基于积分状态预测的Anti-Windup PID控制器设计

目前有多种方式用来抑制调速系统中调节器饱和引起的Windup现象。其中跟踪反计算控制策略,由于其采用线性反馈作用原理来减小调节器饱和时的积分累加值,因此对于这种策略的研究和应用较多。但由于在设计调节器参数时,没有考虑速度指令和负载的变化,固定的反计算参数一般难以在大范围内保证系统响应的一致性。为了在不同速度指令和负载转矩条件下,保证系统响应的一致性,本文提出了积分状态预测Anti-Windup策略来减小系统由于饱和现象而引起的性能下降,根据速度指令和负载转矩的变化,在调节器饱和时计算出积分器在系统稳态积分终值,并将其作为调节器进入线性段的积分初始值,当系统参数精确时使得系统呈现出最优的速度响应曲线。本文在相同的电流环和速度环调节器PI参数的条件下,进行了仿真实验,比较了上述AW策略与传统方法的速度响应性能。实验结果验证了理论分析及仿真波形的正确性。

带积分状态估计器的Anti-Windup转速控制器

针对感应电机直接转矩控制系统的非线性饱和特性,提出了一种带积分状态估计器的Anti-Windup转速控制器来抑制积分Windup现象,当PI控制器开始在线性区运行时,以预测的PI输出饱和时的积分状态稳态值作为积分器的初值,使得在系统出现饱和时,控制器可以快速退出饱和区。实验结果表明,该控制器能有效抑制积分Windup现象,转速响应快,且无超调,控制性能优于常规Anti-windup控制器。

基于转矩电流分层控制的转速伺服系统Anti-Windup调节器设计

当转速调节器处于饱和非线性时,理论上基于积分状态值预测控制方法设计的转速调节器可使控制系统具有优秀的anti-windup性能,以及使系统性能不受负载转矩的影响,但该方法没有考虑负载转矩的估计时间和积分器时间常数对控制性能的影响,也没有考虑转速调节器处于线性区时,控制系统受负载转矩的影响。该文针对转速伺服系统中的anti-windup性能和负载鲁棒性进行研究,提出一种基于转矩电流分层控制的方法,使转速调节器在饱和非线性条件下,具有优秀的anti-windup性能,在线性条件下和饱和非线性条件下,都具有良好的负载鲁棒性,并且通过与积分状态预测值控制方法的仿真和实验对比分析,验证了所提方法的有效性。

用于紫外光谱仪的探测器温度控制系统

为了降低探测器的噪声与暗电流,使光谱仪的CMOS探测器能获得更准确的光谱曲线,设计了探测器温度控制系统。本系统核心采用基于现场可编程逻辑门阵列(FPGA)的增量式比例-积分-微分(PID)控制算法。在传统控制算法的基础上,增加了抗积分饱和控制,并且在PID算法的前端增加了对目标值的过渡过程。该系统在实现探测器温度变化速率可控的同时,也解决了超调过大的问题。多次整机环境实验结果表明:在轨环境温度条件下,40°C温差范围内该系统可以控制探测器以指定温变速率(4.5±0.05)°C/min达到任意温度;并且可在该温度下稳定工作;温度变化范围为±0.1°C。相比于传统模拟PID控制方法,其具有灵活度高,稳定性强等优点。当制冷到−10°C时,探测器的噪声得到了有效抑制。

基于快速动态矩阵控制的抗积分饱和方法

积分饱和在闭环控制系统中是一个不可忽视且非常常见的工业现象,它会导致闭环系统控制品质降低甚至引起闭环不稳定。传统采用二次规划(QP)的QDMC技术往往会消耗大量计算资源和计算时间,并且难以在嵌入式系统中实现。为此,提出一种基于动态矩阵控制算法(DMC)的抗积分饱和方法,该方法模仿QDMC在处理输入积分饱和时的控制逻辑,显著加快了计算速度,而且算法不需要进行二次规划,还可以进行嵌入式设计。模拟研究结果证实了所提算法的有效性。

电动汽车PMSM控制系统抗积分饱和滑模控制器

针对电动汽车电机PI控制系统易因系统内部饱和限制而产生积分饱和现象,从而引发超调和振荡问题,提出一种参数自适应抗饱和滑模控制策略。采用基于幂次—指数混合趋近律的平滑非奇异终端滑模控制器代替传统滑模控制,降低稳态误差,加快响应速度。设计参数自适应抗饱和积分器通过限幅前后误差计算和速度环补偿,减小永磁同步电机物理受限系统饱和效应对系统超调的影响。为保证新控制系统的稳定性,利用Lyapunov理论进行了稳定性证明。仿真和实验结果表明,该策略在电机速度控制中能够有效改善系统超调,同时削弱滑模控制存在的抖振问题。

