CN111665712A - 一种抗饱和及抑制超调的控制方法及pi调节器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及控制器技术领域，特别涉及一种抗饱和及抑制超调的控制方法及PI调节器，其中，一种抗饱和及抑制超调的控制方法，包括确定控制指令与反馈值之间的误差e(k)，通过调节系数A和B调整误差e(k)所处的分段区间大小，使用变速积分方法和遇限削弱方法协同调节或改变PI调节器的积分调节控制量，使得PI调节器的输出控制量抑制超调并抗积分饱和。与现有技术相比，本发明提供的一种抗饱和及抑制超调的控制方法，融合变速积分方法和遇限削弱方法，同时改进变速积分的分段系数f[e(k)]，通过调节系数A和B调整所述误差e(k)所处的分段区间大小，避免了变速积分系数为零时无积分调节作用，使PI调节器提高了稳态精度同时超调小及响应快。
Description
技术领域
本发明涉及控制器技术领域，特别涉及一种抗饱和及抑制超调的控制方法及PI调节器。
背景技术
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***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***中电压、电流、转矩和转速等有限制。
比例积分(PI调节器)或比例积分微分(PID调节器)，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。PI调节器能根据给定值与实际输出值构成的控制偏差，将偏差的比例和积分通过线性组合构成控制量，对被控对象进行控制。PI调节器中的积分作用可以消除静差，但会产生积分饱和现象；积分饱和会使得***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。
虽然中国专利(公开号为CN103391015B)公开了一种变参数PI调节器参数调整方法，根据误差情况调整比例调节系数Kp，在通过参数控制PWM整流器的过程中，兼顾了动态性能和稳态性能。但是还是存在累计误差过大时变速积分系数为零无积分作用，使得误差过大时累积误差达到积分饱和问题，导致超调变大和过度时间变长。
发明内容
为解决上述现有技术中误差过大时变速积分系数为零无积分作用，使误差过大达到积分饱和的问题，本发明提供的一种抗饱和及抑制超调的控制方法及PI调节器，避免积分为零的现象同时使PI调节器的输出抑制超调并抗积分饱和。
本发明提供的一种抗饱和及抑制超调的控制方法，包括：确定控制指令与反馈值之间的误差e(k)，通过调节系数A和B调整所述误差e(k)所处的分段区间大小，使用变速积分方法和遇限削弱方法协同调节或改变P I调节器的积分调节控制量，使得所述PI调节器的输出控制量抑制超调并抗积分饱和。
进一步地，所述变速积分方法通过设置变速积分系数f[e(k)]，用以改变积分项的累加速度与所述误差e(k)大小相适应，调节或改变所述P I调节器的积分调节控制量。
进一步地，所述变速积分方法包括以下步骤：
S101：判断是否|e(k)|≤B；
S102：当|e(k)|≤B时，则f[e(k)]＝1；当|e(k)|＞B时，判断是否|e(k)|≤A+B；
S103：当|e(k)|≤A+B时，则f[e(k)]＝(A+1+B-|e(k)|)/(A+1)；当|e(k)|＞A+B时，则f[e(k)]＝1/[((A+B)/|e(k)|)×(|e(k)|-B+1)]。
进一步地，A＞0，B＞1。
进一步地，所述控制方法还包括通过Kp×e(k)得出比例项。
进一步地，所述遇限削弱方法通过判断上一次PI输出控制量是否超过限幅值，当所述上一次PI输出控制量超过限幅值时，则积分累计符号相反的所述误差e(k)，以使所述PI调节器输出控制量抗积分饱和。
