电机调速系统的抗饱和PID控制方法.pdf

摘要
申请专利号：	CN201210019001.1	申请日：	2012.01.20
公开号：	CN102624299A	公开日：	2012.08.01
当前法律状态：	授权	有效性：	有权
法律详情：	授权\|\|\|实质审查的生效IPC(主分类):H02P 6/08申请日:20120120\|\|\|公开
IPC分类号：	H02P6/08	主分类号：	H02P6/08
申请人：	中国科学院上海技术物理研究所
发明人：	吕娴娜; 刘银年; 孙德新; 付峪; 江浩; 郎均慰; 符玉襄
地址：	200083 上海市虹口区玉田路500号
优先权：
专利代理机构：	上海新天专利代理有限公司 31213	代理人：	郭英
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内容摘要

本发明公开了一种电机调速系统抗饱和PID控制方法，在普通PID控制器中加入积分预测器，当执行器发生饱和时，积分状态预测器利用控制指令值和系统输出值的误差e、该误差的微分值以及限制器输出值共同计算稳态积分状态值，并通过低通滤波器后重置积分项。这种方法能有效地抑制积分饱和现象，使得控制器发生饱和时能获得更小的过冲和更快的退饱和时间。本发明可应用于各类电机调速系统PID控制器。

权利要求书

1：一种电机调速系统抗饱和 PID 控制方法，其特征在于包括以下步骤： a. 判断 PID 控制器的输出 u，若 u 属于限幅范围内，即 PID 控制器输出属于限制器线性区时，积分输入 q′直接等于跟踪误差 e ； b. 当 PID 控制器输出属于限制器饱和区时，那么积分状态预测器将计算出一个预测的稳态积分状态值，该值由控制指令值和系统输出值的误差 e、误差的微分值 e′以及限制器输出值 v 共同计算； c. 在积分状态预测后加一个低通滤波器，滤波后的值乘以积分系数后作为积分计算值； d. 误差 e 乘以比例系数作为比例计算值，误差 e 的微分即动态误差乘以微分系数作为微分计算值，由比例计算值，积分计算值和微分计算值相加得出 PID 控制输出 u。2：根据权利要求 1 所述的一种电机调速系统抗饱和 PID 控制方法，其特征在于，所述的积分状态预测值由下式确定：其中为积分状态预测值， ki 为积分系数， e 为控制误差， e′为误差微分值， kt 和 τm 均为系统参数，由被控对象参数确定， v 为限制器输出。3：根据权利要求 1 所述的一种电机调速系统抗饱和控制方法，其特征在于，所述的低通滤波器带宽通常选择高于 5 倍的 PID 控制器的带宽，并低于微分噪声带宽。

