PID控制中常出现的积分饱和概念及其解决方案;

积分饱和的概念:

这种现象往往发生在误差有大幅变化(例如大幅增加),积分器因为误差的大幅增加有很大的累计量,因为积分器的输出满足下式:

pIYBAGBYOGKAMGJyAAAKa3yzFcw010.png

离散化形式表示为:

pIYBAGBYOJqATzZgAAALkxL3jOw485.png

所以随着时间的增加,每次累积较大的误差,很容易造成积分饱和并产生较大的过冲,而且当误差变为负时,其过冲仍维持一段时间之后才恢复正常的情形。

通常会产生的输出如下图所示:

o4YBAGBYOR-APSCrAAIJXwZqBuo640.png

从图中我们不难发现,这里有三个过程:

  • 因为这个过程存在 较大幅度变化的误差,因此积分器累积了较大的值,从图中可以看到,积分器的面积比较大(阴影部分);

  • 此时积分已经饱和,产生了较大的过冲,并且在较长的一段时间内,一直处于过冲的状态;

  • 积分脱离饱和状态,产生了积极的调节作用,消除静差,系统输出达到设定值;

如何防止积分饱和:

为了防止PID控制器出现积分饱和,需要在算法加入抗积分饱和(anti-integral windup)的算法;通常有以下几种措施;

  • 积分分离或者称为去积分算法;

  • 在饱和的时候将积分器的累计值初始化到一个比较理想的值;

  • 若积分饱和因为目标值突然变化而产生,将目标值以适当斜率的斜坡变化可避免此情形;

  • 将积分累计量限制上下限,避免积分累计量超过限制值;

  • 如果 PID输出已经饱和,则重新计算积分累计量,使输出恰好为合理的范围;

参考:

1、一文详细解析到底什么是积分饱和