[发明专利]具有积分饱和预处理功能的PID控制方法

说明书

技术领域

本发明涉及工业控制的PID控制领域，更具体地，涉及一种具有积分饱和预处理功能的PID控制方法。

背景技术

PID控制方法是在过程控制中应用最广泛的一种控制规律，在PID的控制规律中具有三个系数：比例系数k_p、积分系数K_i和微分系数K_d。该比例系数k_p的作用是加快系统的响应速度，提高系统的调节精度：比例系数k_p过大则易产生超调；比例系数k_p过小则会降低调节精度，使得响应速度减慢，从而延长了调节时间。积分系数K_i的作用是消除系统的静态误差：积分系数K_i过大，在响应过程的初期会产生积分饱和现象，从而引起响应过程的较大超调；积分系数K_I过小将使系统静态误差难以消除，影响系统的调节精度。微分系数K_d的作用是改善系统的动态特征，在响应过程中抑制偏差向任何方向变化，对偏差变化进行提前预报：微分系数K_d过大会使得响应过程提前制动，从而延长调节时间，而且降低系统的抗干扰性能。

参考图1这样的一种反馈系统，假如给定参考信号205一个大的阶跃，比执行器202达到饱和值的输入还要大得多。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。

从上述针对PID控制器的示范例中可以看出，由于积分环节的存在，如果不做相应的处理，很容易导致积分饱和现象。

积分饱和一般出现在下面一些情况：当偏差产生跃变时，位置型PID算式的输出将急剧增大或减小，有可能超过执行机构的上(下)限，而此时执行机构只能工作在上限；系统输出需要很长时间才达到给定值，在这段时间内算式的积分项将产生一个很大的积累值；当系统输出超过给定值后，偏差反向，但由于大的积分积累值，控制量需要相当一段时间脱离饱和区。因此引起系统产生大幅度超调，导致系统不稳定。

因此，所谓积分饱和现象是指如果系统存在一个方向的偏差，PID控制器的输出由于积分作用的不断累加而加大，从而导致控制器输出u(k)达到极限位置。此后若控制器输出继续增大，u(k)也不会再增大，即系统输出超出正常运行范围而进入了饱和区。一旦出现反向偏差，u(k)逐渐从饱和区退出。进入饱和程度愈深则退饱和时间愈长。此段时间内，执行机构仍停留在极限位置而不能随着偏差反向立即做出相应的改变，这时系统就像失去控制一样，造成控制性能恶化。这种现象称为积分饱和现象或积分失控现象。

目前工业上常用的克服积分饱和现象的方法主要有积分分离法、条件积分法、变速积分PID控制控制方法、超限削弱积分法以及有效偏差法。

以积分分离法为例，积分分离式PID控制方法的基本思想是：当被控量与设定值偏差较大时，取消积分的作用，以免由于积分作用使系统稳定性降低，超调量增大；当被控量接近给定值时，引入积分控制，以便消除静差，提高控制精度。

发明专利申请号为201210097715.4的名称为“改进的积分分离式PID控制方法”提出了一种改进的积分分离式PID控制方法，设置了理论输出值的上限值和下限值，防止出现过大或者过小的控制量，即使出现积分饱和的现象，由于积分累计较小，也能较快地退出超调，从而增强了超调的响应速度并且减少了超调，并且提供了两个理论输出值之间的差值，提供了系统的调节精度。但是依然存在退出超调的响应速度慢，无法实现正反向调节以及调节精度不高等问题。

以条件积分法为例，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，停止或者限制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控制方法，需要在控制过程中考虑控制输入饱和和非线性特性，通过改变控制器的结构使之能够全局稳定。这种条件积分方法实现简单，但是积分作用的限制值不容易掌握。