控制系统Anti-Windup设计综述

本文从阐释windup现象入手,逐步介绍Anti-Windup算法设计的发展过程及其主要结构。从不同的角度定义的windup现象会产生不同类型的Anti-Windup算法结构,本文大致将其分为两大类:线性结构和非线性结构的算法。线性结构算法又产生两种主要类型:传统的Anti-reset Windup和条件作用(Conditioning Technique)。Anti-Windup算法设计一般都符合两步法设计(Two-Step Design)原则,但由于其分步设计原则造成系统综合(System Synthesis)困难,针对这一问题,众多学者在线性结构算法的基础上提出不同的设计方法。但是,由于事先(priori)设计的算法过于复杂,在应用领域的推广还存在一定的问题。     

永磁同步电机Anti-Windup速度控制器设计

主要针对永磁同步电机(PMSM)磁场定向控制系统中存在非线性饱和问题,分析了PI电机速度控制器Windup现象产生的过程及危害.对传统的Anti-reset Windup PI控制器进行了改进,将比例环节和积分环节对饱和影响进行了分离,从而使反馈补偿更为准确,有效提升了电机控制系统性能.通过仿真验证了可行性,并将其应用于所开发PMSM驱动控制系统中,在工程应用中取得了很好的控制效果,进一步验证了控制策略的可行性.     

基于Anti-Windup控制器的永磁同步电机控制系统设计

永磁同步电机矢量控制系统中存在非线性饱和特性.分析了经典的PID控制器用于系统时所带来的积分Windup现象,并介绍了几种典型而适用的Anti-Windup控制器结构,基于变结构Anti-Windup控制器对系统进行了改进以抑制积分Windup现象,控制器采用条件积分法和反计算法相结合的控制策略,保证了系统出现饱和时,尽快地退出饱和区.仿真和实验结果表明,该控制器能有效抑制系统的积分Windup现象,系统超调量小、速度响应快,具有较好的鲁棒性和较高的稳态性能.     

基于条件技术的Anti-windup设计及其在伺服系统中的应用

大多数执行器不可避免的会出现饱和现象,严重影响了系统的闭环性能,甚至影响系统的稳定性。为此,该文介绍了条件技术的Anti-Windup设计方法。通过引入“可行参考输入”的概念,设计了以传递函数形式表示的抗饱和补偿控制器。并用此方法有效地解决了某型电动转台伺服系统中存在的控制器Windup问题,仿真结果表明转台伺服系统性能得到改善。     

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。     

PMSM双闭环平滑非奇异终端滑模控制

针对传统滑模控制中高频切换控制特性不适用于永磁同步电机的双闭环矢量控制的问题,针对PMSM转速控制系统,提出一种基于鲁棒微分估计器的新型平滑非奇异终端SMC方法,理论上可完全克服抖振现象对PMSM的性能影响,提高系统的动静态特性。同时考虑到PMSM控制系统的非线性饱和特性造成的Windup现象,借鉴Anti-reset Windup PI控制,将转速SNTSM控制器的输入与输出电流之差作为反馈信号,克服Windup现象诱发的超调量、动静态性能变差等影响。基于李雅普诺夫稳定性理论,证明控制器的稳定性。通过仿真和实验验证所提控制方法的可行性和有效性,实现将SMC应用于PMSM的双闭环控制系统中,解决了交轴最大电流限幅造成的Windup问题,响应速度、无超调量、鲁棒性等性能得到优化。     

树障清理空中机器人刀具调速系统控制器设计

树障清理空中机器人的刀具系统在进行切割作业时存在负载扰动,且刀具电机的电机参数会有摄动情况的发生,若使用常规的双闭环PI控制,会存在动态性能欠佳、超调大、适应性差等不足,而且在给定转速突变的情况下可能会导致Windup现象。针对以上问题,为防止给定突变时产生Windup现象,电流环控制器采用了一种在反计算Anti-Windup方法基础上改进的变结构Anti-Windup-PI控制方法。为提高系统的自适应能力,将模糊控制思想与PID控制思想相结合,设计了转速环的模糊-PID自适应控制器。最后通过仿真与实物实验对提出的控制器的可行性进行验证。结果表明,控制器对系统参数变化有很强的自适应能力,且对负载的扰动有很强的抑制能力,给定转速突变时系统有较快的动态响应且超调较小。     