说明书

电机调速系统的抗饱和 PID 控制方法
    技术领域本发明的实施涉及电机调速系统的控制，更具体而言涉及一种用于电机调速系统的抗饱和 PID 控制方法。
     背景技术在电机调速系统中，一般采用多环路嵌套的控制方法，如电流环嵌套速度环。由于受到电机最大电流，最大功率，发热等因素的限制，需对电机电流和速度进行限幅。一般限幅器输出如图 1 所示，形式可表示如下式：
     其中 Uh 为限制器输出上限，
     Ul 为限制器输出下限。
     这种执行器会产生饱和，可能导致控制器的输出和被控对象实际的输入不等，从而引起系统闭环性能变差，例如超调，响应变慢，甚至不稳定，这种现象称为 Windup 现象。
     PID 控制器广泛使用于电机调速系统。考虑图 2 这样一个反馈系统，假如给定参考信号 205 一个大阶跃，比执行器 202 达到饱和值 Uh 的输入还要大得多。积分器 208 继续对误差 206 做积分运算， PID 控制器 201 输出 207 持续增大。然而，受控对象的输入 203 被限制在执行器 202 输出最大值，所以误差 206 依然很大，直到受控对象 203 的输出 204 超出参考值 205，误差值 206 改变符号。如果饱和持续很长一段时间， PID 控制器输出 207 可能变得很大，这将导致一个相当大的负误差 206，产生很差的瞬态响应。
     积分环节的存在，必然会导致积分饱和现象，所以说对于电机调速系统，必须要考虑系统的 Windup 现象。条件积分方法是一种传统的抗积分饱和的方法。
     条件积分方法具备一个开关环节，当系统控制器发生限幅饱和时，停止或限制 PID 控制器的积分作用。这一类方法可以归结为非线性结构的抗饱和算法。非线性结构的算法在设计和构造控制器的过程中考虑控制输入饱和的非线性特性，通过改变控制器的结构使之能够全局稳定。
     最简单的条件积分可以表示成下式所示：其中 q′为积分输入， e 为跟踪误差， u 为限幅器输入， v 为限幅器输出。
     这种方法实现简单，但积分作用的限制值不容易掌握，且一旦输入条件发生变化，该方法不一定能有效抑制 Windup 现象。
     A.Scottedward Hodel， and Charles E.Hall，在 Variable-Structure PID Control to Prevent Integrator Windup，一文中公开了一种提出了一种约束积分项的方法，在控制器工作在线性区时，积分输入就等于被控误差，一旦进入饱和区，积分输入由饱和程度，即限幅器输入和输出的差值计算决定。上述方法可以表达为下式：
     其中 α 和 Kc 均为正常数。
     这种方法中，通过合理配置负反馈支路增益 Kc 可达到较为理想的控制效果，但对不同的系统条件缺乏鲁棒性。
     发明内容
     本发明的目的在于，针对现有抗饱和 PID 控制器对于不同控制输入条件缺乏鲁棒性的不足，提出一种基于积分状态预测的抗饱和 (anti-windup)PID 控制方法。
     本发明是通过对控制误差分别进行比例运算、积分运算和微分运算后的结果进行累加作为控制器输出。为了抗积分饱和，其中的积分运算不同于普通积分运算，如图 4 所示由一个切换开关 404、一个积分状态预测器 405 和一个低通滤波器 406 组成。
     切换开关 404 由限幅器输出 408 控制，当限幅器输出 408 等于输入 409 时，即 PID 控制器工作在限幅器 407 的线性区，积分输入 411 就等于控制误差 410 ；当限幅器输出 408 不等于输入 409 时，即 PID 控制器工作在限幅器 407 的饱和区，积分项 413 重置为一预测值。积分输入可表示如下式：
     其中 q′为积分输入， e 为控制误差， u 为限幅器输入， v 为限幅器输出， ωi 为低通滤波器带宽。
     积分状态预测器结构如图 5 所示，积分状态预测值 501 由控制误差 502，动态控制误差 503( 即误差微分 ) 以及限幅器输出值 504 所计算得出，计算过程如下式表示：
     当其中为积分状态预测值，e′为误差微分值，
     kt 为系统参数，
     τm 为系统参数，
     v 为限制器输出，
     Uh 为限制器输出上限，
     Ul 为限制器输出下限。
     积分状态预测值通过低通滤波器 406 后作为积分项重置值。该低通滤波器可以为任意形式，最简单的可以使用一阶低通滤波器，转移函数可以表示为以下形式：
     其中 q(s) 为积分重置值，为积分状态预测值。这样积分状态加载时间可以由参数 ωi 来调节，通常低通滤波器的带宽 ωi 要高于PID 控制器的带宽的 5 倍，由于积分状态预测包含了跟踪误差的微分项，低通滤波器的带宽 ωi 应低于微分噪声带宽，以限制微分噪声。
     电机调速系统抗饱和 PID 控制方法具体步骤如下：
     a. 判断 PID 控制器的输出 u，若 u 属于限幅范围内，当 PID 控制器输出属于限制器线性区时，积分输入 q′直接等于跟踪误差 e ；
     b. 当 PID 控制器输出属于限制器饱和区时，那么积分状态预测器将计算出一个预测的稳态积分状态值，该值由控制指令值和系统输出值的误差 e、误差的微分值 e′以及限制器输出值共同计算；
     c. 在积分状态预测通过一个低通滤波器，滤波后的值乘以积分系数后作为积分计算值；
     d. 误差 e 乘以比例系数作为比例计算值，误差 e 的微分 ( 即动态误差 ) 乘以微分系数作为微分计算值，由比例计算值，积分计算值和微分计算值相加得出 PID 控制输出 u。
     本发明的优点在于：
     1. 利用积分状态预测设计抗饱和 PID 控制器，使得控制器发生饱和时能获得更小的过冲和更快的退饱和时间。
     2. 积分状态预测无突变，噪声小。 3. 给 PID 控制器抗饱和提供了一种新的方法。附图说明
     图 1 为限幅器示意图。图 2 带执行器饱和的闭环控制系统。图 3 为基于积分状态预测的抗饱和 PID 控制器示意图。图 4 为积分状态预测器示意图。图 5 为基于积分状态预测的抗饱和速度闭环控制示意图。具体实施方式
     下面举例对本发明的具体实施进行描述。本例实施于永磁同步电机的调速控制。调速控制为双环路结构，内环为电流环，外环为速度环，均采用抗饱和 PID 控制。
     电流环采用基于磁场定向的矢量控制，具体原理和实施过程再次就不再赘述。总之，电流环的带宽要远远大于速度环带宽，所以只要电流环稳定，在考虑速度环控制时可以忽略电流环的影响。以下结合附图 5 详细的描述基于积分预测的速度环抗饱和控制器的设计。
     电机调速系统可以表示为一个一阶模型，如下式所示：
     其中 ωref 为速度参考值， ω 为速度输出值， kt 为系统参数，在速度环控制时为 kT/J， τm 为系统参数，在速度环控制时为 J/B， J 为电机负载惯量，B 为粘滞系数，
     v 为限制器输出。
     速度环控制的目的就是对速度参考值进行无差跟踪。速度环的跟踪误差可以表示为下式：
     e ＝ ωref-ω
     速度环跟踪误差 e 作为 PID 控制器的输入，分别经过比例计算，微分运算和积分运算后叠加作为 PID 控制的输出，输出可表示为下式：
     u ＝ kpe+kiq+kde′
     其中 u 为控制器输出，
     kp 为比例系数，
     kd 为微分系数，
     ki 为积分系数，
     q 为积分项，
     e 为速度控制误差，
     e′为速度误差微分。
     速度 PID 控制器输出 u，由于受到限幅器的限制，实际给到电机的输入值为 v( 忽略电流环影响， v 可视为电流值 )。
     当 PID 控制器输出 u ＝ v，即 PID 控制器工作在线性区，此时积分项的输入 q′等于速度跟踪误差 e ；当 PID 控制器输出 u ≠ v，即 PID 控制器工作在饱和范围，那么如图 5 所示速度跟踪动态误差 e′可以由下式表示：
     当 v ∈ {Uh， Ul} 这样饱和范围时的积分状态就可以由上式预测得，如下式：当其中为积分状态预测值。通过一个低通滤波器后作为重置积分项。为了防止积分项突变，将本例中采用最简单的一阶低通滤波器，传递函数可表示如下式：这样积分状态预测值加载时间可以由参数 ωi 来调节。低通滤波器的带宽一般选择高于 PID 控制器的带宽的 5 倍，由于积分状态预测包含了跟踪误差的微分项，为抑制微分噪声，低通滤波器的带宽要低于微分噪声带宽。

