CN115016250B - 一种改进型抗饱和结构的伺服速度控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种改进型抗饱和结构的伺服速度控制方法，包括：将速度控制信号与被控对象的速度反馈信号之间的偏差值输入PI控制器的比例环节和积分环节；将所述比例环节前后端的差值作为第一反馈信号；将PI控制器的输出进行饱和限制，将饱和限制环节前后端的差值作为第二反馈信号；将第一反馈信号和第二反馈信号补偿到积分环节的前端；将饱和限制环节的输出信号作为被控对象的速度控制信号。本发明在Anti－reset Windup的基础上针对其补偿精度低的问题，对抗饱和结构进行改进，加入了对非积分项的补偿，在保证了原算法结构简单的优点的同时，提高对积分项的补偿精度，提升了系统鲁棒性。

Description

一种改进型抗饱和结构的伺服速度控制方法
技术领域
本发明涉及电机自动控制技术领域，具体涉及一种改进型抗饱和结构的伺服速度控制方法。
背景技术
在伺服驱动系统的实际控制过程中，为了避免输出电流过大烧毁电机，控制器输出的指令电流需要受到电机参数如最大指令电流的限制。速度控制器的输出饱和使系统输出的电磁转矩受限，导致系统在受到外部扰动后的实际输出转矩与期望输出转矩不相等，使系统的响应时间变长，系统鲁棒性降低。特别是在控制结构存在积分环节时，由于积分不能突变导致无法快速退饱和，该现象被称为Windup(饱和)现象。
因此在设计抗扰的速度控制器时，需要考虑Windup现象，避免由于输出饱和导致的系统鲁棒性降低。目前常规使用的Anti－reset Windup(抗积分饱和)方法是将饱和限制前后的差值作为反馈补偿到积分环节中，补偿结构简单，基于PI控制器的Anti－resetWindup结构如图1所示。但由于饱和限制前后的差值实际包括了比例环节和积分环节两部分，而比例环节不存在无法快速退饱和的问题，因此补偿精度低。
发明内容
本发明针对现有技术中存在的技术问题，提供一种改进型抗饱和结构的伺服速度控制方法，在Anti－reset Windup的基础上针对其补偿精度低的问题，对抗饱和结构进行改进，加入了对非积分项的补偿，在保证了原算法结构简单的优点的同时，提高对积分项的补偿精度。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：
一种改进型抗饱和结构的伺服速度控制方法，包括：
将速度控制信号与被控对象的速度反馈信号之间的偏差值输入PI控制器的比例环节和积分环节；
将所述比例环节前后端的差值作为第一反馈信号；将PI控制器的输出进行饱和限制，将饱和限制环节前后端的差值作为第二反馈信号；将第一反馈信号和第二反馈信号补偿到积分环节的前端；
将饱和限制环节的输出信号作为被控对象的速度控制信号。
在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。
进一步，该方法还包括：
采用差分运算的方式计算速度控制信号与被控对象的速度反馈信号之间的偏差值。
进一步，所述将所述比例环节前后端的差值作为第一反馈信号；将PI 控制器的输出进行饱和限制，将饱和限制环节前后端的差值作为第二反馈信号；将第一反馈信号和第二反馈信号补偿到积分环节的前端；包括：
将比例环节前端的输入信号与比例环节后端的输出信号进行差分运算，得到的差值作为第一反馈信号；
将PI控制器的输出信号与饱和限制环节的输出信号进行差分运算，得到的差值作为第二反馈信号；
将第一反馈信号与第二反馈信号进行差分运算，得到的差值补偿到积分环节的输入端。
进一步，当系统输出饱和时，饱和限制环节的输入信号与输出信号满足以下关系：
其中，iqout ＊为饱和限制环节的输出信号，iq ＊为PI控制器的输出信号，ilim+和ilim－分别为被控对象允许的指令电流范围两端的临界值，ilim+与ilim－大小相同、方向相反；
PI控制器和饱和限制环节满足以下关系：
其中，kp为PI控制器的比例系数，eω为速度控制信号与被控对象的速度反馈信号之间的偏差值，ki为PI控制器的积分系数，Ccom为对PI控制器积分环节的补偿值，kanti为抗饱和补偿系数，Up为PI控制器比例环节输出的指令电流限幅值，Ui为饱和限制环节输出的指令电流限幅值。
进一步，饱和限制环节输出的指令电流限幅值Ui满足：
ilim－≤Ui≤ilim+。
进一步，当系统输出未饱和时，饱和限制环节的输入信号与输出信号满足以下关系：
其中，iqout ＊为饱和限制环节的输出信号，iq ＊为PI控制器的输出信号，ilim+和ilim－分别为被控对象允许的指令电流范围两端的临界值，ilim+与ilim－大小相同、方向相反；
PI控制器和饱和限制环节满足以下关系：
其中，kp为PI控制器的比例系数，eω为速度控制信号与被控对象的速度反馈信号之间的偏差值，ki为PI控制器的积分系数。
