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积分饱和

2018-08-21 09:42:44     所属分类:控制工程

积分饱和(Integral windup或integrator windup[1])是指PID控制器或是其他有积分器的控制器中的现象,是指误差有大幅变化(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,因此造成过冲,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。

成因及特性

积分饱和常因为实际系统的限制所造成,实际系统和理想系统不同,有些理想系统中的讯号,在实际系统中会有饱和问题,因此系统的输出会限制在其上限或是下限,例如一个输出为0-5V的系统,输出电压不可能超过5V,也不可能低于0V。

若因为实际系统的限制,控制器的输出无法再影响控制变数,此时即为积分饱和的情形,例如输出为0-5V的系统,理想的输出在5V和6V之间变化,但实际输出均维持在5V,这段控制器的输出无法再影响控制变数,即为积分饱和。需要等理想输出低于5V以下时,实际输出会随理想输出变化,控制器的输出无法再影响控制变数。控制器中若有积分器,其累计输出的变化会随积分时间而不同,若积分时间长时,其变化较慢,因此此现象会很明显。

积分饱和在类比的控制器中问题更大。若配合分散式控制系统英语Distributed Control System或是用可编程逻辑控制器控制,可以限制内部的控制器输出或是积分累计量,或是配合外部的积分重置信号,在理想输出及实际输出不一致时重置积分,即可避免此情 形,在PID控制器中可以用此方式处理来处理欠相。

对策

此问题可以用以下方式处理:

  • 将控制器中积分器的累计值初始化到一理想的值。
  • 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
  • 暂停积分机能,等到程序变数回到可控制范围内再继续积分。
  • 将积分累计量限制上下限,避免积分累计量超过限制值。
  • 若输出饱和时,重新计算积分累计量,使输出恰好为合理的范围[2]

参考资料

  1. ^ Microchip Application Note AN532: Servo Control of a DC Motor (PDF). Microchip Technology, Inc.: 4. 1997 [2014-01-07]. 
  2. ^ Cooper, Douglas. Integral (Reset) Windup, Jacketing Logic and the Velocity PI Form. [2014-02-18]. 

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