CN115800844A - 基于降阶pi观测器的永磁同步电机无模型滑模控制方法 - Google Patents

基于降阶pi观测器的永磁同步电机无模型滑模控制方法 Download PDF

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CN115800844A
CN115800844A CN202211543630.4A CN202211543630A CN115800844A CN 115800844 A CN115800844 A CN 115800844A CN 202211543630 A CN202211543630 A CN 202211543630A CN 115800844 A CN115800844 A CN 115800844A
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free sliding
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王伟
张天柱
花为
程明
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Southeast University
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Southeast University
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Abstract

本发明提供基于降阶PI观测器的永磁同步电机无模型滑模控制方法,涉及永磁同步电机控制领域。该降低物流配送成本的方法,首先建立了永磁同步电机在两相同步旋转坐标系下的数学模型;其次在电流环引入PI控制器,在速度环引入无模型滑模控制器,以转速误差作为控制状态变量,构建比例‑积分‑微分滑模面,相较于传统比例‑积分滑模面动态性能进一步提高,同时引入新型趋近律以减小抖振;最后为增强控制系统的抗干扰能力,在滑模控制器后级联降阶PI干扰观测器,对控制系统中的不确定扰动进行补偿。本发明具有较好的动态性能,良好的抗干扰能力以及对电机参数的鲁棒性,同时保持了较小的转矩脉动以及稳态时的转速波动。

Description

基于降阶PI观测器的永磁同步电机无模型滑模控制方法
技术领域
本发明涉及永磁同步电机控制技术领域,具体为基于降阶PI观测器的永磁同步电机无模型滑模控制方法。
背景技术
永磁同步电机因在功率因数、效率、尺寸等方面和传统电机相比有较大的优势而被广泛应用在新能源汽车、新能源发电等领域。随着目前国内外电力电子水平以及控制理论的发展与进步,在诸多领域的各个行业如电动汽车、数控机床、智能机器人的生产以及其他涉及到电机控制的领域都对电机控制的性能指标提出了更加严格的要求,因此研究永磁同步电机的高性能控制具有深远意义。
现有技术中,滑模控制因具有较好的鲁棒性且超调较小而被广泛使用在永磁同步电机的控制系统中。传统的滑模控制由于内部存在符号函数,给控制系统的输出带来了较大的抖振,尤其在滑动模态容易产生高频振荡,转速波动较大,使系统稳态性能下降,因此如何消除抖振是改进滑模控制系统的关键。
发明内容
(一)解决的技术问题
针对现有技术的不足,本发明提供了基于降阶PI观测器的永磁同步电机无模型滑模控制方法,使电机参数变化时控制性能不受影响,抗扰动能力强动态调节速度快的控制系统。
(二)技术方案
为实现以上目的,本发明通过以下技术方案予以实现:基于降阶PI观测器的永磁同步电机无模型滑模控制方法,包括:
建立两相同步旋转坐标系下的永磁同步电机数学模型;
建立转速超局部模型,设计无模型滑模控制器,以参考转速和实际转速的差为控制器输入变量,选取转速误差的比例-积分项作为滑模面,运用趋近律,构建无模型滑模控制器;
基于无模型滑模控制,提出降阶PI扰动观测器,对未知扰动观测并补偿,以无模型滑模控制的输出和实际转速作为观测器输入,输出扰动观测值叠加至无模型滑模控制器的输出中作为交轴电流的参考值;
针对降阶PI扰动观测器的设计缺陷以及无模型滑模控制器的动态超调进行改进,对观测器输出进行限幅,将限幅前后的差作为反馈输入至观测器中,增强观测器动态调节性能,通过将无模型滑模控制器的积分模块乘转速误差来及时改变积分模块的符号,极大减小控制系统转速超调量。
优选的,所述建立两相同步旋转坐标系下的永磁同步电机数学模型,具体为:
通过Clark和Park变换,将三相自然坐标系转换到两相旋转坐标系下:
Figure BDA0003976323340000021
其中,θe为电角度,fd可表示直轴电压、电流及磁链;fq可表示交轴电压、电流及磁链;f0可表示中性点电压、电流及磁链;fA可表示A相电压、电流及磁链;fB可表示B相电压、电流及磁链;fC可表示C相电压、电流及磁链;
根据上式得永磁同步电机在不考虑扰动时的两相同步旋转坐标系下的电压方程为
Figure BDA0003976323340000022
其中ud、uq为直轴和交轴电压;R为定子电阻;id、iq为直轴和交轴电流;Ld、Lq分别为直轴和交轴电感;ωe为电角速度;ψf为转子磁链;
电磁转矩方程为
Figure BDA0003976323340000031
其中,Te为电磁转矩;pn为极对数。在表贴式永磁同步电机中Ld=Lq,简化为
Figure BDA0003976323340000032
转子运动方程为
Figure BDA0003976323340000033
其中,J为永磁同步电机转动惯量;ωm为机械角速度;TL为负载转矩;B为摩擦系数.