永磁同步电机抗积分饱和PI控制研究

永磁同步电机矢量控制中传统PI控制器在给定输入发生较大幅度变化造成积分项逐渐累加,引起积分饱和,从而使转速及转矩超调,系统调节变缓,控制系统控制性能降低。针对这一问题,在传统PI控制基础上提出了一种抗积分饱和PI控制控制策略,将该控制策略分别应用到永磁同步电机速度环和电流环PI控制中。为验证该控制策略的有效性,基于MATLAB/Simulink仿真平台构建了永磁同步电机抗积分饱和PI控制系统仿真模型。仿真实验结果表明,与传统的PI控制算法相比较,所构建抗积分PI控制模型系统超调量明显降低,能够快速到达稳态,具有较好的动态性能和抗干扰能力。

轨道运输车辆液压制动系统车轮防抱死冗余控制

为了提高轨道运输车辆制动期间的安全性、避免车辆侧翻事件的发生,提出轨道运输车辆液压制动系统车轮防抱死冗余控制方法。分析液压制动系统的制动方式,并初步建立液压制动防抱死策略,在经典卡尔曼滤波算法的基础上,结合贝叶斯法则与先验估计法,实现液压制动系统的状态跟踪,得到车辆质心实时偏移测量结果,当测量结果超出偏移量正常波动范围时,判定液压制动防抱死策略失效,即刻启动防抱死冗余控制策略。防抱死冗余控制作为液压制动系统控制失效时的备份控制方法,将抗积分饱和算法与滑模控制算法相结合,避免因滑模控制器自身控制率饱和造成的制动系统超调及振动,有效实现了车轮制动力的调节分配,保证车辆制动期间的行驶安全。实验证明,所提方法在轨道运输车辆制动过程中,能够实现车轮滑移率的稳定控制,有效避免车辆脱轨事件的发生,为轨道运输车辆的制动安全提供重要保障。

一种基于IP速度调节器的母线无电解电容冰箱压缩机起动控制方法

在母线无电解电容冰箱压缩机驱动控制系统领域,使用小容值薄膜电容会造成直流母线电压以二倍电网频率大幅度波动的问题。直流母线电压不稳会对驱动器输出电压能力造成较大影响,并进一步导致冰箱压缩机起动成功率下降甚至起动失败的问题。为解决上述问题,本文研究了适用于母线无电解电容冰箱压缩机驱动控制系统的起动控制策略,提出了一种新的IF控制结合全阶状态观测器的起动控制方法。针对常规PI调节器的速度环控制系统存在速度超调和相电流脉动振荡问题,设计基于IP调节器的速度环控制系统,并在IP调节器控制系统中添加抗积分饱和控制策略,以有效解决IP调节器输出饱和超调的问题。实验结果证明了该控制方法的可行性和程序的有效性,基于IP速度调节器的母线无电解电容冰箱压缩机起动控制方法能有效减小速度超调量和相电流脉动振荡程度,能实现冰箱压缩机的平稳快速起动且起动噪音振动小,具有一定的工程应用价值。

基于自适应信息融合的导航系统构成与算法研究

由于组合导航系统应用环境的不确定性 ,给噪声统计特性的准确描述带来困难 ,这将造成Kalman滤波器不稳定甚至发散 ,目前常用的解决办法是直接估计系统噪声与量测噪声的方差阵Q及R ,进行自适应滤波 .但方程的增加将使计算量加大、实时性不能保证 .本文在对基于信息融合的INS/GPS组合导航系统进行分析和设计的基础上 ,探讨了通过ARMA模型自适应参数辨识求解可变增益K ,从而求出状态估计值的方法 ,并对辨识误差协方差的防饱和算法进行了研究 .计算机仿真结果表明 :该算法对提高导航精度和运算速度是行之有效的 ,所得结论有一定的工程实用价值 .

温控系统中改进的PID算法

对传统的PID控制算法进行了深入的分析,并结合实际工程项目,对原PID算法进行了改进,改进算法基于实际控制对象,先后用到了"变速积分","抗积分饱和","活用微分项","给定值平移"等方法。其中"活用微分项","给定值平移"等方法是笔者自己提出来的。经过实验验证,相比传统PID算法,上述改进方法的综合利用取得了显著效果。

用于TDLAS甲烷检测的激光器电流驱动与温控系统

为了满足激光器在甲烷气体检测中对输出波长稳定的需求,自主设计以STM32F103RCT6为微处理器核心的电流驱动系统和温控系统,包括信号发生电路、滤波电路、温度采集与控制电路等,运用信号发生芯片生成锯齿扫频信号、正弦调制信号、直流偏置信号,把他们叠加作为激光器注入电流,同时对激光器整体构建二级制冷系统,通过温度和电流的调谐使激光器发出的波长在甲烷气体吸收峰1 653.72nm附近扫描,以使气体充分吸收。经验证,整个系统工作稳定,可持续工作时间超过36h,温度误差为±0.008℃,电流驱动误差≤0.09mA,波长误差在千分位,满足设计需求。