一种升压型DC-DC分段线性补偿电路的设计

为了防止电流模PWM升压型DC-DC的亚谐波振荡以及提高系统的稳定性和带载能力,设计了一种分段线性斜坡补偿电路。与传统的设计方法相比,该电路提供的补偿信号在不同占空比具有不同斜率,对三个占空比区间进行分段线性补偿,极大地提高了系统的带载能力和瞬态响应。仿真结果表明该分段线性斜坡补偿电路性能良好,其静态电流消耗仅为7μA,使芯片效率高达89%。     

基于Anti-Windup的感应电机高速区最大转矩提升策略

充分利用直流母线电压是提升感应电机输出转矩的有效途径。传统电压闭环方法在进行电压极限圆拓宽时,必然会出现windup问题,这将导致系统动态响应变差并影响转矩输出。该文提出一种基于Anti-Windup的感应电机高速弱磁最大转矩提升策略,通过空间矢量脉宽调制算法过调制前后矢量合成的作用时间进行闭环弱磁,运用梯度下降法校正励磁电流给定。在提高直流母线电压利用率的同时,缓解了电流调节器的失控问题。仿真和对比实验结果表明,该文方法实现了最大转矩的提升,加快了电机升速过程。     

改进单相谐波检测算法在三相四线制APF的应用

三相四线制系统可能会由于三相不平衡负载而产生不平衡电流,普通的谐波检测算法需要对负序有功电流进行补偿,将提高直流侧电容的设计要求。本文推论了补偿不同电流对直流侧电压脉动的影响,分析了对电流进行选择性补偿的重要性。在传统单相谐波检测算法的基础上,提出了一种基于半周期滑窗平均和谐波反馈的改进单相谐波检测方法,可以对电流进行选择性补偿,降低了直流侧电容设计要求,且具有更好的动态性能。在MATLAB中仿真验证了该谐波检测算法及推论的正确性。并以DSP为控制芯片的实验平台实际验证了该检测算法可行性。     

永磁交流速度伺服系统抗饱和设计研究

传统的AW算法属于"二步法"设计,但有2个本质的缺陷：①控制器补偿系数具有较大的随意性;②系统综合困难,即补偿后闭环系统没有明确的动态品质。针对传统的AW设计的问题,该文采用基于状态跟踪的AW设计方法。该方法通过理想线性模型及其控制器参数便可直接获得补偿器的参数,补偿器不受外部参考输入和状态限制的影响。这就意味着一旦系统线性控制器设计完成,非线性补偿器也就随之确定,并且使系统具有最优的补偿效果。通过与PI控制器传统AW设计方法的对比研究验证了该方法的有效性。仿真与实验结果表明该方法在永磁交流速度伺服系统获得了良好的控制效果。     

Design and implementation of anti-windup controller based on stated feedback H∞ control theory

In the control of an actual plant, there commonly exists a constraint on the control input caused by mechanical constraint on the actuator or in order to protect the plant. This constraint usually exerts an adverse effect on control performance, called windup phenomenon. Anti-windup technique is known as one of the most effective techniques to prevent such windup phenomenon. In this paper, we propose a new design of anti-windup controller based on state feedback H^∞ control theory. This design consists of representation of an anti-windup controller that includes a free parameter, and decision of the free parameter by using state feedback H^∞ control theory. We also discuss the problem on discretization of an anti-windup controller in implementation. In a numerical case study, we demonstrate the performance of the proposed anti-windup controller by computer simulation. © 1998 Scripta Technica, Electr Eng Jpn, 124(1): 33–41, 1998     

