一种用于电机控制的抗积分饱和控制方法与流程

本发明涉及一种电机控制方法，具体说是一种用于电机控制的抗积分饱和控制方法。

背景技术：

在控制系统中，被控对象常存在各种各样的限制，如电机控制系统中，电机会受到最大电流、最大转矩或发热等因素的限制，因此需要对电机转矩或电流给定值进行限幅。

对于采用PID控制器的电机控制系统，若在控制过程中，电机转矩或电流已达到限幅值，但偏差仍没有消除，此时由于积分作用，控制器运算结果将继续增大或减小，但电机已无相应的动作，使得控制器输出与被控对象实际输入不等，这种现象称为积分饱和现象。积分饱和会使得系统超调变大，过渡时间变长，闭环响应变差，严重时还会造成事故，因此在控制系统中需要采取合适的抗积分饱和算法。

众多学者对抗积分饱和问题进行了研究。Lee S、林瑞全等人分别在《Closed－loop estimation of permanent magnet synchronous motor parameters by PI controller gain tuning》、《基于积分分离PID控制算法的神经元控制器》等文献中公开了积分分离的方法，即设置一个开关环节，当控制器发生饱和限幅时，停止或限制控制器的积分作用，这种方法实现简单，但缺乏鲁棒性，一旦系统产生变化，该方法不一定能有效抑制饱和现象；Eric L、丁懿等人分别在《Initial Evaluation of IETM Applicability to Schoolhouse and Worksite Training Functions》、《变速积分PID控制在磁悬浮轴承控制中的应用和改进》等文献中提出了变速积分的思想，通过改变积分项的累加速度，使其与偏差大小相对应，偏差大时，积分累积速度慢，偏差小时，积分累积速度快，积分作用可以随着系统偏差的变化而动态变化，但该方法会给系统带来一定的扰动，在控制结构的切换点处，系统的输出会出现跳跃；近年，PENG Youbin、翟存波等人分别在《Anti-windup，bumpless，and conditioned transfer techniques for PID controllers》、《一种直驱永磁风力发电机机侧变流器矢量控制改进方法研究》等文献中提出了反计算跟踪(back calculation and tracking)的算法，在带限幅控制器的基础上，引入了一个负反馈补偿模块至积分环节，用来保持或降低积分作用，该算法已在工程中得到应用，但反计算跟踪算法有一个明显的缺点，补偿参数需要人为配置，若参数配置不合理，则很难保证系统在所有运行状态下都有良好的响应。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题在于，为了克服现有技术存在的缺陷，在现有技术中反计算跟踪算法的基础上，提出了一种用于电机控制的抗积分饱和控制方法。与传统的反计算跟踪算法相比，本发明的算法可根据系统运行状态对补偿参数自动调节，避免了参数设置不当时，可能会出现的超调或提前退饱和现象，提高了算法的自适应性和系统的整体控制性能。

本发明的基本思路是：在现有PI控制器的基础上，采用了限幅模块和反计算跟踪抗积分饱和控制算法，并根据系统运行状态，实时调节补偿系数，避免了传统算法中采用的固定补偿系数设置不合理时，可能导致的超调或提前退饱和问题。首先，定义传统PI控制器的参数，然后在现有PI控制器的基础上，引入限幅模块和反计算跟踪抗积分饱和补偿模块，通过设置合适的补偿系数，降低或保持积分项的输出，使得PI控制器的输出尽快地恢复到限幅值以内。然后，在现有反计算跟踪补偿模块的基础上，定义积分饱和深度，并设定一个阈值常数，通过判断积分饱和深度与阈值常数之间的关系，来自动调节抗积分饱和补偿系数的值，既保持了传统算法的退饱和作用，又提高了传统算法的适应性和整体控制性能。