进一步地，所述遇限削弱方法包括以下步骤：
S201：判断是否U(k-1)≥Umax，当U(k-1)≥Umax时，执行步骤S202，当U(k-1)＜Umax时，执行步骤S203；
S202：判断是否e(k)＞0，当e(k)＞0时，β＝0，当e(k)≤0，β＝1；
S203：判断是否U(k-1)≤Umin，当U(k-1)≤Umin时，执行步骤S204，当U(k-1)＞Umin时，β＝1；
S204：判断是否e(k)＜0，当e(k)＜0时，β＝0，当e(k)≥0，β＝1。
进一步地，在S204之后，所述控制方法还包括以下步骤：
S301：通过Ki×f[e(k)]×e(k)×β得出当前积分项；
S302：通过所述比例项、所述当前积分项及上次积分项之和得出PI输出控制量U(k)，U(k)＝Kp*e(k)+Ki*f[e(k)]*e(k)*β+Ui(k-1)；
S303：更新上次积分项Ui(k-1)，上次积分项Ui(k-1)＝Ki*f[e(k)]*e(k)*β+Ui(k-1)。
进一步地，U(k-1)为所述上一次PI输出控制量；Umax为PI输出的上限值，Umin为PI输出的下限值；β为PI输出饱和系数，β用于控制所述变速积分方法中当前积分，以得出所述当前积分项。
本发明还提供一种采用如上任一项所述的一种抗饱和及抑制超调的控制方法的PI调节器。
与现有技术相比，本发明提供的一种抗饱和及抑制超调的控制方法及PI调节器，根据控制指令与反馈值之间的误差，通过调节系数A和B调整所述误差e(k)所处的分段区间大小，使用变速积分方法和遇限削弱方法协同调节或改变PI调节器的积分调节控制量，避免了变速积分系数为零时无积分调节作用，又避免积分饱和现象，进而减小大阶跃输入的超调量和响应时间，使PI调节器提高了稳态精度同时超调小及响应快。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明提供的抗饱和及抑制超调的控制方法的流程示意图；
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提供的一种抗饱和及抑制超调的控制方法，包括：确定控制指令与反馈值之间的误差e(k)，通过调节系数A和B调整所述误差e(k)所处的分段区间大小，使用变速积分方法和遇限削弱方法协同调节或改变P I调节器的积分调节控制量，使得所述PI调节器的输出控制量抑制超调并抗积分饱和。
具体实施时，如图1所示，首先确定控制指令与反馈值之间的误差e(k)，较佳地，本实施例中反馈值可以是被控对象对PI调节器反馈的数值，误差e(k)为一个变化的实数；通过调节系数A和B来调整误差e(k)所处的分段区间的大小，使用变速积分方法和遇限削弱方法协同调节或改变PI调节器的积分调节控制量，同时可以避免变速积分系数为零，大阶跃输入时无积分作用，单靠比例调节出现调不上去的现象，从而使得PI调节器输出控制量抑制超调并抗积分饱和。
由于误差e(k)越大，积分越慢，反之则越快，因此变速积分方法通过改变积分项的累加速度，使其与误差e(k)大小相适应，以调节或改变PI调节器的积分调节控制；具体地，如图1所示，变速积分方法设置变速积分系数f[e(k)]，改变变速积分系数f[e(k)]的范围，从而改变变速积分系数的大小，且变速积分系数不为零。
具体地，变速积分方法包括以下步骤：步骤1，判断是否|e(k)|≤B；步骤2：当|e(k)|≤B时，则f[e(k)]＝1；当|e(k)|＞B时，判断是否|e(k)|≤A+B；步骤3：当|e(k)|≤A+B时，则f[e(k)]＝(A+1+B-|e(k)|)/(A+1)；当|e(k)|＞A+B时，则f[e(k)]＝1/[((A+B)/|e(k)|)×(|e(k)|-B+1)]。
