一种新型的抗积分饱和pid控制方法
【技术领域】
[0001]本发明属于控制技术领域，具体而言涉及一种新型抗积分饱和的PID控制方法。
【背景技术】
[0002]PID控制是比例⑵、积分⑴、微分⑶通过线性组合构成PID控制量，对被控对象进行控制，由于算法简单、鲁棒性好、可靠性高，被广泛应用于过程控制与运动控制系统中。而在实际的控制系统中，由于功率、能量等限制因素，控制量不可能无限输出，又如被控对象的最大电压、最大电流等参数限制，控制量必须被限制在合理范围之内。因此，必须对PID控制量进行设计如对限幅、增加抗积分饱和参数等，以保证系统的正常工作。
[0003]当系统误差项持续存在且符号不变的时候，积分参数会使得积分项出现饱和现象，从而使得PID控制量达到限幅，而当误差项改变符号时，积分项又较慢的退饱和，再次影响PID控制量，从而出现过冲或超调。
[0004]目前，防止积分饱和的最直观方法就是从积分项入手，增加抑制积分饱和的参数，方法直接明了，易于实现。但其参数是针对特定被控对象选取的，受系统结构、参数等影响，适应性、鲁棒性都比较差，甚至稳定性方面也存在问题。
[0005]此外，类似专利CN201410529586-PID控制系统抗积分饱和及抑制超调的智能积分方法、专利CN201210019001-电机调速系统的抗饱和PID控制方法等提到增加抗积分饱和修正系数、模型、补偿系数等方法，增加了 PID控制的复杂性，可靠性、稳定性还需加强，而且不同被控对象依然无法达到自适应的要求。
[0006]因此，有必要提出一种直观的、适应性强的PID控制方法，并可以提高或者不影响系统的鲁棒性、可靠性、稳定性等特性。
【发明内容】
[0007]鉴于以上现有技术问题，本发明的目的在于提供一种新型的抗积分饱和PID控制方法，其在解决积分饱和问题的同时，可保证系统的鲁棒性、可靠性和稳定性。
[0008]为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案:
[0009]—种新型的抗积分饱和PID控制方法，包括下列步骤:
[0010]步骤一:通过系统的给定输入值和输出反馈值计算系统的误差值；
[0011]步骤二:将系统的误差值分别进行P、1、D参数计算，得到比例、积分、微分三个控制量，并将这三个控制量相加得到PID控制量；
[0012]步骤三:判断PID控制量是否超出系统的限幅值，即是否出现饱和现象，如果未出现饱和现象转入步骤四，如果出现饱和现象转入步骤五；
[0013]步骤四:未出现饱和现象，将PID控制量作为最后的系统控制量；
[0014]步骤五:出现饱和现象，将系统的限幅值作为最后的系统控制量，并转入步骤六；
[0015]步骤六:抗积分饱和环节，通过系统的限幅值减去当前比例控制量和微分控制量得到出现饱和现象时的积分控制量，防止积分控制量继续饱和，以及快速的退出饱和现象。
[0016]进一步地，优化所述步骤六的抗积分饱和环节，直接通过系统控制量减去当前比例控制量和微分控制量得到积分控制量，并且所述步骤四和所述步骤五执行完成都转入所述步骤六，即未出现饱和现象时积分控制量保持不变，出现饱和现象时积分控制量则是经系统限幅的系统控制量计算得到的。
[0017]进一步地，所述步骤六中的抗积分饱和环节能与其他类型的PID控制进行结合以实现积分的饱和抑制与快速退饱和的效果。
[0018]采用上述方案后，本发明的有益效果在于:
[0019]1、抗积分饱和环节通过系统输出控制量、比例控制量、微分控制量实现积分控制量的计算，方法简单。
[0020]2、本发明方法有效抑制了积分控制量的饱和，减少输出反馈的过冲，并加快退饱和速度达到快速响应。
[0021]3、本发明方法由于结构简单，不引进额外的控制参数，系统的鲁棒性、可靠性、稳定性等不会产生影响。
【附图说明】
[0022]图1为本发明实施例中离散形式的新型抗积分饱和PID控制系统结构图。
[0023]图2为传统PID控制在阶跃给定输入下的系统输出反馈和积分控制量变化图。
[0024]图3为本发明中新型抗积分饱和PID控制在阶跃给定输入下的系统输出反馈和积分控制量变化图。
【具体实施方式】
[0025]为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合说明书附图并用离散形式的PID来具体实施，进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。
[0026]一种新型的抗积分饱和PID控制方法，以离散形式的PID为例，如图1所示，具体实施步骤如下:
[0027]步骤一:在离散系统第k时刻，通过系统的给定输入值Ref(k)和输出反馈值Fdb(k)计算系统的误差值e(k);
[0028]步骤二:比例控制量、积分控制量、微分控制量、PID控制量计算:
