t)时，设置执行器限制值；对积分的偏差信号，设置抗积分饱和参数α，以便消除因执行器超限而引发的系统振荡；对积分的偏差信号，设置抑制超调参数β，以便抑制由积分作用引起的系统阶跃响应超调。本发明不但能够抗饱和、抑超调，而且不改变原系统稳定性，具有参数整定简单的优点，易于实现控制系统的实时、高精度快速控制。
【专利说明】PID控制系统抗积分饱和及抑制超调的智能积分方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及控制【技术领域】，尤其涉及一种PID控制系统抗积分饱和及抑制超调的 智能积分方法。
【背景技术】
[0002] 工业控制器设计的目的就是使被控对象按要求的指标运行，或者说使被控对象具 有期望响应。在实际控制系统中，常常会存在各种各样的限制，如，过程控制中温度、压力、 流量以及液位等有限制，电机系统中电压、电流、转矩和转速等有限制。此外，被控对象有时 需要从一种控制模式切换到另外一种控制模式，例如从手动控制切换到自动控制，负荷变 化时变模型控制以及变结构控制等。由此引起控制器输出并不等于被控对象实际输入，控 制系统的响应性能变差，这种现象被称为饱和（Windup)现象。系统设计中不考虑这种非线 性因素影响时，易于使系统在给定大范围突变时出现不能容忍的长时间超调现象，甚至造 成系统不稳定。
[0003] 比例积分微分（PID :Proportional、Integral and Derivative)控制器由于其调 节规律简单，易于实现，不需要准确的被控对象数学模型，在工业过程中成为应用最广泛的 控制器。PID控制器中的积分作用可以消除静差，但会使系统产生超调、积分饱和或积分失 控现象。
[0004] 防止积分饱和的最直观方法就是停止或限制积分作用，即条件积分法。条件积分 方法针对由积分环节所引发饱和现象入手，直接明了，容易实现。但其参数选取往往针对某 一固定对象，一旦对象或系统参数发生变化，该方法不但不能抑制饱和现象，还会造成系统 的失控。
[0005] 另一方面，积分作用造成饱和现象的原因就是由于限幅使控制器的输出与被控对 象的输入不等，将二者之差作为反馈信号来抑制饱和现象的思想称为抗饱和的反向计算 法。反向计算法采用线性反馈结构，其设计思路清晰，易于实现，目前各类控制器抗饱和现 象的设计大多采用该方法。但是，该方法的难点在于补偿系数选择困难，无法找到保证稳定 性和暂态性能的补偿办法。
[0006] 此外，线性矩阵不等式和不变椭球等数学理论在抗饱和领域也被广泛应用，但众 多现有的工作都停留在理论阶段，特别是所得到的抗饱和控制器结构一般都复杂，很难在 实际的工业现场中应用。
[0007] 因此，存在一种智能积分控制的需要，该智能积分控制不但能够抗饱和、抑超调， 而且不改变原系统稳定性，具有参数整定简单的优点，易于实现控制系统的实时、高精度快 速控制。
【发明内容】
[0008] 针对现有技术中抗饱和与抑超调方法的参数确定复杂，甚至存在系统稳定性问 题，提出一种既保证所得控制系统稳定性，又不会因为执行器饱和而引发系统动态振荡的 方法。
[0009] 本发明提供了一种PID控制系统抗积分饱和及抑制超调的智能积分方法，包括下 列步骤： 步骤一：根据系统的设定输入值r(i)和系统的输出值_7(()计算偏差信号值di); 步骤二：判断被控对象真实输入信号是否存在测量值Κ?); 当被控对象真实输入信号存在测量值Κ?)时，依据控制器输出的控制信号《(?)和被 控对象测量值Κ?)计算执行器超限信号ζ(?)，进入步骤三，当被控对象真实输入信号不存 在测量值Κ?)时，设置执行器限制值，进入步骤三； 步骤三：对积分的偏差信号，设置抗积分饱和参数〃，以便消除因执行器超限而引发 的系统振汤； 步骤四：对积分的偏差信号，设置抑制超调参数，，以便抑制由积分作用引起的系统 阶跃响应超调； 步骤五：对积分运算部分，设置积分作用限制值，在前述对偏差信号修正后运算的积分 作用超限时，禁止积分值超限。