资源描述

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1、(10)申请公布号 CN 102624299 A (43)申请公布日 2012.08.01 C N 1 0 2 6 2 4 2 9 9 A *CN102624299A* (21)申请号 201210019001.1 (22)申请日 2012.01.20 H02P 6/08(2006.01) (71)申请人中国科学院上海技术物理研究所地址 200083 上海市虹口区玉田路500号 (72)发明人吕娴娜刘银年孙德新付峪江浩郎均慰符玉襄 (74)专利代理机构上海新天专利代理有限公司 31213 代理人郭英 (54) 发明名称电机调速系统的抗饱和PID控制方法 (57) 摘要本发明公。

2、开了一种电机调速系统抗饱和PID 控制方法，在普通PID控制器中加入积分预测器，当执行器发生饱和时，积分状态预测器利用控制指令值和系统输出值的误差e、该误差的微分值以及限制器输出值共同计算稳态积分状态值，并通过低通滤波器后重置积分项。这种方法能有效地抑制积分饱和现象，使得控制器发生饱和时能获得更小的过冲和更快的退饱和时间。本发明可应用于各类电机调速系统PID控制器。 (51)Int.Cl. 权利要求书1页说明书4页附图2页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请权利要求书 1 页说明书 4 页附图 2 页 1/1页 2 1.一种电机调速系统抗饱和PI。

3、D控制方法，其特征在于包括以下步骤： a.判断PID控制器的输出u，若u属于限幅范围内，即PID控制器输出属于限制器线性区时，积分输入q直接等于跟踪误差e； b.当PID控制器输出属于限制器饱和区时，那么积分状态预测器将计算出一个预测的稳态积分状态值，该值由控制指令值和系统输出值的误差e、误差的微分值e以及限制器输出值v共同计算； c.在积分状态预测后加一个低通滤波器，滤波后的值乘以积分系数后作为积分计算值； d.误差e乘以比例系数作为比例计算值，误差e的微分即动态误差乘以微分系数作为微分计算值，由比例计算值，积分计算值和微分计算值相加得出PID控制输出u。 2.根据权利要求1所述的。