变速积分方法中设置变速积分系数f[e(k)]，变速积分系数f[e(k)]是误差e(k)的函数，当绝对值e(k)增大时，f[e(k)]减小，当e(k)减小时，f[e(k)]增大；变速积分系数的表达式为：
其中，调节系数A＞0，调节系数B＞1，调节系数A和B与PI调节器的应用场景、被控对象及控制指令相关。通过设置变速积分系数f[e(k)]，从而改变f[e(k)]表达式计算的范围大小，改变变速积分系数大小，达到减小阶跃响应的超调，提高稳态响应时间的效果，避免了当误差|e(k)|＞A+B时变速积分系数为零的现象，导致大阶跃输入时一开始便无积分作用，单靠比例调节，会出现调不上去的现象。
如图1所示，抗饱和及抑制超调的控制方法还包括通过Kp×e(k)得出比例项。
如图1所示，遇限削弱方法的本质是当控制进入饱和区后，便不再进行积分项的累积，仅执行削弱积分的运算，在计算PI输出控制量U(k)时，先判断上一次的PI输出控制量U(k-1)是否超出限幅值，则积分累计符号相反的所述误差e(k)，以使所述PI调节器输出控制量抗积分饱和；具体地，当U(k-1)>Umax，则只累加负误差；当U(k-1)<Umin，则只累加正误差，以便于PI调节器的输出抗积分饱和，其中，Umax为PI输出的上限值，Umax＞0，Umin为PI输出的下限值，Umin＜0,；较佳地，本实施例中PI输出控制量U(k)为PI调节器的输出控制量。
具体地，如图1所示，遇限削弱方法协同变速积分方法调节或改变PI调节器的积分调节控制量，遇限削弱方法包括以下步骤，判断是否U(k-1)≥Umax，当U(k-1)≥Umax时，判断是否e(k)＞0，当e(k)＞0时，β＝0，当e(k)≤0，β＝1；当U(k-1)＜Umax时，判断是否U(k-1)≤Umin，当U(k-1)≤Umin时，判断是否e(k)＜0，当e(k)＜0时，β＝0，当e(k)≥0，β＝1；当U(k-1)＞Umin时，β＝1。
然后，通过Ki×f[e(k)]×e(k)×β得出当前积分项；通过所述比例项、所述当前积分项及上次积分项之和得出PI输出控制量U(k)，U(k)＝Kp*e(k)+Ki*f[e(k)]*e(k)*β+Ui(k-1)；最后更新上次积分项Ui(k-1)，上次积分项Ui(k-1)＝Ki*f[e(k)]*e(k)*β+Ui(k-1)，以便于下次计算PI输出控制量U(k)时使用新的Ui(k-1)。
其中，Kp为比例系数，ki为积分系数，U(k-1)为所述上一次PI输出控制量；Umax为PI输出的上限值，Umin为PI输出的下限值；β为PI输出饱和系数；β用于控制所述变速积分方法中当前积分，以得出所述当前积分项。
本发明还提供一种采用如上任一项所述的一种抗饱和及抑制超调的控制方法的PI调节器。
本发明提供的一种抗饱和及抑制超调的控制方法，在时间运行控制被控对象时，首先确认控制指令与反馈值之间的误差e(k)，通过调节系数A和B调整误差e(k)所处的分段区间大小，并通过表达式：
得出变速积分系数f[e(k)]，同时，通过比例系数Kp与误差e(k)相乘得出比例项，再判断上一次的PI输出U(k-1)是否超出限幅值，与误差e(k)是否大于零之间的关系，得出PI输出饱和系数β。
接着，根据得出的PI输出饱和系数β和变速积分系数f[e(k)]，利用误差e(k)、变速积分系数f[e(k)]、PI输出饱和系数β与积分系数Ki相乘得出当前积分项，进而通过当前积分项、上次积分项与比例项之和得出当前PI输出控制量U(k)，PI输出控制量U(k)＝Kp*e(k)+Ki*f[e(k)]*e(k)*β+Ui(k-1)。最后，更新上次积分项Ui(k-1)，以便于下次计算PI输出控制量U(k)时使用新的Ui(k-1)。
