主要内容

PID控制器防清盘控制

开放模式

模型描述

本例展示了当执行器饱和时，如何使用防上发条方案来防止PID控制器中的积分上发条。我们使用Simulink®中的PID控制器块，该块具有两个内置的防关闭金宝app方法，反演计算而且夹紧，以及一个跟踪模式，以处理更复杂的情况。

被控对象是具有死时间的饱和一阶过程。

我们首先打开模型。

图1:金宝app具有输入饱和的某装置PID控制的Simulink模型。

要打开此模型，请键入sldemo_antiwindup在MATLAB®终端中。

PID控制器已使用Simulink®Control Design™的PID调谐器调谐饱和忽略。金宝app

受控过程是一阶过程，其死时间描述为

$ $ P (s) = \压裂{1}{10 s + 1} e ^ {2} $ $

植物已知的输入饱和限制为[- 10,10]，这在标记为plant Actuator的饱和块中得到说明。Simulink中的PID控制器块具有两种内置的反关闭方金宝app法，允许PID控制器块考虑有关植物输入饱和的可用信息。

不使用反结束的性能

首先，我们研究了PID控制器块不考虑饱和模型时，饱和对闭环的影响。模拟图1中的模型生成如下所示的结果。

图2:设定值与无反上紧的测量输出。

图3:控制器输出和饱和输入，无防上紧。

图2和图3强调了在控制输入饱和系统时出现的两个问题:

  1. 当设定值为10时，PID控制信号在24左右达到稳定状态，超出执行器的范围。因此，控制器工作在一个非线性区域，其中增加控制信号对系统输出没有影响，这种情况称为结束．请注意，该装置的直流增益是统一的，因此控制器输出没有理由在执行器的范围之外具有稳态值。

  2. 当设定值变为5时，PID控制器输出在返回到执行器范围内之前会有相当大的延迟。

在设计PID控制器时考虑到饱和的影响，可以提高其性能，使其大部分时间都在线性区域内工作，并迅速从非线性中恢复。反绕组电路是实现这一目标的一种方法。

配置基于反计算的防清盘阻断

反算防上卷法是在控制器达到指定的饱和极限进入非线性运行时，采用反馈回路放电PID控制器内部积分器。若要启用防上卷，请转到输出饱和块对话框中的TAB;选择限制输出；进入植物的饱和极限。然后,选择反演计算从Anti-windup方法菜单，并指定反算系数(Kb)．这个增益的倒数是反上环的时间常数。在本例中，反向计算增益选择为1。有关如何选择此值的更多信息，请参阅参考[1]。

图4:启用反计算反清盘方法。

一旦启用了反向计算，块就有一个内部跟踪循环，释放Integrator输出。

图5:带有反计算的PID控制器块的掩码下视图。

图6和图7给出了激活了anti-windup的模型仿真结果。注意PID控制信号返回线性区域的速度和环路从饱和恢复的速度。

图6:设定值与带有反计算的测量输出。

图7:控制器输出和饱和输入与反计算。

图7显示了控制器输出u (t)饱和输入坐(u)相互重合是因为限制输出启用。

为了更好地可视化防上紧的效果，图8说明了工厂测量的输出y (t)带和不带防卷绕装置。

图8:带和不带防上紧装置的测量输出。

基于积分器夹持的防清盘块配置

另一种常用的反清盘策略是基于条件积分。若要启用防上卷，请转到PID先进块对话框中的TAB;选择限制输出；进入植物的饱和极限。然后,选择夹紧从Anti-windup方法菜单。

图9:设定值与夹紧测量输出。

图10:控制器输出和饱和输入与夹紧。

图10显示了控制器输出u (t)饱和输入坐(u)相互重合是因为限制输出启用。

有关何时使用的更多信息夹紧，参见参考文献[1]。

使用跟踪模式处理复杂的反清盘场景

前面讨论的反清盘策略依赖于内置的方法来处理通过对话框提供给块的饱和信息。要使这些内置技术按预期工作，必须满足两个条件:

  1. 植物的饱和极限是已知的，可以进入区块的对话框。

  2. PID控制器输出信号是唯一的信号馈送执行器。

在处理一般的反清盘场景时，这些条件可能是限制性的。PID控制器块具有跟踪模式，允许用户在外部设置反计算防上环。考虑以下两个示例来说明跟踪模式用于反清盘目的:

  1. 级联动态饱和致动器的反绕组

  2. 具有前馈的PID控制的防上浮

基于级联动力学的饱和执行器抗绕组电路的构建

在下面的模型中，执行器具有复杂的动力学。当驱动器有自己的闭环动态时，这是常见的。PID控制器位于外环，将执行器动态视为内环，或简单地视为如图1所示的级联饱和动态。

图11:金宝app级联作动器动态PID控制器的Simulink模型。

要打开此模型，请键入sldemo_antiwindupactuator在MATLAB终端中。

在这种情况下，一个成功的反上发条策略需要将执行器输出反馈到PID控制器块的跟踪端口，如图11所示。配置跟踪模式，执行“PID控制器”区域框的PID先进块对话框中的TAB;选择开启跟踪模式；并指定增益Kt．这个增益的倒数是跟踪回路的时间常数。有关如何选择此增益的更多信息，请参阅参考文献[1]。

图12和13显示了该工厂的测量输出y (t)控制器输出u (t)对设定值的变化几乎立即做出反应。如果没有反上紧电路，这些响应将是缓慢的，有很长时间的延迟。

图12:设定值与测量输出。

图13:控制器输出和有效饱和输入。

基于前馈PID控制的防绕组电路的构建

在另一种常见的控制配置中，执行器接收控制信号，该控制信号是PID控制信号和前馈控制信号的组合。

为了准确地构建反计算反上发条回路，跟踪信号要减去前馈信号的贡献。这使得PID控制器块知道它的有效控制信号应用到执行器的份额。

下面的模型包括一个前馈控制。

图14:金宝appSimulink模型的PID控制器具有前馈，且植物输入饱和。

这里选择的前馈增益是统一的，因为该装置的dc-增益为1。

要打开此模型，请键入sldemo_antiwindupfeedforward在MATLAB终端中。

图15和16显示了该工厂的测量输出y (t)控制器输出u (t)对设定值的变化几乎立即做出反应。当设定值为10时，请注意图16中的控制器输出u (t)减小到执行器的范围内。

图17:设定值vs.无反上紧的测量输出。

图18:控制器输出和饱和输入抗上紧。

总结

PID控制器块支持几个特性，允许它在常见的工业场景金宝app下处理控制器上发条问题。

参考文献

  1. K. Åström, T. Hägglund，高级PID控制， ISA，研究三角园，北卡罗来纳州，2005年8月。

另请参阅

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