考虑电机受到扰动时,有
Figure BDA0003976323340000034
其中
Figure BDA0003976323340000035
表示为集总扰动;ΔJ表示转动惯量变化量;ΔB表示摩擦系数变化量。
优选的,所述建立转速环超局部模型,设计无模型滑模控制器,以参考转速和实际转速的差为控制器输入变量,选取转速误差的比例-积分项作为滑模面,运用趋近律,构建无模型滑模控制器,具体为:
构建超局部模型
Figure BDA0003976323340000036
其中α为定子q轴电流增益;β为转速增益;F为系统未知扰动,包括负载扰动以及参数的不确定性;
设计无模型滑模控制器数学模型
Figure BDA0003976323340000041
其中
Figure BDA0003976323340000042
为参考交轴电流;
Figure BDA0003976323340000043
为参考电角速度;
Figure BDA0003976323340000044
为控制器输出值;选取转速误差x1作为控制器状态变量
Figure BDA0003976323340000045
选取比例-积分滑模面
s=x1+c∫x1
其中s为滑模面;
采用新型滑模趋近律
Figure BDA0003976323340000046
其中
Figure BDA0003976323340000047
μ,ε,k,d为正实数,且0<d<1。
优选的,所述基于无模型滑模控制器,提出降阶PI扰动观测器,对未知扰动观测并补偿,以无模型滑模控制的输出和实际转速作为观测器输入,输出扰动观测值叠加至无模型滑模控制器的输出中作为交轴电流的参考值,具体为:
Figure BDA0003976323340000048
其中d为扰动,
Figure BDA0003976323340000049
为不考虑扰动时的交轴参考电流;
定义下标为n的参数为标准值,下标为r的参数为实际值,不考虑扰动时
Figure BDA00039763233400000410
其中Kt=αJn,在考虑外部负载和内部参数扰动后,若未进行补偿,有
Figure BDA0003976323340000051
Figure BDA0003976323340000052
变换形式得
Figure BDA0003976323340000053
其中
Figure BDA0003976323340000054
设观测器的输出为补偿为
Figure BDA0003976323340000055
则补偿后的值为
Figure BDA0003976323340000056
设外部负载扰动为uex=TL/Kt,得
Figure BDA0003976323340000057
其中ud=(Δbωr-Δauc+aruex)/an表示系统总扰动;
根据上述公式得观测器输出补偿为
Figure BDA0003976323340000058
优选的,所述针对降阶PI扰动观测器的设计缺陷以及无模型滑模控制器的动态超调进行改进,对观测器输出进行限幅,将限幅前后的差作为反馈输入至观测器中,增强观测器动态调节性能,通过将无模型滑模控制器的积分模块乘转速误差来及时改变积分模块的符号,极大减小控制系统转速超调量,具体为:
分析无模型滑模控制器的滑模面,由于积分环节的存在,在转速到达参考转速后使s输出仍为正值,转速继续增大,导致控制系统超调较为严重,在积分环节将转速误差的积分值与限幅后的转速误差相乘,此时当转速到达参考值转速时积分模块输出为0,转速大于参考转速时积分模块输出小于0;
考虑降阶PI观测器环节,同样含有积分模块,积分模块将导致在速度突变值输出一个很大的补偿
Figure BDA0003976323340000061
产生较大的超调,在输出补偿
Figure BDA0003976323340000062
之前进行限幅,由于积分模块的存在使得补偿在较长一段时间内输出最大值,此时也会导致超调较大,将限幅前后的差值作为反馈输入至积分环节之前,使积分环节的输出快速下降,进一步减小超调。
(三)有益效果
本发明基于降阶PI观测器的永磁同步电机无模型滑模控制方法,使电机参数变化时控制性能不受影响,提供了一种抗扰动能力强动态调节速度快的控制系统。
附图说明
图1为本发明结构示意图;
图2为本发明实施例中控制系统整体控制框图;
图3为本发明实施例中补偿前的参考电流输出iqn图
图4为本发明实施例中降阶PI观测器模型图;
图5为本发明实施例中整体控制系统仿真模型图;
图6为本发明仿真输出转速对比图;
图7为本发明原无模型滑模控制输出转矩图