本发明的有益效果是：采用本发明提供的改进型抗饱和结构的伺服速度控制方法，在现有的Anti－reset Windup的基础上针对其补偿精度低的问题，对抗饱和结构进行改进，加入了对非积分项的补偿，在保证了原算法结构简单的优点的同时，提高对积分项的补偿精度。本发明的控制方法在速度控制器未达到饱和时，抗饱和算法不产生作用，此时系统稳定性由速度控制器和电流控制器决定。当控制器达到饱和后，控制器输出为定值，此时的系统稳定性也只由电流环(电流控制器)决定，提升了控制器达到饱和时的系统鲁棒性。
附图说明
图1为现有Anti－reset Windup结构的伺服速度控制原理图；
图2为本发明改进型抗饱和结构的伺服速度控制原理图；
图3为有无抗饱和环节的转速、转速误差、指令电流与反馈电流曲线对比曲线仿真图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
请参阅图2，其为本实施例提供的改进型抗饱和结构的伺服速度控制原理图。如图2所示，虚线框出部分展示了本实施例的改进型抗饱和结构与现有技术之间的差异，可与图1中虚线框出的抗饱和结构进行对比，以便于对本实施例技术方案更深刻地理解。
本实施例的被控对象为电机，被控的电机对应图2中的如图2 所示为完整的控制系统原理图，图2中kp指示的是PI控制器的比例环节， ki指示的是PI控制器的积分环节，虚线框中的内容为改进的抗饱和结构， PI控制器加上该抗饱和结构即为本实施例后文提及的速度控制器；kt指示的是电机控制系统中的电流环(电流控制器)；电机前端输入的d指代的是外部扰动。电机的速度检测信号反馈到速度控制器的前端，用于作为电机速度控制的参考项，使得整个速度控制系统形成了闭环。本实施例中，主要考虑电流环的二阶低通滤波特性，认为内部电流环的反馈电流能够快速跟踪指令电流，暂时忽略此部分对系统的影响。
如图2所示，本实施例提供的一种改进型抗饱和结构的伺服速度控制方法，包括：
将速度控制信号与被控对象的速度反馈信号之间的偏差值输入PI控制器的比例环节和积分环节；
将所述比例环节前后端的差值作为第一反馈信号；将PI控制器的输出进行饱和限制，将饱和限制环节前后端的差值作为第二反馈信号；将第一反馈信号和第二反馈信号补偿到积分环节的前端；
将饱和限制环节的输出信号作为被控对象的速度控制信号。
本实施例提供的改进型抗饱和结构的伺服速度控制方法，在现有的 Anti－resetWindup的基础上针对其补偿精度低的问题，对抗饱和结构进行改进，加入了对非积分项(PI控制器的比例环节)的补偿，在保证了原算法结构简单的优点的同时，提高对积分项的补偿精度，提升了系统的鲁棒性。
在上述技术方案的基础上，本实施例还可以做如下改进。
如图2所示，该方法还包括：
在PI控制器的前端，首先利用一个差分器，采用差分运算的方式计算速度控制信号ω与被控对象的速度反馈信号ω*之间的偏差值eω。将得到的偏差值eω作为PI控制器的输入项，形成了闭环控制，通过PI控制使得电机运行更加稳定，以减小后端的电流环kt以及外部扰动d对整个电机控制系统的影响。
更具体的，所述将所述比例环节前后端的差值作为第一反馈信号；将PI 控制器的输出进行饱和限制，将饱和限制环节前后端的差值作为第二反馈信号；将第一反馈信号和第二反馈信号补偿到积分环节的前端；包括：
将比例环节前端的输入信号与比例环节后端的输出信号进行差分运算，得到的差值作为第一反馈信号；
将PI控制器的输出信号与饱和限制环节的输出信号进行差分运算，得到的差值作为第二反馈信号；
将第一反馈信号与第二反馈信号进行差分运算，得到的差值补偿到积分环节的输入端。
可以理解的是，第一反馈信号即比例环节的反馈信号，在采用PI控制器整体输出信号补偿到积分环节的基础上(对应第二反馈信号的补偿)，将比例环节的反馈信号增加补偿到积分环节上，提升了系统补偿精度，增强了系统鲁棒性。
本实施例中，在控制器未达到饱和时，抗饱和算法不产生作用，此时系统稳定性由速度控制器和电流控制器kt决定。
具体的，当系统输出未饱和时，饱和限制环节的输入信号与输出信号满足以下关系：
其中，iqout ＊为饱和限制环节的输出信号，iq ＊为PI控制器的输出信号，ilim+和ilim－分别为被控对象允许的指令电流范围两端的临界值，ilim+与ilim－大小相同、方向相反。
此时，PI控制器和饱和限制环节满足以下关系：
其中，kp为PI控制器的比例系数，eω为速度控制信号与被控对象的速度反馈信号之间的偏差值，ki为PI控制器的积分系数。
当控制器达到饱和后，控制器输出为定值，此时的系统稳定性也只由电流环决定。具体的，当系统输出饱和时，饱和限制环节的输入信号与输出信号同样满足以下关系：
其中，iqout ＊为饱和限制环节的输出信号，iq ＊为PI控制器的输出信号，ilim+和ilim－分别为被控对象允许的指令电流范围两端的临界值，ilim+与ilim－大小相同、方向相反
