Описание модели

Этот пример показывает, как использовать схемы защиты от обмотки для предотвращения интегрирования в ПИД-регуляторах, когда приводы насыщены. Мы используем блок ПИД-регулятор в Simulink ®, который имеет два встроенных метода защиты от насыщения back-calculation и clamping, а также режим отслеживания для обработки более сложных сценариев.

Объект, которым будут управлять, является процессом первого порядка с потерей времени.

Начнем с открытия модели.

Фигура 1: Модель Simulink ПИД управления объектом с ограничением сигнала.

Чтобы открыть эту модель, введите sldemo_antiwindup в терминале MATLAB ®.

ПИД-регулятор был настроен с игнорированием насыщения с помощью ПИД-тюнера Simulink ® Control Design™.

Управляемый объект является процессом первого порядка с потерей времени, описанным в

Заводу известны пределы входной насыщенности [-10, 10], которые учитываются в блоке Насыщения, маркированном Приводом Установки. Блок ПИД-регулятор в Simulink имеет два встроенных метода защиты от обмотки, которые позволяют блоку ПИД-регулятор учитывать доступную информацию о входной насыщенности объекта.

Эффективность без использования Anti-Windup

Во-первых, мы исследуем эффект насыщения на системе с обратной связью, когда модель насыщения не рассматривается блоком ПИД-регулятор. Симуляция модели в фигуре 1 генерирует результаты, показанные ниже.

Фигура 2: Уставка по сравнению с измеренным выходом без анти-насыщения.

Фигура 3: Контроллер выход и вход насыщения без анти-насыщения.

На фигуры и 3 показаны две проблемы, возникающие при управлении системой с входной насыщенностью:

Разработка ПИД-регулятора с учетом эффекта насыщения улучшит его эффективность, позволяя ему работать в линейной области большую часть времени и быстро восстанавливаться после нелинейности. Антиокружительная схема является одним из способов добиться этого.

Конфигурирование блока для анти-Windup на основе обратного вычисления

Метод защиты от обмотки обратного вычисления использует цикл обратной связи, чтобы разрядить ПИД-регулятор внутренний интегратор, когда контроллер достигает заданных пределов насыщения и входит в нелинейные операции. Чтобы включить анти-насыщение, перейдите на вкладку Output Saturation в диалоговом окне блока; выберите Limit output; и введите пределы насыщения объекта. Затем выберите back-calculation из меню Anti-windup method и задайте коэффициент Back-calculation (Kb). Обратным значением этого усиления является постоянная времени антиаварийного цикла. В этом примере коэффициент усиления обратного вычисления выбирается равным 1. Для получения дополнительной информации о том, как выбрать это значение, смотрите Ссылку [1].

Фигура 4: Включение метода защиты от насыщения при обратном вычислении.

Когда обратное вычисление включено, блок имеет внутренний цикл отслеживания, который разрядит выход Интегратора.

Фигура 5: Вид под маской блока ПИД-регулятора с обратным вычислением.

Фигуры и 7 иллюстрируют результат симуляции модели с активированной анти-обмоткой. Обратите внимание, как быстро сигнал управления ПИД возвращается в линейную область и как быстро цикл восстанавливается от насыщения.

Фигура 6: Уставка по сравнению с измеренным выходом с обратным вычислением.

Фигура 7: Контроллер выход и вход насыщения с обратным вычислением.

7 показано, что контроллер выход u(t) и насыщенный входной SAT(u) совпадают друг с другом, так как включен выход предел.

Чтобы лучше визуализировать эффект анти-насыщения, рисунок 8 иллюстрирует измеренный выход объекта y(t) с и без анти-насыщения.

Фигура 8: Измеренный выход с и без анти-насыщения.

Конфигурирование блока для анти-Windup на основе зажима интегратора

Другая обычно используемая стратегия защиты от насыщения волны основана на условном интегрировании. Чтобы включить анти-насыщение, перейдите на вкладку PID Advanced в диалоговом окне блока; выберите Limit output; и введите пределы насыщения объекта. Затем выберите зажим в меню Anti-windup method.