图8为本发明实施例中原降阶PI观测输出转矩;
图9为本发明实施例中输出转矩图。
具体实施方式
下面将结合本发明的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
实施例
如图1-4所示,本发明的一个实施例提供一种基于降阶PI观测器的永磁同步电机无模型滑模控制方法,该方法包括:
S1:建立含有外部负载扰动及参数不确定的两相旋转坐标系下的永磁同步电机数学模型。
S2:建立转速环超局部模型,设计无模型滑模控制器,输入为转速误差,输出为交轴电流控制信号。选取转速误差的比例-积分为滑模面,同时运用新型滑模趋近律,设计出新型无模型滑模控制系统。
S3:考虑电机的内部参数变化以及负载扰动,设计降阶PI扰动观测器,对集总扰动进行补偿。以补偿前的参考交轴电流和实际转速为输入,输出补偿值叠加至参考交轴电流信号中,输出补偿后的参考电流至电流环PI控制器中。
S4:针对传统降阶PI扰动观测器的设计缺陷以及无模型滑模控制器的动态超调提出了改进,首先对观测器输出进行限幅,然后将限幅前后的差作为反馈输入至观测器中,增强了观测器动态调节性能,最后通过将无模型滑模控制的积分模块乘转速误差来及时改变积分模块的符号,进一步减小了控制系统转速超调量。
较优的,本发明S1具体为:
将三相自然坐标系下的永磁同步电机模型转换到两相旋转坐标系下,在不考虑扰动时电压方程可变形为
Figure BDA0003976323340000071
电磁转矩方程为(表贴式永磁同步电机)
Figure BDA0003976323340000072
运动方程为
Figure BDA0003976323340000081
在考虑电机参数扰动及外部负载扰动时
Figure BDA0003976323340000082
其中
Figure BDA0003976323340000083
表示为集总扰动。
较优的,本发明S2具体为:
首先建立新型超局部模型,由于系统输入为转速误差,输出为电流控制信号,为单输入单输出系统,这种系统的超局部模型为
Figure BDA0003976323340000084
其中y表示系统输出;u表示系统输入;y(v)表示y的v阶导数;g(x)为关于x的函数。
此时结合式与式可以得出转速环的超局部模型为
Figure BDA0003976323340000085
其中,
Figure BDA0003976323340000086
根据式设计无模型滑模控制律为
Figure BDA0003976323340000087
其中,
Figure BDA0003976323340000088
选取状态误差
Figure BDA0003976323340000089
为控制状态变量
Figure BDA00039763233400000810
选取比例-积分滑模面
s=x1+c∫x1
其中s为滑模面函数,可调参数c>0。对s进行求导可得
Figure BDA0003976323340000091
采用新型滑模趋近律
s=-ε|s|dsgn(s)-kh(s)
其中,0<d<1,ε,k均为正实数,h(s)为分段函数。
Figure BDA0003976323340000092
其中μ为正实数。该新型趋近律主要目的为减小传统滑模控制产生的抖振现象,在符号函数前加入可变增益,在趋近阶段由于s较大,符号函数项输出值较大以保证转速快速收敛,当运动状态到达滑模面进入滑动模态时,s值较小,因此可以使符号函数项输出减小以减小抖振。
最终计算得
Figure BDA0003976323340000093
Figure BDA0003976323340000094
根据Lyapunov函数
Figure BDA0003976323340000095
Figure BDA0003976323340000096
由于sgn(s)及h(s)均与s同号,因此-εsds·sgn(s)≤0且-kh(s)s≤0;
综上,
Figure BDA0003976323340000097
该滑模控制器可以在有限时间内收敛至滑模面,控制系统稳定。
较优的,本发明S3具体为:
首先定义下标为n的变量为标准值,下标为r的变量为实际值,在不考虑扰动时,根据式可得
Figure BDA0003976323340000101
其中un为加入扰动补偿前的控制信号,根据式,有
Figure BDA0003976323340000102
当考虑扰动时
Figure BDA0003976323340000103
其中,
Figure BDA0003976323340000104
