基于PID控制器抗飽和控制

1、基于PID控制器的抗飽和控制1 .模型描述該演示基于simulink?中的PID控制器模塊來研究抗飽和功能。PID控制器模塊有兩個內(nèi)置的抗飽和方法：反演法和鉗位法，止匕外,一個跟蹤模型來處理更復(fù)雜的情況。被控設(shè)備是一階飽和時滯對象。首先，打開打開如下模型：圖1對具有輸入飽和對象的PID控制仿真模型在MATLAB中終端，命令窗口輸入：sldemo_antiwindup,打開這個模型。利用PIDSimulink?ControlDesign?調(diào)諧器，在不考慮飽和情況下調(diào)諧PID控制器。具有時滯一階過程的被控對象如下所示:P(s)=-es10s1對象輸入飽和限制在-1010,這飽和限制由飽和模塊實現(xiàn)。

2、在simulinkPID控制器模塊有兩個內(nèi)置的抗飽和方法，對于飽和輸入對象，PID控制器模塊可以給這兩種方法設(shè)置有效的參數(shù)。1.1 無抗飽和作用下的控制特性首先，在PID控制器模塊中不考慮飽和模型時，研究關(guān)于閉環(huán)系統(tǒng)飽和效應(yīng)。圖1仿真模型的仿真結(jié)果如下：圖2在無抗飽和下紅線代表設(shè)定值r與藍(lán)線代表無抗飽和輸出值y(t)圖3在無抗飽和下藍(lán)線代表PID控制器輸出u(t)和紅線代表飽和模塊輸出Sat(u)當(dāng)系統(tǒng)在輸入飽和的情況下，可以從圖2和3發(fā)現(xiàn)兩個突出問題:1) 當(dāng)設(shè)定值為10時，PID控制信號在大約24s時達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，并且這個信號超出了飽和模塊設(shè)定的范圍?？刂破鞴ぷ髟诜蔷€性區(qū)域，因此，增加控制

3、信號對系統(tǒng)輸出無影響，這是所謂的清盤。注意，該飽和模塊的直流增益是一致的，因止匕沒有理由擔(dān)心控制器的輸出穩(wěn)態(tài)值超過飽和模塊設(shè)定范圍。2) 當(dāng)設(shè)定值為5時，在PID控制器輸出回到飽和模塊鉗制的范圍內(nèi)，有相當(dāng)大的延遲。設(shè)計考慮飽和效應(yīng)的PID控制器，改善它的性能，使它大部分時間工作在線性區(qū)域，并且可以從非線性區(qū)域快速恢復(fù)到線性區(qū)域。1.2 基于反演法搭建抗飽和模型當(dāng)控制器運行到設(shè)定的飽和限制，并且進(jìn)入非線性區(qū)域。反演抗飽和法就會啟用一個執(zhí)行PID控制器內(nèi)部積分的反饋回路。為了啟用抗飽和，進(jìn)入PID模塊對話框的PIDAdvancedtab;選擇限制輸出；輸入飽和限制。然后，從抗飽和法列單中選擇反演法

4、，并且設(shè)置反演法增益Kb。這個增益的倒數(shù)是抗飽和環(huán)的時間常數(shù)。在這個演示中，反演法的增益值取為1。更多關(guān)于如何選擇該增益值，見參考文獻(xiàn)1。圖4啟動反演抗飽和方法一旦啟動反演法，該模塊會生成可執(zhí)行積分輸出的內(nèi)部跟蹤環(huán)路。PrbporlionalGainFilter圖5帶有反演法PID控制器的掩模視圖圖6和7顯示了PID控制器啟用反演法的仿真結(jié)果。注意PID控制信號如何快速返回到線性區(qū)域，以及內(nèi)部跟蹤環(huán)路怎樣快速從飽和區(qū)恢復(fù)。JViewer：Sc口pe4(y(t)jr(t)-n*020406口60100120140160ISO200Tineoffset:D圖6在反演法下紅線代表設(shè)定值r和藍(lán)線代表輸

5、出y(t)0Viewer:Scope?(u(t),Sat(u)KAX1回耳拉|因陶。十10U吐SaRu1£4/,/nV()2040ED印100120140160180200Timeoffset:1)圖7在反演法下控制器輸出u和飽和輸出Sat(u)如圖7所示，控制器輸出u(t)和飽和模塊輸出SAT(u)相吻合，這是由于控制器啟動了限制輸出為了更好的突出抗飽和的效果，圖8顯示了有抗飽和和無抗飽和系統(tǒng)的被控對象的輸出y(t)。圖8在有抗飽和和無抗飽和情況下被控對象輸出1.3 基于積分鉗位搭建抗飽和模型另外一個基于條件積分的常用抗飽和策略。進(jìn)入PID控制器高級選項對話框，啟動抗飽和；選定限制