Фигура 9: Уставка по сравнению с измеренным выходом с зажимом.

Фигура 10: Контроллер выход и вход насыщения с зажимом.

На фиг.10 показано, что контроллер выход u(t) и насыщенный входной SAT(u) совпадают друг с другом, так как включен выход предел.

Для получения дополнительной информации о том, когда использовать зажим, смотрите ссылку [1].

Использование режима отслеживания для обработки сложных сценариев анти-Windup

Ранее обсуждавшиеся стратегии защиты от обмотки тока опирались на встроенные методы для обработки информации о насыщении, предоставленной блоку через его диалоговое окно. Для того чтобы эти встроенные методы работали по назначению, должны быть выполнены два условия:

Эти условия могут быть ограничительными при работе с общими сценариями против насыщения. Блок ПИД-регулятор имеет режим отслеживания, который позволяет пользователю настроить анти-насыщение обратного вычисления цикла внешне. Следующие два примера рассматриваются, чтобы проиллюстрировать использование режима слежения в целях защиты от обмотки тока:

Построение анти-ветровых схем для насыщенных приводов с каскадной динамикой

В следующей модели привод имеет сложную динамику. Это является общим, когда привод имеет свою собственную динамику замкнутого контура. ПИД-регулятор находится во внешнем контуре и рассматривает динамику привода как внутренний цикл или просто каскадную насыщенную динамику, как показано фигура.

Фигура 11: Simulink модель ПИД-регулятора с каскадной динамикой привода.

Чтобы открыть эту модель, введите sldemo_antiwindupactuator в терминале MATLAB.

В этом случае успешная стратегия защиты от обмотки требует обратной передачи выхода привода в порт слежения блока ПИД-регулятора, как показано фигура. Как сконфигурировать tracking mode блока ПИД-регулятор перейдите на вкладку PID Advanced в диалоговом окне блока; выберите Enable tracking mode; и задайте коэффициент усиления Kt. Обратное усиление является временной константой цикла отслеживания. Для получения дополнительной информации о том, как выбрать этот коэффициент усиления, смотрите Ссылку [1].

Фигуры 12 и 13 показывают, что измеренная выходная мощность объекта y(t) и контроллер выход u(t) почти немедленно реагируют на изменения уставки. Без схемы защиты от обмотки возбуждения эти отклики были бы медленными с длинными задержками.

Фигура 12: Уставка по сравнению с измеренным выходом.

Фигура 13: Контроллер выход и эффективный вход насыщения.

Построение схемы защиты от ветра для управления ПИД с Feedforward

В другом общем строении управления привод принимает сигнал управления, который является комбинацией сигнала управления ПИД и сигнала управления feedforward.

Чтобы точно создать противоаварийный цикл обратного вычисления, сигнал отслеживания должен вычесть вклад feedforward сигнала. Это позволяет блоку ПИД-регулятор знать свою долю эффективного управляющего сигнала, приложенного к приводу.

Следующая модель включает управление с feedforward.

Фигура 14: Simulink модель ПИД-регулятора с feedforward и входной насыщенностью объекта.

Коэффициент усиления с feedforward выбирается как единица здесь, потому что объект имеет коэффициент усиления постоянного тока 1.

Чтобы открыть эту модель, введите sldemo_antiwindupfeedforward в терминале MATLAB.

Фигуры 15 и 16 показывают, что измеренный выход объекта y(t) и контроллер выход u(t) почти немедленно реагируют на изменения уставки. Когда значение уставки 10, обратите внимание, как на фигуре 16 контроллер выход u(t) уменьшается, чтобы находиться в областях значений привода.

Фигура 17: Уставка по сравнению с измеренным выходом без анти-насыщения.

Фигура 18: Контроллер выход и вход насыщения с анти-насыщением.

Сводные данные

Блок ПИД-регулятор поддерживает несколько функций, которые позволяют ему обрабатывать проблемы с обмоткой контроллера при обычно встречающихся промышленных сценариях.

Ссылки