与现有技术相比，本发明提供的一种抗饱和及抑制超调的控制方法及PI调节器，根据控制指令与反馈值之间的误差，通过调节系数A和B调整所述误差e(k)所处的分段区间大小，使用变速积分方法和遇限削弱方法协同调节或改变PI调节器的积分调节控制量，避免了变速积分系数为零时无积分调节作用，又避免积分饱和现象，进而减小大阶跃输入的超调量和响应时间，使PI调节器提高了稳态精度同时超调小及响应快。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (10)
1.一种抗饱和及抑制超调的控制方法，其特征在于，包括：确定控制指令与反馈值之间的误差e(k)，通过调节系数A和B调整所述误差e(k)所处的分段区间大小，使用变速积分方法和遇限削弱方法协同调节或改变PI调节器的积分调节控制量，使得所述PI调节器的输出控制量抑制超调并抗积分饱和。
2.根据权利要求1所述的一种抗饱和及抑制超调的控制方法，其特征在于：所述变速积分方法通过设置变速积分系数f[e(k)]，用以改变积分项的累加速度与所述误差e(k)大小相适应，调节或改变所述PI调节器的积分调节控制量。
3.根据权利要求2所述的一种抗饱和及抑制超调的控制方法，其特征在于，所述变速积分方法包括以下步骤：
S101：判断是否|e(k)|≤B；
S102：当|e(k)|≤B时，则f[e(k)]＝1；当|e(k)|＞B时，判断是否|e(k)|≤A+B；
S103：当|e(k)|≤A+B时，则f[e(k)]＝(A+1+B-|e(k)|)/(A+1)；当|e(k)|＞A+B时，则f[e(k)]＝1/[((A+B)/|e(k)|)×(|e(k)|-B+1)]。
4.根据权利要求3所述的一种抗饱和及抑制超调的控制方法，其特征在于：A＞0，B＞1。
5.根据权利要求4所述的一种抗饱和及抑制超调的控制方法，其特征在于：所述控制方法还包括通过Kp×e(k)得出比例项。
6.根据权利要求5所述的一种抗饱和及抑制超调的控制方法，其特征在于：所述遇限削弱方法通过判断上一次PI输出控制量是否超过限幅值，当所述上一次PI输出控制量超过限幅值时，则积分累计符号相反的所述误差e(k)，以使所述PI调节器输出控制量抗积分饱和。
7.根据权利要求6所述的一种抗饱和及抑制超调的控制方法，其特征在于，所述遇限削弱方法包括以下步骤：
S201：判断是否U(k-1)≥Umax，当U(k-1)≥Umax时，执行步骤S202，当U(k-1)＜Umax时，执行步骤S203；
S202：判断是否e(k)＞0，当e(k)＞0时，β＝0，当e(k)≤0，β＝1；
S203：判断是否U(k-1)≤Umin，当U(k-1)≤Umin时，执行步骤S204，当U(k-1)＞Umin时，β＝1；
S204：判断是否e(k)＜0，当e(k)＜0时，β＝0，当e(k)≥0，β＝1。
8.根据权利要求7所述的一种抗饱和及抑制超调的控制方法，其特征在于，在S204之后，所述控制方法还包括以下步骤：
S301：通过Ki×f[e(k)]×e(k)×β得出当前积分项；
S302：通过所述比例项、所述当前积分项及上次积分项之和得出PI输出控制量U(k)，U(k)＝Kp*e(k)+Ki*f[e(k)]*e(k)*β+Ui(k-1)；
S303：更新上次积分项Ui(k-1)，上次积分项Ui(k-1)＝Ki*f[e(k)]*e(k)*β+Ui(k-1)。
9.根据权利要求8所述的一种抗饱和及抑制超调的控制方法，其特征在于：U(k-1)为所述上一次PI输出控制量；Umax为PI输出的上限值，Umin为PI输出的下限值；β为PI输出饱和系数，β用于控制所述变速积分方法中当前积分，以得出所述当前积分项。
10.一种采用如权利要求1-9任一项所述的一种抗饱和及抑制超调的控制方法的PI调节器。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20200915 |
|
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