[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)分别为离散系统第k时刻的比例控制量、积分控制量、微分控制量，KpKdKd分别为P、1、D参数，T为控制周期，U: (k-Ι)为离散系统第k-Ι时刻的积分控制量，e(k-l)为离散系统第k-Ι时刻的误差值，UPID(k)为离散系统第k时刻的PID控制量;
[0034]步骤三:判断PID控制量UPID(k)是否超出系统的限幅值1]_或1]_，即是否出现饱和现象，如果未出现饱和现象转入步骤四，如果出现饱和现象转入步骤五；
[0035]步骤四:未出现饱和现象，将PID控制量作为最后的系统控制量:
[0036]U0UT (k) = UPID (k)
[0037]步骤五:出现饱和现象，将系统的限幅值作为最后的系统控制量，并转入步骤六抗积分饱和环节:
[0038]U0UT (k) = UMAX或 U 0UT (k) = UMIN
[0039]步骤六:抗积分饱和环节，通过系统的限幅值减去当前比例控制量和微分控制量得到出现饱和现象时的积分控制量:
[0040](k) = UMAX-UP (k) -UD (k)或 (k) = UMIN-UP (k) _UD (k)
[0041]进一步，可以写成:(k)= U0UT(k) -UP (k) -UD(k)
[0042]而离散系统第k-1时刻:
[0043]U: (k~l) = U0UT (k~l)-Up (k~l)-UD (k~l)
[0044]其中，Up(k_l)、UD(k_l)分别为呙散系统第k_l时刻的比例控制量、微分控制量。
[0045]如图2所示，传统PID控制中所示输出反馈Fdb在tl时刻达到饱和值UMAX，而此时积分控制量UP已超过饱和值UMAX，即出现过饱和现象，则输出反馈需要更长时间来实现退饱和，如图2中所示在t2时刻。
[0046]图3所示是应用本发明方法的PID控制，从图3中可知tl时刻输出反馈Fdb未达到饱和值UMAX，其主要原因是积分控制量UP已通过抗积分饱和环节进行抑制，从图3中可知积分控制量UP在控制过程中一直小于饱和值UMAX;另外，图3中还可以看出输出反馈值Fdb退出饱和的t2时刻相比图2中的t2时刻提前了，系统快速达到稳定状态。
[0047]通过采用本发明的技术方案，其有益的效果在于:
[0048]1.抗积分饱和环节通过系统输出控制量、比例控制量、微分控制量实现积分控制量的计算，方法简单。
[0049]2.该方法有效抑制了积分控制量的饱和，减少输出反馈的过冲，并加快退饱和速度达到快速响应。
[0050]3.该方法结构简单，不引进额外的控制参数，系统的鲁棒性、可靠性、稳定性等不会产生影响。
【主权项】
1.一种新型的抗积分饱和PID控制方法，其特征在于，包括下列步骤: 步骤一:通过系统的给定输入值和输出反馈值计算系统的误差值； 步骤二:将系统的误差值分别进行P、1、D参数计算，得到比例、积分、微分三个控制量，并将这三个控制量相加得到PID控制量； 步骤三:判断PID控制量是否超出系统的限幅值，即是否出现饱和现象，如果未出现饱和现象转入步骤四，如果出现饱和现象转入步骤五； 步骤四:未出现饱和现象，将PID控制量作为最后的系统控制量； 步骤五:出现饱和现象，将系统的限幅值作为最后的系统控制量，并转入步骤六；步骤六:抗积分饱和环节，通过系统的限幅值减去当前比例控制量和微分控制量得到出现饱和现象时的积分控制量，防止积分控制量继续饱和，以及快速的退出饱和现象。2.根据权利要求1所述的一种新型的抗积分饱和PID控制方法，其特征在于:优化所述步骤六的抗积分饱和环节，直接通过系统控制量减去当前比例控制量和微分控制量得到积分控制量，并且所述步骤四和所述步骤五执行完成都转入所述步骤六，即未出现饱和现象时积分控制量保持不变，出现饱和现象时积分控制量则是经系统限幅的系统控制量计算得到的。3.根据权利要求1所述的一种新型的抗积分饱和PID控制方法，其特征在于:所述步骤六中的抗积分饱和环节能与其他类型的PID控制进行结合以实现积分的饱和抑制与快速退饱和的效果。
【专利摘要】本发明公开了一种新型抗积分饱和的PID控制方法，其在普通PID控制方法中加入抗积分饱和环节，当PID控制发生饱和时，抗积分饱和环节结合比例项和微分项计算出当前的积分项。这种方法实现简单，没有引进任何额外的参数，而且能有效抑制积分饱和，加快退饱和的时间，减少过冲，保证系统的鲁棒性、可靠性和稳定性。本发明方法可应用于各种变化形式的PID控制系统。
【IPC分类】G05B11/42
【公开号】CN105301957
【申请号】CN201510825095
【发明人】汪凤翔, 柯栋梁, 黄东晓, 陶鹏, 于新红
【申请人】泉州装备制造研究所
【公开日】2016年2月3日
【申请日】2015年11月24日