MATLAB交流伺服系统ARM单片机制软件设计及仿真(7)
图3.5 积分分离PID控制阶跃响应
图3.6 普通PID控制阶跃响应
3.3.2 抗积分饱和PID控制及MATLAB仿真
积分饱和现象是指如果在系统中存在一个方向的偏差，PID控制器由于积分的不断累加作用使输出不断增大，从而导致执行机构达到极限位置，如果控制器的输出 继续增大，执行机构无法继续增大，此时单片机输出的控制量超出了正常的运行范围而进入了饱和区。但系统一旦出现反向偏差时， 逐渐从饱和区退出。进入饱和区越深则退出饱和区的时间越长。在这一段时间内，执行机构始终停留在极限位置而不会随偏差反向立即做出相应的改变，这时系统就如失控一样，造成系统控制性能恶化，这种现象就是积分饱和。
抗积分饱和PID控制的基本思路是：当控制量 进入饱和区后，即刻停止进行积分项增大的运算，而只进行减少积分的运算。
具体操作过程如下：计算 之前，先判断前一次的控制量 是否超出极限范围，若超出，则说明此时已经进入饱和区，这时再根据偏差的正负，判断控制量是使系统加大超调还是减小超调。如果增大超调，则取消积分项，否则保留积分项。
抗积分饱和法与积分分离的不同在于：在进入极限范围后，积分分离法立即停止积分，而抗积分饱和法则有条件地去积分，此方法可以避免控制量长时间停留在饱和区。
抗积分饱和PID控制算法的程序框图如图3.7所示。
图3.7 抗积分饱和PID控制算法的程序框图
下面利用MATLAB对抗积分饱和PID控制进行仿真。取采样周期为0.001s，采样10000次，输入值为200，选定合理的控制参数后进行仿真。抗积分饱和PID控制阶跃响应如图3.8所示，普通PID控制阶跃响应如图3.9所示。
由图3.8和图3.9可以明显看出采用抗积分饱和PID控制后，调整时间缩短，此外还避免控制量长时间停留在饱和区，防止系统产生超调和振荡。
图3.8 抗积分饱和PID控制仿真结果
图3.9 普通PID控制仿真结果
3.3.3 带滤波器的PID控制及MALAB仿真
对于工业现场的噪声信号，应该进行滤波处理，否则将影响控制系统的输出特性。模拟RC低通滤波器用来滤除某一频率以上的周期性变化的干扰。这种功能可以通过数字化的方法来实现，这就是数字低通滤波法。
设干扰信号是均值为0，幅值波动范围从-1到+1的噪声信号，如图3.10所示。将噪声信号加在被控对象的输出端。选择低通滤波器为：
滤波器的离散化采用Tustin变换，被控对象的离散化采用Z变换。
下面利用MATLAB对带滤波器的PID控制进行仿真。取采样周期为0.001s，采样1000次，输入值为10，选定合理的控制参数后进行仿真。带滤波器的PID控制阶跃响应如图3.11所示，无滤波器的PID控制阶跃响应如图3.12所示。
由图可见数字低通滤波器滤波效果显著，明显减小了噪声信号对系统控制特性的影响。
图3.10 噪声信号
图3.11 带滤波器的PID控制阶跃响应
图3.12 无滤波器的PID控制阶跃响应
3.3.4 防脉冲干扰平均值法
在电机控制的应用过程中，现场强电设备较多，不可避免地会产生尖脉冲干扰。这种干扰具有随机性，一般持续时间很短，峰值很大，因此这时采集得到的数据受干扰的数据会与其它数据有明显的区别。如果采用算术平均值滤波法和移动平均滤波法，尽管对其进行了1/n处理，但其剩余值依然很大。因此最好的策略是将被认为是干扰的信号去掉。
防脉冲干扰平均值法是：对连续采样的n个数据进行排序，去掉其中最大和最小的2个数据，将其余数据求平均值。