某直流電機(jī)積分分離式PID控制策略研究

趙雄飛 劉澤周 曲林偉 郭巖松 王 強

（1.海軍裝備部駐沈陽地區(qū)軍事代表局 沈陽 110031）（2.大連海事大學(xué)船舶與海洋工程學(xué)院 大連 116026）（3.中國中船重工第七〇三研究所 哈爾濱 150078）（4.91998部隊 旅順 116041）（5.海軍工程大學(xué)動力工程學(xué)院 武漢 430030）

1 引言

發(fā)電機(jī)在以高速、高精為特征的現(xiàn)代工業(yè)中逐步得到推廣，相比于普通旋轉(zhuǎn)電機(jī)，直線電機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡單、噪聲低、推力大、組合靈活等優(yōu)點，但由于沒有中間傳動裝置，使得參數(shù)攝動、負(fù)載變化等不確定因素的影響直接作用于電機(jī)，給系統(tǒng)控制帶來一定的難度。傳統(tǒng)PID控制具有輸出穩(wěn)定、易實現(xiàn)等優(yōu)點而被一直沿用至今，在直流電機(jī)控制系統(tǒng)中速度環(huán)的作用是增強系統(tǒng)抗負(fù)載擾動的能力，抑制速度波動，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性能。常規(guī)PID控制對系統(tǒng)輸入的適應(yīng)性不強，當(dāng)有較大擾動時，系統(tǒng)易產(chǎn)生超調(diào)和振蕩。

韓明文［1］提出了一種在速度環(huán)上用積分分離的PID控制器代替常規(guī)PID控制器的控制方法。孟祥萍［2］針對移動機(jī)器人在旋轉(zhuǎn)角度控制時，普通PID控制器存在超調(diào)、波動和普通積分分離式PID存在響應(yīng)速度慢的問題，采取對PID控制器的比例項和積分項同時進(jìn)行控制的方法，并針對不同階段誤差采取參數(shù)自適應(yīng)的控制，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，同時又提高了系統(tǒng)的響應(yīng)速度。李滿［3］在分析兩輪共軸小車物理模型的基礎(chǔ)上，采用積分分離PID算法作為小車的最終控制方式，依據(jù)兩輪共軸小車的物理模型建立較為精確的仿真模型，驗證積分分離式PID算法控制的可行性。黃海波［4］針對傳統(tǒng)PID理論不能適應(yīng)無刷直流電機(jī)動態(tài)運行特性的缺點，提出將積分分離模糊控制與經(jīng)典PID相結(jié)合，構(gòu)成了無刷直流電機(jī)速度電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)。陳尚國［5］為避免協(xié)同系統(tǒng)雷達(dá)方位超調(diào)，甚至震蕩現(xiàn)象，設(shè)計了積分分離控制方法，當(dāng)從動雷達(dá)方位與目標(biāo)方位差值較大時，放棄積分手段，直接采用PD控制算法，當(dāng)方位偏差量較小時采用普通PID控制算法，能夠有效改善協(xié)同系統(tǒng)的穩(wěn)定性，提高協(xié)同系統(tǒng)控制效率和精度。張墩利［6］為提高恒壓供水設(shè)備的水壓精度，采用積分分離PID算法實現(xiàn)水箱的恒壓控制，實際測試表明，該控制系統(tǒng)運行穩(wěn)定，調(diào)節(jié)精度高，魯棒性好。龔敏［7］為實現(xiàn)精確航向控制，減小水下機(jī)器人（ROV）偏航角較大時產(chǎn)生的超調(diào)，利用Matlab-Simulink仿真建模，對ROV航向控制進(jìn)行仿真實驗，整定優(yōu)化PID參數(shù)，具有較好的動態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)性能。吳廷強［8］針對溫度控制系統(tǒng)采用傳統(tǒng)PID控制方法易出現(xiàn)響應(yīng)速度慢、超調(diào)量大、控制精度低等問題，提出了一種基于積分分離模糊PID控制的改進(jìn)方法，具有響應(yīng)速度更快、超調(diào)量更小和控制精度更高等優(yōu)點。還有學(xué)者［9～12］在對電機(jī)控制系統(tǒng)提出了調(diào)節(jié)方法，并進(jìn)行了參數(shù)優(yōu)化。

在以上學(xué)者研究的基礎(chǔ)上，針對改型直流電機(jī)適應(yīng)性不強，當(dāng)有較大擾動時，系統(tǒng)易產(chǎn)生超調(diào)和振蕩的現(xiàn)象，設(shè)計了改型電機(jī)積分分離控制方法，使其穩(wěn)定在其工作轉(zhuǎn)速。

2 積分分離式控制原理

在普通PID控制中引入積分環(huán)節(jié)的目的，主要是為了消除靜差，提高控制精度。但是過程的啟動、結(jié)束或大幅增減設(shè)定時，短時間內(nèi)系統(tǒng)輸出有很大的偏差，會造成PID運算的積分積累，致使控制量超過執(zhí)行機(jī)構(gòu)可能允許的最大動作范圍對應(yīng)的極限控制量，引起系統(tǒng)較大的超調(diào)，甚至引起系統(tǒng)較大的振蕩。

積分分離PID控制的設(shè)計思路是：當(dāng)被控量與設(shè)定值偏差較大時，取消積分作用，以免由于積分作用使系統(tǒng)穩(wěn)定性降低，超調(diào)量增大；當(dāng)被控量接近給定值時，引入積分控制，以免消除靜差，提高控制精度。其具體實現(xiàn)步驟如下：

1）根據(jù)實際情況，人為設(shè)定閾值ε＞0；

2）當(dāng) | error(k)|＞ε時，采用PD控制，可避免產(chǎn)生過大的超調(diào)，又使系統(tǒng)有較快的響應(yīng)；

3）當(dāng) | error(k)|≤ε時，采用PID控制，以保證系統(tǒng)的控制精度。

積分分離控制算法可表示為

式中，T為采樣時間，β為積分項的開關(guān)系數(shù)。

根據(jù)積分分離式PID控制算法，積分分離式PID控制算法程序框圖，如圖1所示。

圖1 積分分離式PID控制算法程序框圖

3 某直流電機(jī)積分分離式控制仿真研究

采用積分分離式PID控制下列對象：

采樣時間為20s，延遲時間為4個采樣時間，即80s，被控對象離散化為

采用積分分離式PID控制進(jìn)行階躍響應(yīng)，對積分分離式PID控制算法進(jìn)行改進(jìn)，采用分段積分分離方式，即根據(jù)誤差絕對值的不同，采用不同的積分強度。仿真中指令信號為yd(k)=3000，控制器輸出限制在［-2900，3100］。

首先采用普通PID控制，階躍式跟蹤結(jié)果如圖2所示。

圖2 普通PID控制及其跟蹤

采用積分分離式控制方法對該系統(tǒng)進(jìn)行控制及其跟蹤，如圖3所示。

圖3 積分分離式PID控制及其跟蹤

從圖2、3可以看出，該型直流電動機(jī)采用普通PID控制時，容易產(chǎn)生超調(diào)，會對設(shè)備造成沖擊或損壞，而采用積分分離式控制方法對該系統(tǒng)進(jìn)行控制不會產(chǎn)生超調(diào)，而是逐步的逼近設(shè)定參數(shù)，因此積分分離PID控制比普通PID控制更適合工程實踐。

4 結(jié)語

積分分離式控制方法對該系統(tǒng)進(jìn)行控制不會產(chǎn)生超調(diào)，而是逐步的逼近設(shè)定參數(shù)，適合該型直流電機(jī)工作實際。