CN111752143B - 一种可调惯性积分控制方法 - Google Patents

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    • G05B11/42—Automatic controllers electric with provision for obtaining particular characteristics, e.g. proportional, integral, differential for obtaining a characteristic which is both proportional and time-dependent, e.g. P.I., P.I.D.

Abstract

本发明一种可调惯性积分控制方法，计算当前时刻控制器的输入误差值；更新当前时刻积分控制的误差积分值；计算当前时刻积分控制值，即积分系数与当前时刻误差积分值的乘积；判断当前时刻的积分控制值是否超过最小积分控制阈值，若已达到，则进行第五步；否则，进行第七步；将当前积分控制值作为积分输出值输出返回给控制器；将当前误差积分项用积分惯性系数作用后，更新当前误差积分值，即积分惯性系数与当前误差积分值的乘积重新赋值给当前误差积分项；积分控制无输出；结束当前判断循环，进入下一个控制循环；本发明避免了传统方法中积分输出值持续增加而导致的超调过大，为具有惯性延迟的执行器提供了动作时间，保证控制器具有充足的调节时间。

Description

一种可调惯性积分控制方法
技术领域
本发明涉及一种控制方法，尤其涉及一种可调惯性积分控制方法，属于自动控制领域。
背景技术
积分控制方法经常与比例控制和微分控制结合，形成比例-积分-微分(PID)控制，广泛的应用到控制系统中。其中积分控制的主要作用是消除系统静差，提高系统的无差度，从而保障系统的输出趋近于事先预定好的设定值。对于数字式控制器中含有的积分控制，具体来说就是将系统过去一段时间调节后得到的误差累加后乘以积分系数Ki，得到积分控制的输出值来修正系统的稳态误差。而传统的积分控制会由于过去的累加误差过大而导致控制器超调过大，延长了系统工作状态趋于稳定的时间。因此，为了避免出现积分控制过程累误差过大而导致的超调过大的情况，尽可能保障控制器的调节时间和准确性，考虑到执行器存在惯性延迟的问题，可在累加误差较大的情况下将积分控制的输出值在每一时间段内都有一个由小到大的增加过程，来使执行器在这一过程的时间内充分调节。
目前现有的公开资料中，大多数针对积分系数Ki进行调节，例如：公开号CN1371490A(公开日2002年9月25日)的专利文件中公开了一种可变增益比例积分控制器中的系统和方法，主要面向电磁阀驱动信号的产生，其中对积分控制做出了改进。其特征在于积分增益系数是设置点信号的函数，对于积分过程中的积分增益系数是可变的，通过比较设置点信号是否小于最大的设置点的归一化的预定百分数来选择不同的积分增益系数，从而在低的阀门增益时获得高的积分增益补偿，来抵消其影响。该专利主要涉及了电磁阀的驱动方法中的积分增益系数如何设置变化，而没有涉及积分控制中的累加误差项(本发明所述的误差积分值)是如何处理的。
又如：公开号CN105627529B(公开日2018年7月31日)的专利文件公开了一种基于变速积分PID型迭代学习算法的空调控制方法，其中涉及了关于积分控制方法的改进，其特征在于通过引入变速积分控制器进行变速积分控制算法运算，适当的改变每次迭代学习控制的积分环节增益值，来缩小实际静压值与预设值之间的差距，来减小稳态误差。该技术涉及了积分环节的可变增益方法，而没有涉及到积分控制中的累加误差项(本发明所述的误差积分值)是如何处理的。
公开号CN101859097B(公开日2012年2月8日)的专利文件公开了一种基于保持型仿人PID的系统控制方法，其中涉及了对积分控制的一种改进方法，其特征在于按时间先后顺序，将多个时间区间划分为交替的积分保持区间和积分作用区间，两类区间保持交错分布。在积分保持区间上积分作用保持上一时间区间的积分终值；在积分作用区间，在上一时间区间积分作用基础上进行积分运算。根据偏差信号和偏差信号一阶导数组合形成的判断条件决定控制器的积分工作在哪个区间。该方法在仿人积分控制的方法上做出改进，利用积分保持和积分作用保证了误差信息有效利用，避免出现过大的超调。该发明主要针对仿人PID控制器中的仿人积分控制进行改进，没有涉及传统积分控制的改进方法。
公开号CN106169897A(公开日2019年1月8号)的专利文件公开了一种一种电机速度实时抗饱和PID控制方法及装置，其中涉及了积分控制的一些内容，其特征在于将控制器前一时刻的积分值Ui(k-1)、积分系数ki和额定转速和实际转速作差得到的误差e(k)的乘积以及抗饱和系数kc和当前时刻的饱和误差esat的和作为当前时刻的积分值Ui(k)，进一步判断当前时刻积分值是否达到积分限幅值，若不满足，则限幅调整当前时刻积分值Ui(k)，根据电机的最大转矩限值来更新，从而得到新的积分值Ui'(k)。该专利涉及了根据电机的最大扭矩限幅值来调节积分值，属于电机控制系统的积分环节调节，而没有涉及其他常规控制系统的积分控制方法是如何实现的。
发明内容