6、輸出，并進(jìn)入對象飽和模塊設(shè)置限制。然后，從抗飽和下拉單中選擇鉗位法。圖10在鉗位法下控制器輸出u(t)和飽和模塊輸出SAT(u)如圖10所示，控制器輸出u(t)和飽和模塊輸出SAT(u)相吻合，這是由于控制器啟動了限制輸出。有關(guān)何時使用鉗位法的更多信息，可以看參考文獻(xiàn)1。2.利用跟蹤模型來處理復(fù)雜的抗飽和情況前面討論過的抗飽和方法是依靠其內(nèi)置的兩個方法，這兩個方法通過處理PID模塊提供的信息。對于內(nèi)置方法的準(zhǔn)備工作，需要滿足兩個條件：1)設(shè)備的飽和極限是已知的并且可以被輸入到該塊的對話框。2)PID控制器輸出信號是送入驅(qū)動器的唯一信號。當(dāng)處理一般的抗飽和的情況時，這些條件可能會受限制。從表面看

7、，PID控制器模塊具有跟蹤模式，可允許用戶設(shè)置一個備用的反演法抗飽和環(huán)。在演示的其余部分，以下兩個例子被認(rèn)為是來說明使用跟蹤模式抗飽和的目的：1)基于級聯(lián)動態(tài)抗飽和飽和執(zhí)行器2）基于前饋抗飽和PID控制1.1 搭建基于級聯(lián)動態(tài)飽和執(zhí)行器的抗飽和電路在下面的模型中，執(zhí)行器具有復(fù)雜的動態(tài)特性。一個執(zhí)行機構(gòu)有自己的閉環(huán)動態(tài)特性，這是常見的。PID控制器是在一個外循環(huán)，并把執(zhí)行器動態(tài)特性視為內(nèi)循環(huán)，或簡單地級聯(lián)飽和動態(tài)特性，如圖1所示sldemo_antiwindupactuator）在這種情況下，一個成功的抗飽和方法需岫TRPIDControllers+0.7inputdynamics8+0.55A

8、TM109+1Actuatorl:ir?tOrderProcesscuputdynamicsDeadTime圖11基于級聯(lián)執(zhí)行機構(gòu)動態(tài)特性的PID控制器Simulink模型在MATLAB中端打開此模型，在命令窗口輸入如下：要執(zhí)行器的輸出反饋給PID控制器塊的跟蹤端口，如圖11所示。配置PID控制器塊的跟蹤模式，要去PID控制器模塊對話框中的PID的高級選項卡，選擇啟用跟蹤方式，并指定增益Kt。這個增益的倒數(shù)是跟蹤環(huán)路的時間常數(shù)。有關(guān)如何選擇這個增益的更多信息，請參見參考文獻(xiàn)1圖12啟動PID控制器模塊中的跟蹤模式圖13和圖14表明，在改變設(shè)定值，該對象的測量輸出y(t)和所述控制器輸出u(t)

9、幾乎立即響應(yīng)。如果沒有抗飽和電路，這些響應(yīng)會長期延遲。圖13紅線代表設(shè)定值r和藍(lán)線代表對象輸出y(t)圖14紅線代表PID控制器輸出u(t)和藍(lán)線代表有效的飽和輸出SAT(u)1.2 搭建帶有前饋PID控制的抗飽和電路在另一種常見的控制結(jié)構(gòu)中，所述執(zhí)行器接收控制信號，這控制信號是由一個PID控制信號和前饋控制信號的組合。要準(zhǔn)確地搭建一個反演法的抗飽和環(huán)路，跟蹤信號應(yīng)該減去前饋信號。這需要PID控制器模塊提供給執(zhí)行器有效控制信號的比例。如下模型包含前饋控制：圖15PID控制器具有前饋和被控對象輸入飽和的Simulink模型因為被控對象有一個直流增益1,所以在此，前饋增益設(shè)為1。在MATLAB中端

10、打開此模式，要在命令窗口輸入：sldemo_antiwindupfeedforward。圖16和17顯示了在設(shè)定值改變時，被控對象的側(cè)量輸出y(t)和控制器輸出u(t)幾乎立即響應(yīng)。當(dāng)設(shè)定值為10時，注意在圖17中控制器的輸出u(t)怎樣降到執(zhí)行器的范圍內(nèi)。圖16在無抗飽和下，紅線代表設(shè)定值r(t),藍(lán)線代表被控對象測量輸出y(t)圖17在無抗飽和下，紅線代表控制器輸出u(t)和藍(lán)線代表飽和模型輸出SAT(u)3 .總結(jié)1) PID控制器模塊支持多種功能，這些功能使它可以處理在通常工業(yè)場景下遇到的控制器飽和問題。2)本文給出了五種基于PID控制器模型，這五種模型的被控對象的輸出結(jié)果如圖18所示。無抗飽和控制模型在給定值由10到5突變時，無抗飽和模型反應(yīng)時間最長，其他四種抗飽和模型反應(yīng)時間都很短(很接近在80s時刻)；而反應(yīng)最快的是前饋抗飽和模型，但是它的超調(diào)量很大；從反應(yīng)時間、