4、一种电机调速系统抗饱和PID控制方法，其特征在于，所述的积分状态预测值由下式确定：其中为积分状态预测值，k i 为积分系数，e为控制误差，e为误差微分值，k t 和 m 均为系统参数，由被控对象参数确定，v为限制器输出。 3.根据权利要求1所述的一种电机调速系统抗饱和控制方法，其特征在于，所述的低通滤波器带宽通常选择高于5倍的PID控制器的带宽，并低于微分噪声带宽。权利要求书CN 102624299 A 1/4页 3 电机调速系统的抗饱和 PID 控制方法技术领域 0001 本发明的实施涉及电机调速系统的控制，更具体而言涉及一种用于电机调速系统的抗饱和PID控制方法。背。

5、景技术 0002 在电机调速系统中，一般采用多环路嵌套的控制方法，如电流环嵌套速度环。由于受到电机最大电流，最大功率，发热等因素的限制，需对电机电流和速度进行限幅。一般限幅器输出如图1所示，形式可表示如下式： 0003 0004 其中U h 为限制器输出上限， 0005 U l 为限制器输出下限。 0006 这种执行器会产生饱和，可能导致控制器的输出和被控对象实际的输入不等，从而引起系统闭环性能变差，例如超调，响应变慢，甚至不稳定，这种现象称为Windup现象。 0007 PID控制器广泛使用于电机调速系统。考虑图2这样一个反馈系统，假如给定参考信号205一个大阶跃，比执行器202达到。

6、饱和值U h 的输入还要大得多。积分器208继续对误差206做积分运算，PID控制器201输出207持续增大。然而，受控对象的输入203被限制在执行器202输出最大值，所以误差206依然很大，直到受控对象203的输出204超出参考值205，误差值206改变符号。如果饱和持续很长一段时间，PID控制器输出207可能变得很大，这将导致一个相当大的负误差206，产生很差的瞬态响应。 0008 积分环节的存在，必然会导致积分饱和现象，所以说对于电机调速系统，必须要考虑系统的Windup现象。条件积分方法是一种传统的抗积分饱和的方法。 0009 条件积分方法具备一个开关环节，当系统控制器发生。

7、限幅饱和时，停止或限制PID 控制器的积分作用。这一类方法可以归结为非线性结构的抗饱和算法。非线性结构的算法在设计和构造控制器的过程中考虑控制输入饱和的非线性特性，通过改变控制器的结构使之能够全局稳定。 0010 最简单的条件积分可以表示成下式所示： 0011 0012 其中q为积分输入，e为跟踪误差，u为限幅器输入，v为限幅器输出。 0013 这种方法实现简单，但积分作用的限制值不容易掌握，且一旦输入条件发生变化，该方法不一定能有效抑制Windup现象。 0014 A.Scottedward Hodel，and Charles E.Hall，在Variable-Structure PI。

8、D Control to Prevent Integrator Windup，一文中公开了一种提出了一种约束积分项的方法，在控制器工作在线性区时，积分输入就等于被控误差，一旦进入饱和区，积分输入由饱和程度，即限幅器输入和输出的差值计算决定。上述方法可以表达为下式：说明书CN 102624299 A 2/4页 4 0015 0016 其中和K c 均为正常数。 0017 这种方法中，通过合理配置负反馈支路增益K c 可达到较为理想的控制效果，但对不同的系统条件缺乏鲁棒性。发明内容 0018 本发明的目的在于，针对现有抗饱和PID控制器对于不同控制输入条件缺乏鲁棒性的不足，提出一种。

9、基于积分状态预测的抗饱和(anti-windup)PID控制方法。 0019 本发明是通过对控制误差分别进行比例运算、积分运算和微分运算后的结果进行累加作为控制器输出。为了抗积分饱和，其中的积分运算不同于普通积分运算，如图4所示由一个切换开关404、一个积分状态预测器405和一个低通滤波器406组成。 0020 切换开关404由限幅器输出408控制，当限幅器输出408等于输入409时，即PID 控制器工作在限幅器407的线性区，积分输入411就等于控制误差410；当限幅器输出408 不等于输入409时，即PID控制器工作在限幅器407的饱和区，积分项413重置为一预测值。积分输入可表示如。

10、下式： 0021 0022 其中q为积分输入，e为控制误差，u为限幅器输入，v为限幅器输出， i 为低通滤波器带宽。 0023 积分状态预测器结构如图5所示，积分状态预测值501由控制误差502，动态控制误差503(即误差微分)以及限幅器输出值504所计算得出，计算过程如下式表示： 0024 当 0025 其中为积分状态预测值， 0026 e为误差微分值， 0027 k t 为系统参数， 0028 m 为系统参数， 0029 v为限制器输出， 0030 U h 为限制器输出上限， 0031 U l 为限制器输出下限。 0032 积分状态预测值通过低通滤波器406后作为积分项重置值。该低通。