本发明的目的是提供一种可以避免由于累加误差过大而导致的系统超调过大，从而加快系统稳定的一种可调惯性积分控制方法，能够保证控制器有充足的调节时间，执行器有充分的动作时间。
本发明的目的是这样实现的：
一种可调惯性积分控制方法，包括以下步骤：
第一步，计算当前时刻控制器的输入误差值；
第二步，更新当前时刻积分控制的误差积分值，即前一时刻的误差积分值和当前时刻控制器输入误差值的和；
第三步，计算当前时刻积分控制值，即积分系数与当前时刻误差积分值的乘积；
第四步，判断当前时刻的积分控制值是否超过最小积分控制阈值，若已达到，则进行第五步；否则，进行第七步；
第五步，将当前积分控制值作为积分输出值输出返回给控制器；
第六步，将当前误差积分项用积分惯性系数作用后，更新当前误差积分值，即积分惯性系数与当前误差积分值的乘积重新赋值给当前误差积分项；
第七步，积分控制无输出；
第八步，结束当前判断循环，进入下一个控制循环。
本发明还包括这样一些特征：
所述积分控制阈值和积分惯性系数的大小根据控制器控制输出精度和执行器的自身惯性延迟性质进行选取；
若控制器控制输出精度高，可以选择较小的积分控制阈值，来满足高精度调节；若控制器控制输出精度低，可以选择较大的积分控制阈值，来匹配控制器控制的需求；
若执行器惯性延迟小，可以选择大的积分惯性系数，使得误差积分值在下一个控制循环累加时迅速增大，从而缩短相邻积分输出值的间隔时间，从而保证控制的快速性；若执行器惯性延迟大，可以选择小的积分惯性系数，使得误差积分值在下一个控制循环累加时增加较前一种情况增长缓慢，从而增加相邻积分输出值的间隔时间，留给执行器去响应。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
利用0到1间取值的积分惯性系数降低了每一控制循环的误差积分项的值，使得每一个控制循环均存在误差积分项由小到大的过程，选择不同的积分惯性系数可以控制控制相邻积分作用输出的时间长短，因此避免了传统的积分控制作用持续增大而导致的超调过大，并且由于积分输出的时间间隔保证了控制器充足的调节时间和执行器的动作时间。
附图说明
图1是本发明实施例的可调惯性积分控制方法结合积分抗饱和的流程图；
图2是本发明实施例的可调惯性积分控制方法结合积分抗饱和的曲线图；其中：S1-控制器输入误差曲线、S2-传统积分控制方法积分输出值曲线、S3-惯性系数取值为λ1时可调惯性积分方法积分输出曲线、S4-惯性系数取值为λ2时可调惯性积分方法积分输出曲线、Imax:积分饱和时积分输出的最大值、Imin:最小积分输出阈值。
具体实施方式
下面结合附图举实例对本发明作进一步说明
对于现代数字式控制器，大多数为了消除系统的静差，而引入了积分控制。控制器可以看成一个实时的采样系统，控制器根据离散后的采样序列的偏差来计算控制量。具体来说是控制器计算采样序列的累计误差作为误差积分值，误差积分值乘以积分系数，从而得到积分控制值，利用该积分控制值作为积分输出值来抵消系统的静差，但此方法在误差积分值长时间较大时会导致系统出现过大的超调，从而影响系统的稳定时间。因此本发明特征在于：考虑到控制器设计时存在执行器控制最小精度的问题，对积分控制值引入一个最小积分控制阈值；为避免控制过程中出现过大的超调，对当前控制循环的误差积分值引入一个系数(本文称为积分惯性系数)参与计算。初始后，对每一个控制循环当积分控制值大于控制阈值时，积分控制输出积分值后，积分惯性系数的作用使误差积分值按比例减小后，作为下一个控制循环的误差积分值以及积分控制值的计算依据，间接降低了下一个控制循环的积分输出值，从而区别于传统积分控制方法中积分输出值持续增加后一段时间内维持不变而导致过大的超调。
进一步的，对于积分控制的初始误差积分值为零，当当前控制循环开始时，计算当前采样时刻输入控制器的误差信号作为当前采样时刻的误差积分值，利用积分系数与当前采样时刻的误差积分值的乘积得到当前时刻的积分控制值，进一步判断当前时刻的积分控制值是否超过最小积分控制阈值。若超过该阈值，则积分输出值取当前的积分控制值，并对当前控制循环的误差积分值进一步处理；若没有超过该阈值，则积分输出值为零。
进一步的，对当前控制循环的误差积分值进一步处理，采用积分惯性系数与当前控制循环的误差积分值乘积的形式。由于不同执行器自身的惯性延迟不同，所以通过选取积分惯性系数不同大小的值去限制当前控制循环的误差积分值，作为计算下一个控制循环的误差积分值的依据。
进一步的，积分惯性系数的取值范围为[0,1]。当积分惯性系数取值为0时，表示积分控制无惯性，控制过程中下一个控制循环与当前控制循环的误差积分值无关，误差积分值清零；积分惯性系数取值为(0,1)时，表示积分控制存在惯性，控制过程中下一个控制循环与当前控制循环的误差积分值部分相关。在这一过程中，由于积分惯性系数的存在，使得误差积分值每一控制循环都存在着由小到大的增加过程，不同的积分惯性系数大小控制着相邻积分作用输出的时间间隔；当积分惯性系数取值为1时，表示控制过程中下一个控制循环与当前控制循环的误差积分值全相关，即此时为传统的积分控制过程。
进一步的，一种可调惯性积分控制方法，包括以下步骤：
第一步，计算当前时刻控制器的输入误差值；
第二步，更新当前时刻积分控制的误差积分值，即前一时刻的误差积分值和当前时刻控制器输入误差值的和；