基于上述技术思路，本发明为实现发明目的提出的技术方案是：

一种用于电机控制的抗积分饱和控制方法，其步骤如下：

步骤1，确定PI控制器的原始输出Un

首先，给定PI控制器的控制量ωr，然后测定反馈控制量ω，确定PI控制器的原始输出Un：

其中：e为ωr与ω之间的偏差，K_p、T_i分别为PI控制器的比例系数和积分时间常数，U_p、U_i分别为比例控制器和积分控制器的输出，S是复变量；

步骤2，给定PI控制器输出的限幅值Us

a、若Un在限幅值以内，Un-Us≤0，则Un不需要进行抗积分饱和补偿，此时PI控制器的最终输出Un′为：

Un′＝Un (2)

b、若Un超出限幅值，Un-Us＞0，则转入步骤3。

步骤3，设置补偿系数K_c

首先，定义积分饱和深度e_u，e_u＝Un-Us，设定阈值常数α(α＞0，根据仿真结果，α取值范围在0～0.5Us之间时，控制效果较好)，通过判断积分饱和深度e_u与阈值常数α之间的关系，来自动调节补偿系数Kc的值。

当0＜e_u＝u_n-u_s≤α时，即饱和深度在阈值以内，补偿系数采用传统反计算跟踪补偿算法所设定的固定系数Kc，给积分控制器一个负反馈补偿(-e_u*Kc)，使饱和深度e_u降低至0；

当e_u＝u_n-u_s＞α时，PI控制器处于深度饱和状态，此时应调整补偿系数Kc，使饱和深度e_u降低至阈值常数α，那么u_n＝u_s+α，则有如下关系：

可得到补偿系数：

由于积分时间常数T_i的值一般较小，(K_pT_ie-T_iu_s-T_iα)＜＜K_pe，因此式(3)可近似为下式：

由此，可确定补偿系数K_c的调节规则为：

步骤4，确定PI控制器抗积分饱和补偿后的最终输出Un′：

本发明方法，可根据饱和深度eu、偏差e对补偿系数Kc进行实时调节，即保持了传统反计算跟踪抗积分饱和补偿算法的退饱和作用，又提高了传统算法的适应性和整体控制性能。

附图说明

图1是本发明方法中PI控制器及反计算跟踪抗积分饱和补偿模块框图。(图中G是电机控制系统其它组成部分的传递函数)

图2是传统算法中补偿系数Kc取不同值时对控制效果的影响。

图3是采用不同补偿系数时，本发明方法与传统方法的控制效果对比图。其中，图3(a)补偿系数Kc较小时(Kc＝0.01)，图3(b)补偿系数Kc理想时(Kc＝0.013)，图3(c)是补偿系数Kc过大时(Kc＝0.037)。

图4是阈值常数α取不同值时对控制效果的影响。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。

实施例：

选用永磁同步电机，额定功率P＝1kw，额定电流In＝5.3A，设定PI控制器的控制量ωr＝3000(rpm)，PI控制器的参数Kp＝160(rad/s)，Ti＝0.02(s)，给PI控制器输出限幅，限幅值Us＝9.54(N·m)。

在Matlab中进行仿真，在没有阈值常数α的情况下，补偿系数Kc分别为0.01、0.013、0.037时，得到的反馈控制量如图2。

由图2可见，补偿系数Kc对控制效果影响较大。当Kc设置合理时(Kc＝0.013)，饱和与退饱和作用相当，算法可以较好地消除超调，系统有最为理想的响应；当Kc设置较小时(Kc＝0.01)，退饱和作用小，导致系统仍有一定超调；当Kc设置过大时(Kc＝0.037)，退饱和作用过大，导致系统会出现提前退饱和现象，过渡时间变长。

设置阈值常数α＝0.5Us，补偿系数Kc分别为0.01、0.013、0.037时，本发明算法与传统算法所得到的速度反馈如图3(a)、(b)、(c)。

由图3可见，传统算法对所设置的补偿系数Kc要求较高，Kc较小时，系统仍有超调，Kc较大时，系统产生提前退饱和现象，过渡时间变长，且Kc值的设定范围较宽，比较依赖人工经验；而采用本发明的算法，补偿系数Kc在一定范围内变化时，均能得到较理想的控制性能。

算法中所设置的阈值常数α取值相对比较容易，一般取值范围在0～0.5Us之间，且取值在一定范围内变化时，对控制效果的影响也小于补偿系数Kc变化时的影响，如图4，算法的适应性得到提高。

因此，采用本发明的算法，即保持了传统算法的退饱和作用，又提高了传统算法的适应性和系统的整体控制性能。