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。     

Anti‐windup synthesis for a model predictive control system

In this paper, an anti‐windup design problem for a model predictive control system is studied. The plant is assumed to be stable. First, we propose the structure of an output feedback model predictive controller with an anti‐windup compensator. Then we show a design method of the anti‐windup compensator that guarantees closed‐loop stability and improves the transient response. The design problem of the anti‐windup compensator is reduced to a linear matrix inequality (LMI) optimization problem. Further, it is shown that there always exists an anti‐windup compensator that ensures global asymptotic stability. © 2016 Institute of Electrical Engineers of Japan. Published by John Wiley & Sons, Inc.     

STATCOM模糊控制的综合优化设计

针对严重非线性静止同步补偿器模糊逻辑控制隶属函数的参数和模糊控制规则调整困难的问题,根据微遗传算法,并利用模糊系统的逼近能力,提出了一种模糊控制综合优化设计方法.选择模糊控制器的输入/输出观测信号,应用MATLAB中的模糊控制工具箱快速地获得初始的模糊控制规则,再采用微遗传算法优化其隶属函数参数和模糊控制规则,并给出了模糊控制规则优化后的结果.对带有一个静止同步补偿器的四机电力系统,在三种不同的负荷和三种不同的控制方式下进行仿真实验,结果表明:在宽负荷变化范围内,该控制器的追踪控制能力和鲁棒性等比常规的超前滞后控制、未优化模糊控制都优越.     

基于抗积分饱和速度调节器的TSMC-PMSM矢量控制

研究了双级矩阵变换器驱动的永磁同步电机(TSMC-PMSM)矢量控制系统。针对传统的PID速度调节器会产生积分windup现象,使系统产生超调和振荡问题,提出了基于抗积分饱和(anti-windup)速度调节器的TSMC-PMSM矢量控制方法。anti-windup控制策略能使速度调节器出现饱和时,快速退出饱和区。仿真结果表明,抗积分饱和速度调节器能有效抑制windup现象,减小系统的超调量,提高整个控制系统的稳定性。     

无刷直流电机调速系统的IMC-PID抗饱和控制

针对无刷直流电流电机双闭环调速系统转速调节器存在的非线性饱和特性,提出一种IMC-PID抗饱和控制方案。首先根据内模控制原理设计出转速环和电流环的IMC-PID控制器,然后引入可行性参考输入的概念,设计出基于条件技术的转速环IMC-PID抗饱和控制器,最后为验证IMC-PID抗饱和控制器的可行性,将该控制器应用于无刷直流电机双闭环调速系统中。仿真结果表明:该控制器不仅具有的良好的抗干扰性和鲁棒性,而且改善了系统的动态性能,有效抑制了饱和现象的影响。     

A design method of digital robust speed servo system considering output saturation

When a robust servo system having an integral element has a large error input, it often reveals windup phenomena caused by output saturation. It is very difficult for a strictly proper and high‐order controller to avoid having windup phenomena caused by output saturation. This paper newly proposes the digital robust speed servo system with a complete algorithm for consideration of output saturation. The proposed algorithm completely considers the output saturation of a robust speed controller connected to a PI current controller in series. Moreover, this method can be applied to both a PI speed controller and an H^∞ speed controller. The experimental results show that a robust speed servo system using the proposed algorithm has a good and stable response for a large step speed command. © 2000 Scripta Technica, Electr Eng Jpn, 132(3): 68–78, 2000     

雷达伺服系统的混合智能算法应用及其鲁棒性分析

跟踪雷达伺服系统常常需要较高的跟踪精度。将前馈补偿和模糊PID控制相结合,构成混合智能控制策略;推导了控制系统的数学模型,并对其进行简明的鲁棒性和稳定性分析。将此控制策略在某雷达伺服系统中进行应用,结果表明:该混合智能控制策略提高了雷达伺服系统的控制精度,改善了动态性能;且易于实现,具有很高的工程应用价值,可应用于类似伺服系统中。