基于改进PID的CVT速比控制器设计

针对常规PID速比控制器在无级变速器(CVT)速比控制过程中存在的稳定性差、反应慢等问题,对其积分项和微分项分别采用抗积分饱和及不完全微分进行改进,设计了改进PID速比控制器。设计了CVT速比控制仿真模型,仿真模型中速比控制器子模型分别采用常规PID速比控制器和改进PID速比控制器,在Simulink环境下进行了阶跃速比跟踪对比仿真试验。试验结果表明,改进PID速比控制器与常规PID速比控制器相比能够使CVT速比控制过程的超调量减小、反应速度加快、振荡次数减少,CVT实际速比对目标速比跟踪良好,系统的稳态特性和动态特性得到改善。

基于双骨架共绕技术的测量保护一体化电流传感器

现有测量用电流互感器易饱和,而保护用互感器与测量用互感器一般独立安装,导致体积大、成本高,为解决这种问题,研制了一种双骨架强抗饱和的测量与保护一体化电流传感器,提出将超微晶与切口硅钢片材料作环形双铁芯设计,并将绕组均匀绕制在双铁芯上。建立了双铁芯骨架的磁路模型,分析了不同骨架比例下的互感器误差大小,结合生产实际与铁芯尺寸,确定了最优骨架比例。最后,通过试验验证了该传感器既可保证额定电流下0.2级精度,又可保证20倍额定电流下不饱和,即可以实现测量和保护功能一体化,该一体化设计可有效节约空间和成本。

FCS165现场总线控制系统高级PID功能块的设计研究

为了给自适应控制方案提供实时修改PID调节参数的输入接口,开发了FCS165现场总线控制系统高级PID功能块(APID)。在自动控制、跟踪及强制3种控制方式下,当控制量越限时可将其始终限制在设定的输出上下限内,以及在每个运算周期都需要实时对积分环节进行APID抗积分饱和和无扰切换等特殊处理。

输入受限线性系统鲁棒抗饱和控制

针对抗饱和控制的鲁棒性问题,将研究扩展到对输入饱和非线性、时变参数和动态不确定性具有结构摄动的鲁棒性框架内,给出了一种线性时不变系统鲁棒抗饱和控制算法.鉴于积分二次型约束具有刻画结构不确定性的能力,选择在积分二次型约束框架下解决问题.以定标的线性矩阵不等式形式给出了系统分析和控制综合条件.飞行控制仿真结果说明此算法不仅可以成功克服饱和非线性,且对时变参数和动态不确定性具有良好的鲁棒性.

FCS165现场总线控制系统实际微分PID控制器的设计

在分析PID控制器设计常用的理想微分PID控制算法和实际微分PID控制算法的基础上,选择实际微分PID控制算法用于FCS165现场总线控制系统,并给出了抗积分饱和无扰动切换的方案。经长期测试和实际运行表明,实际微分PID控制算法控制效果较好。

应用于精密光束指向系统的复合PID控制器研究

为了解决传统比例-微分-积分(PID)控制器在精密光束指向系统(FPB)应用中存在的控制精度与超调量之间的矛盾,并使其可在现有控制系统硬件平台中应用,设计了一种数字复合PID控制器。该控制器采用了传统PID、前馈补偿以及抗积分饱和算法三部分综合而成,在控制器复杂性和处理时间不显著增加的前提下,缩短了调节时间及过冲,改善FPB系统的指向精度及动态特性;对该控制器的结构进行了分析,并与采用传统PID控制器的FPB进行了对比试验。结果表明,在相同的实验条件下,采用复合PID控制器的FPB系统与采用传统PID控制器的FPB系统相比,调整时间缩短了约11. 4%,最大超调量从12. 7%降至1. 8%。在现有计算能力受限的控制系统平台上,可实现FPB系统性能的有效提升。

无刷直流电机抗饱和变结构PI控制研究

无刷直流电机(BLDCM)电流滞环控制系统中转速调节器因存在电流限幅环节会产生积分饱和现象,从而导致了控制系统的超调量增大,动、稳态性能变差等一系列问题。为此,对BLDCM电流滞环控制系统的积分windup现象进行了分析,并将抗饱和变结构PI控制算法应用到BLDCM电流滞环控制系统的转速调节器中。为验证采用控制方法的有效性,在MATLAB/Simulink仿真平台下搭建了控制系统仿真模型,仿真结果表明:相对于传统的PI控制算法,抗饱和变结构PI控制算法能够使系统的积分饱和现象得到抑制,速度响应的超调量更少,到达稳态时间更短,同时还提高了系统对负载扰动的鲁棒性。

卡尔曼滤波抗积分饱和PDF控制系统研究

针对非接触式登船梯控制系统在实际工作中不可避免地受到干扰信号的影响这一问题,提出了卡尔曼滤波抗积分饱和PDF控制系统。该控制系统主要由PDF控制器、抗积分饱和控制器和卡尔曼滤波器三个部分组成。卡尔曼滤波抗积分饱和PDF控制系统具有优良的控制性能和动态品质。该控制系统能快速跟踪设定的参考信号且无超调与振荡出现,同时能抑制白噪声的污染。仿真结果表明,该控制系统提高了系统的自适应与鲁棒性。