基于PID控制器抗饱和控制DOC.docx

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基于PID控制器抗饱和控制DOC

基于PID控制器的抗饱和控制

1.模型描述

该演示基于simulink®中的PID控制器模块来研究抗饱和功能。

PID控制器模块有两个内置的抗饱和方法:

反演法和钳位法，此外，一个跟踪模型来处理更复杂的情况。

被控设备是一阶饱和时滞对象。

首先，打开打开如下模型：

图1对具有输入饱和对象的PID控制仿真模型

在MATLAB中终端，命令窗口输入：

sldemo_antiwindup，打开这个模型。

利用PIDSimulink®ControlDesign™调谐器，在不考虑饱和情况下调谐PID控制器。

具有时滞一阶过程的被控对象如下所示：

对象输入饱和限制在[-1010]，这饱和限制由饱和模块实现。

在simulinkPID控制器模块有两个内置的抗饱和方法，对于饱和输入对象，PID控制器模块可以给这两种方法设置有效的参数。

1.1无抗饱和作用下的控制特性

首先，在PID控制器模块中不考虑饱和模型时，研究关于闭环系统饱和效应。

图1仿真模型的仿真结果如下：

图2在无抗饱和下红线代表设定值r（t）与蓝线代表无抗饱和输出值y（t）

图3在无抗饱和下蓝线代表PID控制器输出u（t）和红线代表饱和模块输出Sat（u）

当系统在输入饱和的情况下，可以从图2和3发现两个突出问题：

1）当设定值为10时，PID控制信号在大约24s时达到稳定状态，并且这个信号超出了饱和模块设定的范围。

控制器工作在非线性区域，因此，增加控制信号对系统输出无影响，这是所谓的清盘。

注意，该饱和模块的直流增益是一致的，因此，没有理由担心控制器的输出稳态值超过饱和模块设定范围。

2）当设定值为5时，在PID控制器输出回到饱和模块钳制的范围内，有相当大的延迟。

设计考虑饱和效应的PID控制器，改善它的性能，使它大部分时间工作在线性区域，并且可以从非线性区域快速恢复到线性区域。

1.2基于反演法搭建抗饱和模型

当控制器运行到设定的饱和限制，并且进入非线性区域。

反演抗饱和法就会启用一个执行PID控制器内部积分的反馈回路。

为了启用抗饱和，进入PID模块对话框的PIDAdvancedtab；选择限制输出；输入饱和限制。

然后，从抗饱和法列单中选择反演法，并且设置反演法增益Kb。

这个增益的倒数是抗饱和环的时间常数。

在这个演示中，反演法的增益值取为1。

更多关于如何选择该增益值，见参考文献[1]。

图4启动反演抗饱和方法

一旦启动反演法，该模块会生成可执行积分输出的内部跟踪环路。

图5带有反演法PID控制器的掩模视图

图6和7显示了PID控制器启用反演法的仿真结果。

注意PID控制信号如何快速返回到线性区域，以及内部跟踪环路怎样快速从饱和区恢复。

图6在反演法下红线代表设定值r（t）和蓝线代表输出y（t）

图7在反演法下控制器输出u（t）和饱和输出Sat（u）

如图7所示，控制器输出u（t）和饱和模块输出SAT（u）相吻合，这是由于控制器启动了限制输出。

为了更好的突出抗饱和的效果，图8显示了有抗饱和和无抗饱和系统的被控对象的输出y（t）。

图8在有抗饱和和无抗饱和情况下被控对象输出

1.3基于积分钳位搭建抗饱和模型

另外一个基于条件积分的常用抗饱和策略。

进入PID控制器高级选项对话框，启动抗饱和；选定限制输出，并进入对象饱和模块设置限制。

然后，从抗饱和下拉单中选择钳位法。

图9在钳位法下红线代表设定值r（t），蓝线代表输出y（t）

图10在钳位法下控制器输出u（t）和饱和模块输出SAT（u）

如图10所示，控制器输出u（t）和饱和模块输出SAT（u）相吻合，这是由于控制器启动了限制输出。