对式加入补偿后(un变为
Figure BDA0003976323340000105
)变形可得
Figure BDA0003976323340000106
其中,
Figure BDA0003976323340000107
ud=(Δby-Δaub+aruex)/an.。
首先假设ar=an,br=bn,
Figure BDA0003976323340000108
此时ud=uex
Figure BDA0003976323340000109
定义ud的测量值与实际值有如下关系
Figure BDA00039763233400001010
其中L>0为观测器增益。由于
Figure BDA00039763233400001011
无法直接测量,因此对式进行变换得
Figure BDA00039763233400001012
Figure BDA00039763233400001013
则式可改写为
Figure BDA0003976323340000111
从而
Figure BDA0003976323340000112
对观测器对误差的估计值与实际误差的值
Figure BDA0003976323340000113
求导可得
Figure BDA0003976323340000114
求解式中的微分方程可得eu=eu(0)e-Lt,因此观测器的观测扰动最终收敛至实际扰动。若观测器增益L足够大(
Figure BDA0003976323340000115
其中λ1=|Δb·an/ar|,
Figure BDA0003976323340000116
),ar≠an,br≠bn
Figure BDA0003976323340000117
时,也能够保证观测值收敛与实际值。
综上,观测器的数学模型为
Figure BDA0003976323340000118
较优的,本发明S4为:
首先在实验中发现该新型滑模控制器输出超调较高,动态性能需要进一步提高。通过观察分析发现超调较高的原因为滑模面的设计中含有对转速误差的积分环节,而在启动阶段转速误差较大,因此积分值较高,当实际转速达到参考转速时积分环节仍输出较大的值,使滑模面s输出大于0,转速继续升高。
对于该问题的解决方法是在积分环节之后与转速误差相乘,即设计滑模面为
s=x1+cx1∫x1
此时
Figure BDA0003976323340000119
再使用同样的趋近律函数,可得
uc=(1+c∫(ω*-ω))-1(c(ω*-ω)2+ε|s|dsgn(s)+kh(s))
Figure BDA0003976323340000121
同理进行Lyapunov函数验证,由于采用相同的趋近律,因此验证结果相同,控制器在有限时间内收敛至滑模面。
对于降阶PI观测器,在参考转速突然变化时,观测器会观测输出巨大扰动,也会使控制系统产生较大超调,因此先对其输出进行限幅,而由于观测器中也存在积分环节,在进行限幅后依然会延迟饱和输出,使转速产生超调,因此将限幅前后的差值作为输入加入至积分环节之前,使积分环节动态调节性能更好,到达参考转速时反应更加迅速。
具体的,首先建立考虑扰动的两相旋转坐标系下的永磁同步电机数学模型,根据永磁同步电机在三相自然坐标系下的电压方程与转矩方程可得
Figure BDA0003976323340000122
Te=1.5pnψfiq=Kt·iq
根据运动方程,有
Figure BDA0003976323340000123
其中
Figure BDA0003976323340000124
然后设计无模型滑模控制器,建立超局部模型并代入至电机模型中,可得
Figure BDA0003976323340000125
其中,
Figure BDA0003976323340000131
选择滑模面为
s=x1+cx1∫x1
选择趋近律为
Figure BDA0003976323340000132
由式和可得
un=(1+c∫(ω*-ω))-1(c(ω*-ω)2+ε|s|dsgn(s)+kh(s))
Figure BDA0003976323340000133
然后利用Lyapunov函数验证了控制器的稳定性。
最后进行降阶PI观测器的设计,不考虑扰动时有
Figure BDA0003976323340000134
其中,
Figure BDA0003976323340000135
考虑扰动后,加入补偿
Figure BDA0003976323340000136
Figure BDA0003976323340000137
Figure BDA0003976323340000138