第三步，计算当前时刻积分控制值，即积分系数与当前时刻误差积分值的乘积；
第四步，判断当前时刻的积分控制值是否超过最小积分控制阈值。若已达到，则进行第五步；否则，进行第七步；
第五步，将当前积分控制值作为积分输出值输出返回给控制器；
第六步，将当前误差积分项用积分惯性系数作用后，更新当前误差积分值，即积分惯性系数与当前误差积分值的乘积重新赋值给当前误差积分项。
第七步，积分控制无输出；
第八步，结束当前判断循环，进入下一个控制循环。
进一步的，积分控制阈值和积分惯性系数的大小根据控制器控制输出精度和执行器的自身惯性延迟性质进行选取。
进一步的，若控制器控制输出精度高，可以选择较小的积分控制阈值，来满足高精度调节；若控制器控制输出精度低，可以选择较大的积分控制阈值，来匹配控制器控制的需求。
进一步的，若执行器惯性延迟小，可以选择大的积分惯性系数，使得误差积分值在下一个控制循环累加时迅速增大，从而缩短相邻积分输出值的间隔时间，从而保证控制的快速性；若执行器惯性延迟大，可以选择小的积分惯性系数，使得误差积分值在下一个控制循环累加时增加较前一种情况增长缓慢，从而增加相邻积分输出值的间隔时间，留给执行器去响应。
下面将结合附图1和附图2对本发明进行进一步的阐述。应当理解，本实施例仅作为实施例，不限制本发明的保护范围。对于本发明所属领域的相关技术人员应当明白，在基于本发明技术前提下，所作的拓展、替换均属于本发明保护范围之内。
对于现代数字式控制器，大多数为了消除系统的静差，而引入了积分控制。控制器可以看成一个实时的采样系统，控制器根据离散后的采样序列i(i＝0,1,2……n)的偏差e(i)来计算控制量。具体来说是控制器计算采样序列k的累计误差
Figure GDA0002657306540000051
作为误差积分值，误差积分值En乘以积分系数Ki从而得到积分控制值In，利用该积分控制值In作为积分输出值Iout来抵消系统的静差，但此方法在误差积分值En长时间较大时会导致系统出现过大的超调，从而影响系统的稳定时间。因此本发明特征在于：考虑到控制器设计时存在执行器控制最小精度的问题，对积分控制值In引入一个最小积分控制阈值Imin；为避免控制过程中出现过大的超调，对当前控制循环的误差积分值En引入一个系数λ(本文称为积分惯性系数)参与计算。初始后，对每一个控制循环当积分控制值In大于控制阈值Imin时，积分控制输出积分值Iout后，积分惯性系数λ的作用使误差积分值En按比例减小后，作为下一个控制循环的误差积分值En+1以及积分控制值In+1的计算依据，间接降低了下一个控制循环的积分输出值Iout+1，从而区别于传统积分控制方法中积分输出值Iout持续增加后一段时间内维持不变而导致过大的超调。
为了说明本发明的具体实施效果，避免积分饱和现象的出现对本发明的影响，实施方式中引入了限制积分饱和的步骤；
结合附图1，一种可调惯性积分控制方法结合积分抗饱和的具体实施方式，包含以下步骤：
第一步，计算当前时刻控制器的输入误差值ei；
第二步，更新当前时刻积分控制的误差积分值En，即前一时刻的误差积分值En和当前时刻控制器输入误差值ei的和；
第三步，计算当前时刻积分控制值Ii，即积分系数Ki与当前时刻误差积分值En的乘积；
第四步，判断当前时刻的积分控制值Ii是否超过最小积分控制阈值Imin。若已达到，则进行第五步；否则，进行第九步；
第五步，判断当前时刻的积分控制值Ii是否超过积分饱和限值Imax，若已达到，则进行第六步；否则，进行第十步；
第六步，将积分饱和限值Imax赋值给积分输出值Iout返回给控制器；
第七步，将当前时刻的误差积分值En乘以积分惯性系数λ后赋值给En；
第八步，结束当前判断循环，进入下一控制循环；
第九步，积分输出值Iout＝0并返回给控制器，返回第八步；
第十步，将当前时刻的积分控制值Ii赋值给积分输出值Iout返回给控制器，返回第八步。
结合附图2，可知：
进一步的，积分控制阈值Imin和积分惯性系数λ的大小根据控制器控制输出精度和执行器的自身惯性延迟性质进行选取。
进一步的，若控制器控制输出精度高，可以选择较小的积分控制阈值Imin，来满足高精度调节；若控制器控制输出精度低，可以选择较大的积分控制阈值Imin，来匹配控制器控制的需求。
进一步的，若执行器惯性延迟大，可以选择小的积分惯性系数λ2，使得误差积分值En在下一个控制循环累加时增加较前一种情况增长缓慢，从而增加相邻积分输出值Iout的间隔时间，留给执行器去响应；若执行器惯性延迟小，可以选择大的积分惯性系数λ1，使得误差积分值En在下一个控制循环累加时迅速增大，从而缩短相邻积分输出值Iout的间隔时间，从而保证控制的快速性。
本发明提供了一种可调惯性积分控制方法，对于现代控制系统，为了消除系统的静差，而引入积分控制。但当累计误差过大时，将导致系统的超调量过大，从而影响了系统稳定时间。因此，通过引入积分惯性系数λ对误差积分值进行比例限制，可以使每一个控制循环的误差积分值En均存在由小到大的过程，进而使得积分控制值存在由小到大的过程，最终使得相邻积分输出值间存在由小到大的过程，选择不同大小的积分惯性系数使得积分输出值由小到大的上升时间不同。避免了传统方法中积分输出值持续增加而导致的超调过大，为具有惯性延迟的执行器提供了动作时间，保证控制器具有充足的调节时间。