有关何时使用钳位法的更多信息，可以看参考文献[1]。

2.利用跟踪模型来处理复杂的抗饱和情况

前面讨论过的抗饱和方法是依靠其内置的两个方法，这两个方法通过处理PID模块提供的信息。

对于内置方法的准备工作，需要满足两个条件：

1）设备的饱和极限是已知的并且可以被输入到该块的对话框。

2）PID控制器输出信号是送入驱动器的唯一信号。

当处理一般的抗饱和的情况时，这些条件可能会受限制。

从表面看，PID控制器模块具有跟踪模式，可允许用户设置一个备用的反演法抗饱和环。

在演示的其余部分，以下两个例子被认为是来说明使用跟踪模式抗饱和的目的：

1）基于级联动态抗饱和饱和执行器

2）基于前馈抗饱和PID控制

2.1搭建基于级联动态饱和执行器的抗饱和电路

在下面的模型中，执行器具有复杂的动态特性。

一个执行机构有自己的闭环动态特性，这是常见的。

PID控制器是在一个外循环，并把执行器动态特性视为内循环，或简单地级联饱和动态特性，如图1所示。

图11基于级联执行机构动态特性的PID控制器Simulink模型

在MATLAB中端打开此模型，在命令窗口输入如下：

sldemo_antiwindupactuator。

在这种情况下，一个成功的抗饱和方法需要执行器的输出反馈给PID控制器块的跟踪端口，如图11所示。

配置PID控制器块的跟踪模式，要去PID控制器模块对话框中的PID的高级选项卡，选择启用跟踪方式，并指定增益Kt。

这个增益的倒数是跟踪环路的时间常数。

有关如何选择这个增益的更多信息，请参见参考文献[1]。

图12启动PID控制器模块中的跟踪模式

图13和图14表明，在改变设定值，该对象的测量输出y（t）和所述控制器输出u（t）几乎立即响应。

如果没有抗饱和电路，这些响应会长期延迟。

图13红线代表设定值r（t）和蓝线代表对象输出y（t）

图14红线代表PID控制器输出u（t）和蓝线代表有效的饱和输出SAT（u）

2.2搭建带有前馈PID控制的抗饱和电路

在另一种常见的控制结构中，所述执行器接收控制信号，这控制信号是由一个PID控制信号和前馈控制信号的组合。

要准确地搭建一个反演法的抗饱和环路，跟踪信号应该减去前馈信号。

这需要PID控制器模块提供给执行器有效控制信号的比例。

如下模型包含前馈控制：

图15PID控制器具有前馈和被控对象输入饱和的Simulink模型

因为被控对象有一个直流增益1，所以在此，前馈增益设为1。

在MATLAB中端打开此模式，要在命令窗口输入：

sldemo_antiwindupfeedforward。

图16和17显示了在设定值改变时，被控对象的侧量输出y（t）和控制器输出u（t）几乎立即响应。

当设定值为10时，注意在图17中控制器的输出u（t）怎样降到执行器的范围内。

图16在无抗饱和下，红线代表设定值r（t），蓝线代表被控对象测量输出y（t）

图17在无抗饱和下，红线代表控制器输出u（t）和蓝线代表饱和模型输出SAT（u）

3.总结

1）PID控制器模块支持多种功能，这些功能使它可以处理在通常工业场景下遇到的控制器饱和问题。

2）本文给出了五种基于PID控制器模型，这五种模型的被控对象的输出结果如图18所示。

无抗饱和控制模型在给定值由10到5突变时，无抗饱和模型反应时间最长，其他四种抗饱和模型反应时间都很短（很接近在80s时刻）；而反应最快的是前馈抗饱和模型，但是它的超调量很大；从反应时间、超调量、上升时间和下降时间综合考虑对于该

最好的控制模型是积分钳位抗饱和。

图18五种基于PID控制器模型的被控对象的输出y（t）

4.参考文献

[1]K.Åström,T.Hägglund,AdvancedPIDControl,ISA,ResearchTrianglePark,NC,August2005.