对式变换形式可得
Figure BDA0003976323340000139
其中,
Figure BDA00039763233400001310
ud=(Δby-Δaub+aruex)/an.。
经过计算化简得观测器输出扰动的观测值随时间收敛与实际扰动。
观测器数学模型为
Figure BDA0003976323340000141
在仿真软件中建立了如图5所示的SPMSM矢量控制系统的负载观测器仿真框图。
在Matlab/Simulink仿真平台上建立所示的含有降阶PI观测器的永磁同步电机的无模型滑模控制系统仿真模型。仿真中电机参数设置如表1所示
表1电机参数设置
Figure BDA0003976323340000142
图6所示为三种控制系统输出转速对比,在启动阶段参考转速为1000rpm,0.05s时加入额定负载转矩6N·m,0.075s时去除转矩负载,0.1s时将参考转速提高至2500rpm。从图中可以看出本发明提供的控制系统在启动阶段速度调节快,超调小,动态性能较另外两个模型得到了较大的提升,在加入负载转。
矩后转速下降最小,且回到参考转速时间最小,在参考转速从1000rpm到2500rpm变化时本发明也保持较好的控制性能。
图7-9为三种控制算法的输出电磁转矩,由于一般电磁转矩无法测量,这里用交轴电流iq代替,从图中可以看出本发明提供的控制系统在具有更好的转速调节性能的同时,输出转矩脉动也保持在较小范围内。
工作原理:使用时,
需要说明的是,在本文中,诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来,而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且,术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含,从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素,而且还包括没有明确列出的其他要素,或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下,由语句“包括一个……”限定的要素,并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

Claims (5)

1.基于降阶PI观测器的永磁同步电机无模型滑模控制方法,其特征在于,包括:
建立两相同步旋转坐标系下的永磁同步电机数学模型;
建立转速超局部模型,设计无模型滑模控制器,以参考转速和实际转速的差为控制器输入变量,选取转速误差的比例-积分项作为滑模面,运用趋近律,构建无模型滑模控制器;
基于无模型滑模控制,提出降阶PI扰动观测器,对未知扰动观测并补偿,以无模型滑模控制的输出和实际转速作为观测器输入,输出扰动观测值叠加至无模型滑模控制器的输出中作为交轴电流的参考值;
针对降阶PI扰动观测器的设计缺陷以及无模型滑模控制器的动态超调进行改进,对观测器输出进行限幅,将限幅前后的差作为反馈输入至观测器中,增强观测器动态调节性能,通过将无模型滑模控制器的积分模块乘转速误差来及时改变积分模块的符号,极大减小控制系统转速超调量。
2.根据权利要求1所述的基于降阶PI观测器的永磁同步电机无模型滑模控制方法,其特征在于:所述建立两相同步旋转坐标系下的永磁同步电机数学模型,具体为:
通过Clark和Park变换,将三相自然坐标系转换到两相旋转坐标系下:
Figure FDA0003976323330000011
其中,θe为电角度,fd可表示直轴电压、电流及磁链;fq可表示交轴电压、电流及磁链;f0可表示中性点电压、电流及磁链;fA可表示A相电压、电流及磁链;fB可表示B相电压、电流及磁链;fC可表示C相电压、电流及磁链;
根据上式得永磁同步电机在不考虑扰动时的两相同步旋转坐标系下的电
压方程为
Figure FDA0003976323330000021
其中ud、uq为直轴和交轴电压;R为定子电阻;id、iq为直轴和交轴电流;Ld、Lq分别为直轴和交轴电感;ωe为电角速度;ψf为转子磁链;
Figure FDA0003976323330000022
其中,Te为电磁转矩;pn为极对数。在表贴式永磁同步电机中Ld=Lq,简化为
Figure FDA0003976323330000023
转子运动方程为
Figure FDA0003976323330000024
其中,J为永磁同步电机转动惯量;ωm为机械角速度;TL为负载转矩;B为摩擦系数.
