anti-windup变结构控制.doc

Anti-windup 变结构控制1目 录摘要………………………………………………………………………… 1ABSTRACT…………………………………………………………………… 20 引言……………………………………………………………………… 41 Anti-windup 控制的基础知识…………………………………………… 71. 1 饱和的基本概念……………………………………………………… 71. 2 抗饱和设计方法……………………………………………………… 91. 3 windup 现象………………………………………………………… 101. 4 饱和非线性的数学描述…………………………………………… 111. 5 变结构的基本概念………………………………………………… 131. 5. 1 变结构控制…………………………………………………… 131. 5. 2 变结构系统的数学模型……………………………………… 171. 5. 3 变结构控制的特点…………………………………………… 201. 6 自适应控制………………………………………………………… 212 Anti-windup 的一般算法结构………………………………………… 222. 1 非线性结构………………………………………………………… 232. 2 线性结构…………………………………………………………… 232. 2. 1 传统的 Anti-reset Windup………………………………… 232. 2. 2 条件作用技Anti-windup 变结构控制2术………………………………………………… 252. 2. 3 特点…………………………………………………………… 263 Anti-windup 变结构控制……………………………………………… 273. 1 Anti-windup 变结构控制的基本原理……………………………… 273. 1. 1 积分饱和作用…………………………………………………… 273. 1. 2 条件积分法原理………………………………………………… 293. 2 Anti-windup 变结构控制………………………………………… 293. 2. 1 其他几种积分限制方法………………………………………… 293. 2. 2 Anti-windup 变结构控制……………………………………… 313. 2. 3 分析比较………………………………………………………… 323. 2. 4 稳定性分析……………………………………………………… 323. 3 仿真程序及分析…………………………………………………… 363. 3. 1 采用离散控制器进行仿真……………………………………… 363. 3. 2 采用 Simulink 方式进行连续控制器的仿真………………… 424 基于 PD 增益自适应调节的模型参考自适应控制…………………… 454. 1 控制器的设计……………………………………………………… 454. 2 稳定性分析………………………………………………………… 464. 3 仿真程序及分析…………………………………………………… 475 系统的综合问题……………………………………………………… 535. 1 问题描述…………………………………………………………… 535. 2 解决方法…………………………………………………………… 54Anti-windup 变结构控制36 结论与展望……………………………………………………………… 547 参考文献………………………………………………………………… 568 译文……………………………………………………………………… 589 原文说明……………………………………………………………… 73Anti-windup 变结构控制1摘 要在工业生产过程中，饱和特性对实际系统的影响十分严重。

当系统的偏差较大时，系统中的 PI 控制器的积分环节会使偏差积累，从而使系统的动态特性变差、甚至不稳定，这就是 Windup 现象中最普遍的一种——积分 Windup 现象这是产生于控制器 PI/PID 积分部分的一种不良现象系统设计过程中如果不考虑这种非线性因素的影响，会造成系统在大范围给定突变的情况下出现大超调现象，甚至造成系统不稳定解决这个问题的根本方法就是设计控制器抑制饱和现象的发生，并且当系统中出现饱和时可以尽快地退出饱和区Anti-windup 设计思想是引入适当的补偿环节使系统饱和时仍能达到比较满意的性能指标本文中，叙述了Anti-windup算法的发展过程，以及大致的分类情况和各种方法的应用特点不同角度定义的Windup现象会产生不同类型Anti-Windup算法结构，大致可将其分为:线性结构和非线性结构算法线性结构算法又产生两种主要类型:传统的Anti-reset windup和条件作用主要针对积分windup现象研究变结构PID控制研究了Anti-windup变结构PID控制器,并对其实行了Simulink仿真通过与PID控制器传统设计方法的对比研究验证了该方法的有效性。

研究了基于PD增益自适应调节的模型参考自适应控制算法最后运用MATLAB编程仿真位置跟踪仿真结果显示了Anti-windup 变结构控制器的抑制饱和的良好效果关键词：变结构控制，PID 控制，Anti-windup，补偿器Anti-windup 变结构控制2Anti-windup Variable Structure ControlABSTRACTIn industrial production process, actual system is affected greatly by saturation nature. The PI controller can accumulate errors of integrators under some big system. For that reason, the performance of system may go bad, even become unstable, and this is one of the most familiar Windup phenomena: integrate Windup. It is generated in integrators of PI/PID controller. If the effect of this nonlinear tie is not considered in design process, the big uncontrollable phenomenon will make the system instability under a large given saltation. A basic solution to this problem is to restrain saturations, which is, leaving saturation area as soon as possible. Anti-windup design is the design means that makes the system has the nice performance indices by Compensation.The development, classification and characteristics of Anti-windup algorithms are summed up in this paper. Different identification of two the windup phenomenon can produce different structure of the anti-windup algorithms. There are about two strategies: linear structure and nonlinear structure algorithms of anti-windup. Based on integrate Windup, variable structure PID control and anti-windup variable structure PID controller are reserved and simulated by means of Simulink in this paper. The method is validated by compared with PID controller using classical design. Model Reference Adaptive control algorithm of adaptive adjusting based on PD schedule is studied and simulated by MATLAB. The result of simulation shows the better effect of Anti-windup variable structure controller in restraining saturation.Anti-windup 变结构控制3Key words: Variable structure control, PID control, Anti-windup，compensatorAnti-windup 变结构控制4Anti-windup 变结构控制0 引言在实际控制系统中，常常会存在各种各样的限制，如，过程控制中受压力、温度等限制，电机拖动系统中电机受电流、转速等因素的限制。

这种现象被称为对象输人限制(plant input limitation) 此外，被控系统有时需要从一种控制模式切换到另外一种控制模式，例如从手动控制切换到自动控制，这种模式切换被称为对象输人置换(plant input substitution) 任何实际的控制系统都包含饱和非线形特性由于输人限制或置换的存在，实际被控对象的输人，有时就会和控制器的输出不等，由此引起的系统闭环响应变差的现象被称之为 windup 现象,产生于控制器PI/PID 积分部分的一种不良现象系统设计过程中如果不考虑这种非线性因素的影响，造成系统在大范围给定突变的情况下出现大超调现象，甚至造成系统不稳定针对目前应用最为广泛的 IPD 控制器，积分饱和现象就是 Windup 现象的典型代表为了消除静差，控制器中一般都会包含积分环节，所以必然会导致 Windup 现象的产生任何相对慢时变环节的存在都会引起 Windup 现象饱和特性对实际系统的影响十分严重由于在系统调试过程中大都以小信号作为系统的调试信号，所以造成设计者对饱和特性非线形的认识不足而忽略了它的存在在实际过程中，当Anti-windup 变结构控制5有大信号输入或其他情况使控制系统进入饱和状态时，系统的性能会产生较大的降低，不能满足性能的要求。

因此，引入适当的补偿环节，使控制系统在出现饱和现象时仍能达到比较满意的性能指标的 Anti-windup 设计技术成为进行具有饱和特性的控制系统设计的基本思路一般来讲，饱和控制系统的设计方法可以分为两类一类是所谓的“直接设计方法” ，即在控制方法设计的初期就将执行器/传感器饱和直接考虑进去，考虑控制输入的限制，设计使得闭环稳定的系统这类设计存在两大缺点，一是饱和幅度很难事先得知，同一系统不同的环境下也会具有不同的饱和幅度第二，由于饱和是一典型的非线性元件，直接设计必须使用非线性控制理论然而，非线性控制理论至今还很不成熟，工程。