[0010] 进一步的，被控对象真实输入信号不存在测量值Κ?)时，执行器超限信号ζ⑴由 下式确定：
【权利要求】
1. PID控制系统抗积分饱和及抑制超调的智能积分方法，其特征在于，包括下列步骤： 步骤一：根据系统的设定输入值r(i)和系统的输出值_7(()计算偏差信号值di); 步骤二：判断被控对象真实输入信号是否存在测量值Κ?); 当被控对象真实输入信号存在测量值Κ?)时，依据控制器输出的控制信号《(?)和被 控对象真实输入值Κ?)计算执行器超限信号ζ(?)，进入步骤三，当被控对象真实输入信号 不存在测量值Κ?)时，设置执行器限制值，进入步骤三； 步骤三：对积分的偏差信号，设置抗积分饱和参数〃，以便消除因执行器超限而引发 的系统振汤； 步骤四：对积分的偏差信号，设置抑制超调参数，，以便抑制由积分作用引起的系统 阶跃响应超调； 步骤五：对积分运算部分，设置积分作用限制值，在前述对偏差信号修正后运算的积分 作用超限时，禁止积分值超限。
2. 如权利要求1所述的PID控制系统抗积分饱和及抑制超调的智能积分方法，其特征 在于，步骤二中，被控对象真实输入信号不存在测量值Κ?)时，执行器超限信号ζ(?)由下 式确定：
其中，*#)为当前时刻控制信号值，为当前时刻限幅后的控制信号值，式0为执行 器超限信号，
和
分别为所设置的执行器的上、下限制值。
3. 如权利要求1所述的PID控制系统抗积分饱和及抑制超调的智能积分方法，其特征 在于，所述的消除执行器超限引发的系统振荡，对积分的偏差信号由偏差信号修正得到，抗 饱和修正系数由下式确定：
其中，ζ(?)为执行器超限值，/(--)为抗积分饱和修正系数，〃为抗积分饱和参数。
4. 如权利要求1所述的PID控制系统抗积分饱和及抑制超调的智能积分方法，其特征 在于，所述的消除执行器超限引发的系统振荡，对积分的偏差信号由偏差信号修正得到，抗 饱和修正系数由下式确定：
其中，ζ(?)为执行器超限值，/(--)为抗积分饱和修正系数，〃为抗积分饱和参数。
5. 如权利要求3或4所述的PID控制系统抗积分饱和及抑制超调的智能积分方法，其 特征在于，抗积分饱和修正系数.
的取值范围为数值区间[〇, 1]，抗积分饱和修正系 数随ζ(?)绝对值的增大而减小，并且
6. 如权利要求1所述的PID控制系统抗积分饱和及抑制超调的智能积分方法，其特征 在于，所述的抑制由积分引起的系统阶跃响应超调，对积分的偏差信号由偏差信号修正得 至IJ，修正系数由下式确定：
其中，e(i)为偏差信号值为抑制超调修正系数，4为抑制超调参数。
7. 如权利要求1所述的PID控制系统抗积分饱和及抑制超调的智能积分方法，其特征 在于，所述的抑制由积分引起的系统阶跃响应超调，对积分的偏差信号由偏差信号修正得 至IJ，修正系数由下式确定：
其中，e(i)为偏差信号值为抑制超调修正系数，4为抑制超调参数。
8. 如权利要求6或7所述的PID控制系统抗积分饱和及抑制超调的智能积分方法，其 特征在于，抑制超调修正系数，
的取值范围为数值区间[〇, 1]，修正系数随e(i)的绝 对值的增大而减小，并且
9. 如权利要求1所述的PID控制系统抗积分饱和及抑制超调的智能积分方法，其特征 在于，所述的抗积分饱和与抑制阶跃响应超调，对积分的偏差信号由偏差信号修正得到，修 正系数由下式确定：
其中^⑴为执行器超限值，e⑴为偏差信号值，/(--)为抗积分饱和修正系数，^(--) 为抑制超调修正系数，A (--)为抗饱和抑超调修正系数。
10. 如权利要求9所述的PID控制系统抗积分饱和及抑制超调的智能积分方法，其特征 在于，所述的抗积分饱和与抑制阶跃响应超调，对积分的偏差信号由偏差信号修正得到，抗 饱和抑超调修正系数
的取值范围为数值区间[〇, 1]，随ζ(?)和/或e(i)的绝对 值的增大而减小，A (0,0)=1。
【文档编号】G05B13/04GK104252135SQ201410529586
【公开日】2014年12月31日 申请日期:2014年10月10日 优先权日:2014年10月10日
【发明者】陈永会, 谭功全 申请人:四川理工学院