此时，PI控制器和饱和限制环节满足以下关系：
其中，kp为PI控制器的比例系数，eω为速度控制信号与被控对象的速度反馈信号之间的偏差值，ki为PI控制器的积分系数，Ccom为对PI控制器积分环节的补偿值，kanti为抗饱和补偿系数，Up为PI控制器比例环节输出的指令电流限幅值，Ui为饱和限制环节输出的指令电流限幅值。
进一步，饱和限制环节输出的指令电流限幅值Ui满足：
ilim－≤Ui≤ilim+。
即，指令电流限幅值Ui只能在被控对象允许的指令电流范围内。
为了进一步验证本实施例方案的优越性，现以速度控制仿真与分析进行说明。
为了模拟实际工况中速度剧烈变化和负载变化共同作用导致电流输出饱和的场景，采用2000rpm的阶跃速度信号，在0s时向伺服系统的负载端加入与运动方向相反的一倍额定转矩6.4N.m。对有无抗饱和环节的二阶终端滑模控制器进行了仿真对比，设置抗饱和环节的参数为Up＝30，Ui＝1。验证控制器在电流输出饱和后的鲁棒性。仿真的转速、指令电流与反馈电流曲线如图3所示。
通过分析仿真数据，对比无抗饱环节和加入抗饱和环节两种算法的响应时间、超调量和稳态误差，将结果列于表1。
表1在系统输出饱和后各算法性能指标对比
根据图3中的转速与电流曲线和表1中的性能指标的对比结果可以看出：①在输出电流未达到饱和前，反馈速度曲线基本重合，此时抗饱和环节没有发挥作用；②当输出电流达到饱和后，加入了抗饱和结构的算法能够快速退饱和，在速度曲线上体现为小的超调量和短的调整时间。而没有抗饱和结构的算法，电流曲线需要经过较长的时间才能收敛到稳定值。因此证明了改进抗饱和结构对提高控制器响应性能的有效性。
采用本发明提供的改进型抗饱和结构的伺服速度控制方法，在现有的Anti－reset Windup的基础上针对其补偿精度低的问题，对抗饱和结构进行改进，加入了对非积分项的补偿，在保证了原算法结构简单的优点的同时，提高对积分项的补偿精度。本发明的控制方法在速度控制器未达到饱和时，抗饱和算法不产生作用，此时系统稳定性由速度控制器和电流控制器决定。当控制器达到饱和后，控制器输出为定值，此时的系统稳定性也只由电流环 (电流控制器)决定，提升了控制器达到饱和时的系统鲁棒性。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种改进型抗饱和结构的伺服速度控制方法，其特征在于，包括：
将速度控制信号与被控对象的速度反馈信号之间的偏差值输入PI控制器的比例环节和积分环节；
将所述比例环节前后端的差值作为第一反馈信号；将PI控制器的输出进行饱和限制，将饱和限制环节前后端的差值作为第二反馈信号；将第一反馈信号和第二反馈信号补偿到积分环节的前端；具体包括：
将比例环节前端的输入信号与比例环节后端的输出信号进行差分运算，得到的差值作为第一反馈信号；
将PI控制器的输出信号与饱和限制环节的输出信号进行差分运算，得到的差值作为第二反馈信号；
将第一反馈信号与第二反馈信号进行差分运算，得到的差值补偿到积分环节的输入端；
将饱和限制环节的输出信号作为被控对象的速度控制信号；具体包括：
当系统输出饱和时，饱和限制环节的输入信号与输出信号满足以下关系：
，
其中，iqout *为饱和限制环节的输出信号，iq *为PI控制器的输出信号，ilim+和ilim-分别为被控对象允许的指令电流范围两端的临界值，ilim+与ilim-大小相同、方向相反；
PI控制器和饱和限制环节满足以下关系：
，
其中，kp为PI控制器的比例系数，eω为速度控制信号与被控对象的速度反馈信号之间的偏差值，ki为PI控制器的积分系数,Ccom为对PI控制器积分环节的补偿值,kanti为抗饱和补偿系数,Up为PI控制器比例环节输出的指令电流限幅值,Ui为饱和限制环节输出的指令电流限幅值；
当系统输出未饱和时，饱和限制环节的输入信号与输出信号满足以下关系：
，
其中，iqout *为饱和限制环节的输出信号，iq *为PI控制器的输出信号，ilim+和ilim-分别为被控对象允许的指令电流范围两端的临界值，ilim+与ilim-大小相同、方向相反；
PI控制器和饱和限制环节满足以下关系：
，
其中，kp为PI控制器的比例系数，eω为速度控制信号与被控对象的速度反馈信号之间的偏差值，ki为PI控制器的积分系数。
2.根据权利要求1所述一种改进型抗饱和结构的伺服速度控制方法，其特征在于，还包括：
采用差分运算的方式计算速度控制信号与被控对象的速度反馈信号之间的偏差值。
3.根据权利要求1或2所述一种改进型抗饱和结构的伺服速度控制方法，其特征在于，饱和限制环节输出的指令电流限幅值Ui满足：
ilim-≤Ui≤ilim+。
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