考虑电机受到扰动时,有
Figure FDA0003976323330000025
Figure FDA0003976323330000026
其中
Figure FDA0003976323330000027
表示为集总扰动;ΔJ表示转动惯量变化量;ΔB表示摩擦系数变化量。
3.根据权利要求2所述的基于降阶PI观测器的永磁同步电机无模型滑模控制方法,其特征在于:所述建立转速环超局部模型,设计无模型滑模控制器,以参考转速和实际转速的差为控制器输入变量,选取转速误差的比例-积分项作为滑模面,运用趋近律,构建无模型滑模控制器,具体为:
构建超局部模型
Figure FDA0003976323330000031
其中α为定子q轴电流增益;β为转速增益;F为系统未知扰动,包括负载扰动以及参数的不确定性;
设计无模型滑模控制器数学模型
Figure FDA0003976323330000032
其中
Figure FDA0003976323330000033
为参考交轴电流;
Figure FDA0003976323330000034
为参考电角速度;
Figure FDA0003976323330000035
为控制器输出值;选取转速误差x1作为控制器状态变量
Figure FDA0003976323330000036
选取比例-积分滑模面
s=x1+c∫x1
其中s为滑模面;
采用新型滑模趋近律
Figure FDA0003976323330000037
其中
Figure FDA0003976323330000038
μ,ε,k,d为正实数,且0<d<1。
4.根据权利要求3所述的基于降阶PI观测器的永磁同步电机无模型滑模控制方法,其特征在于:所述基于无模型滑模控制器,提出降阶PI扰动观测器,对未知扰动观测并补偿,以无模型滑模控制的输出和实际转速作为观测器输入,输出扰动观测值叠加至无模型滑模控制器的输出中作为交轴电流的参考值,具体为:
Figure FDA0003976323330000039
其中d为扰动,
Figure FDA0003976323330000041
为不考虑扰动时的交轴参考电流;
定义下标为n的参数为标准值,下标为r的参数为实际值,不考虑扰动时
Figure FDA00039763233300000410
其中Kt=αJn,在考虑外部负载和内部参数扰动后,若未进行补偿,有
Figure FDA0003976323330000042
Figure FDA0003976323330000043
变换形式得
Figure FDA0003976323330000044
其中
Figure FDA0003976323330000045
设观测器的输出为补偿为
Figure FDA0003976323330000046
则补偿后的值为
Figure FDA0003976323330000047
设外部负载扰动为uex=TL/Kt,得
Figure FDA0003976323330000048
其中ud=(Δbωr-Δauc+aruex)/an表示系统总扰动;
根据上述公式得观测器输出补偿为
Figure FDA0003976323330000049
5.根据权利要求4所述的基于降阶PI观测器的永磁同步电机无模型滑模控制方法,其特征在于:所述针对降阶PI扰动观测器的设计缺陷以及无模型滑模控制器的动态超调进行改进,对观测器输出进行限幅,将限幅前后的差作为反馈输入至观测器中,增强观测器动态调节性能,通过将无模型滑模控制器的积分模块乘转速误差来及时改变积分模块的符号,极大减小控制系统转速超调量,具体为:
分析无模型滑模控制器的滑模面,由于积分环节的存在,在转速到达参考转速后使s输出仍为正值,转速继续增大,导致控制系统超调较为严重,在积分环节将转速误差的积分值与限幅后的转速误差相乘,此时当转速到达参考值转速时积分模块输出为0,转速大于参考转速时积分模块输出小于0;
考虑降阶PI观测器环节,同样含有积分模块,积分模块将导致在速度突变值输出一个很大的补偿
Figure FDA0003976323330000051
产生较大的超调,在输出补偿
Figure FDA0003976323330000052
之前进行限幅,由于积分模块的存在使得补偿在较长一段时间内输出最大值,此时也会导致超调较大,将限幅前后的差值作为反馈输入至积分环节之前,使积分环节的输出快速下降,进一步减小超调。
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