Claims (4)

1.一种可调惯性积分控制方法，其特征是，包括以下步骤：
第一步，计算当前时刻控制器的输入误差值；
第二步，更新当前时刻积分控制的误差积分值，即前一时刻的误差积分值和当前时刻控制器输入误差值的和；
第三步，计算当前时刻积分控制值，即积分系数与当前时刻误差积分值的乘积；
第四步，判断当前时刻的积分控制值是否超过最小积分控制阈值，若已达到，则进行第五步；否则，进行第七步；
第五步，将当前积分控制值作为积分输出值输出返回给控制器；
第六步，将当前误差积分值用积分惯性系数作用后，更新当前误差积分值，即积分惯性系数与当前误差积分值的乘积重新赋值给当前误差积分值；
第七步，积分控制无输出；
第八步，结束当前判断循环，进入下一个控制循环；
所述积分惯性系数的取值范围为[0,1]。
2.根据权利要求1所述的可调惯性积分控制方法，其特征是，所述积分控制阈值和积分惯性系数的大小根据控制器控制输出精度和执行器的自身惯性延迟性质进行选取。
3.根据权利要求1所述的可调惯性积分控制方法，其特征是，若控制器控制输出精度高，可以选择较小的积分控制阈值，来满足高精度调节；若控制器控制输出精度低，可以选择较大的积分控制阈值，来匹配控制器控制的需求。
4.根据权利要求1所述的可调惯性积分控制方法，其特征是，若执行器惯性延迟小，可以选择大的积分惯性系数，使得误差积分值在下一个控制循环累加时迅速增大，从而缩短相邻积分输出值的间隔时间，从而保证控制的快速性；若执行器惯性延迟大，可以选择小的积分惯性系数，使得误差积分值在下一个控制循环累加时增加较前一种情况增长缓慢，从而增加相邻积分输出值的间隔时间，留给执行器去响应。
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