11、滤波器可以为任意形式，最简单的可以使用一阶低通滤波器，转移函数可以表示为以下形式： 0033 0034 其中q(s)为积分重置值， 0035 为积分状态预测值。 0036 这样积分状态加载时间可以由参数 i 来调节，通常低通滤波器的带宽 i 要高于说明书CN 102624299 A 3/4页 5 PID控制器的带宽的5倍，由于积分状态预测包含了跟踪误差的微分项，低通滤波器的带宽 i 应低于微分噪声带宽，以限制微分噪声。 0037 电机调速系统抗饱和PID控制方法具体步骤如下： 0038 a.判断PID控制器的输出u，若u属于限幅范围内，当PID控制器输出属于限制器线性区时，积分输入q。

12、直接等于跟踪误差e； 0039 b.当PID控制器输出属于限制器饱和区时，那么积分状态预测器将计算出一个预测的稳态积分状态值，该值由控制指令值和系统输出值的误差e、误差的微分值e以及限制器输出值共同计算； 0040 c.在积分状态预测通过一个低通滤波器，滤波后的值乘以积分系数后作为积分计算值； 0041 d.误差e乘以比例系数作为比例计算值，误差e的微分(即动态误差)乘以微分系数作为微分计算值，由比例计算值，积分计算值和微分计算值相加得出PID控制输出u。 0042 本发明的优点在于： 0043 1.利用积分状态预测设计抗饱和PID控制器，使得控制器发生饱和时能获得更小的过冲和更快。

13、的退饱和时间。 0044 2.积分状态预测无突变，噪声小。 0045 3.给PID控制器抗饱和提供了一种新的方法。附图说明 0046 图1为限幅器示意图。 0047 图2带执行器饱和的闭环控制系统。 0048 图3为基于积分状态预测的抗饱和PID控制器示意图。 0049 图4为积分状态预测器示意图。 0050 图5为基于积分状态预测的抗饱和速度闭环控制示意图。具体实施方式 0051 下面举例对本发明的具体实施进行描述。本例实施于永磁同步电机的调速控制。调速控制为双环路结构，内环为电流环，外环为速度环，均采用抗饱和PID控制。 0052 电流环采用基于磁场定向的矢量控制，具体原理和实施过程。

14、再次就不再赘述。总之，电流环的带宽要远远大于速度环带宽，所以只要电流环稳定，在考虑速度环控制时可以忽略电流环的影响。以下结合附图5详细的描述基于积分预测的速度环抗饱和控制器的设计。 0053 电机调速系统可以表示为一个一阶模型，如下式所示： 0054 0055 其中 ref 为速度参考值，为速度输出值， 0056 k t 为系统参数，在速度环控制时为k T /J， 0057 m 为系统参数，在速度环控制时为J/B， 0058 J为电机负载惯量，说明书CN 102624299 A 4/4页 6 0059 B为粘滞系数， 0060 v为限制器输出。 0061 速度环控制的目的就是对速度。

15、参考值进行无差跟踪。速度环的跟踪误差可以表示为下式： 0062 e ref - 0063 速度环跟踪误差e作为PID控制器的输入，分别经过比例计算，微分运算和积分运算后叠加作为PID控制的输出，输出可表示为下式： 0064 uk p e+k i q+k d e 0065 其中u为控制器输出， 0066 k p 为比例系数， 0067 k d 为微分系数， 0068 k i 为积分系数， 0069 q为积分项， 0070 e为速度控制误差， 0071 e为速度误差微分。 0072 速度PID控制器输出u，由于受到限幅器的限制，实际给到电机的输入值为v(忽略电流环影响，v可视为电流值)。。

16、0073 当PID控制器输出uv，即PID控制器工作在线性区，此时积分项的输入q等于速度跟踪误差e；当PID控制器输出uv，即PID控制器工作在饱和范围，那么如图5所示速度跟踪动态误差e可以由下式表示： 0074 当vU h ，U l 0075 这样饱和范围时的积分状态就可以由上式预测得，如下式： 0076 当 0077 其中为积分状态预测值。 0078 为了防止积分项突变，将通过一个低通滤波器后作为重置积分项。 0079 本例中采用最简单的一阶低通滤波器，传递函数可表示如下式： 0080 0081 这样积分状态预测值加载时间可以由参数 i 来调节。低通滤波器的带宽一般选择高于PID控制器的带宽的5倍，由于积分状态预测包含了跟踪误差的微分项，为抑制微分噪声，低通滤波器的带宽要低于微分噪声带宽。说明书CN 102624299 A 1/2页 7 图1 图2 图3 说明书附图CN 102624299 A 2/2页 8 图4 图5 说明书附图CN 102624299 A 。

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