三面大疆惨败，因为不懂PID的积分抗饱和

0 前面的话

理想的PID算法往往不能满足实际使用中的很多场景，比如积分饱和的问题，因此需要在此基础上对积分器做抗饱和处理，积分anti windup的优化。这不，隆哥这次面试，直接挂在这么基础的知识点上，肠子悔青，在这里简单总结一下

。

一直很安静 阿桑 - 寂寞在唱歌

推荐一首歌，是仙剑的插曲，音乐响起，便想起了童年，非常怀念，斯人已去，世上再无阿桑，也向歌手致敬。

目录

  • 1 什么是积分饱和

  • 2 实际的例子

  • 3 负面影响

  • 4 如何防止积分饱和

  • 5 PID算法（抗饱和）

  • 6 参考

1 什么是积分饱和

积分饱和（Integral windup或integrator windup）是指PID控制器或是其他有积分器的控制器中可能会发生的一种现象。

这种现象往往发生在误差有大幅变化（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，因为积分器的输出满足下式；

离散化形式表示为：

所以随着时间的增加，每次累积较大的误差，很容易造成积分饱和并产生较大的过冲，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。

2 实际的例子

这里举一个直流电机调速例子，先看下图；

  • 隆哥设定了转速为，这里可以是100 rpm，但是由于某种原因电机一开始堵转了，所以反馈的转速为0；
  • 这时候仍然处于堵转状态，那偏差 就会一直处于很大的状态，积分器对偏差 进行累积，便迅速达到一个很大的值，导致PID的输出已经接近输出的上限，导致最终输出的PWM的占空比很大；
  • 此时，堵转忽然消失，但是前面提到PID的输出已经接近输出的上限，因此电机转速也急剧上升，当时， ，此时偏差都处于负数状态；
  • 虽然误差变成负数，并且积分器开始累加负数，但是由于之前积分器累积的值已经很大，于是，PID依然会保持较大的输出一段时间，从而产生了很大的过冲；

通常会产生的输出如下图所示；

从图中我们不难发现，这里有三个过程；

  • 过程①：因为这个过程存在较大幅度变化的误差，因此积分器累积了较大的值，从图中可以看到，积分器的面积比较大（阴影部分）；
  • 过程②：此时积分已经饱和，产生了较大的过冲，并且在较长的一段时间内，一直处于过冲的状态；
  • 过程③：积分脱离饱和状态，产生了积极的调节作用，消除静差，系统输出达到设定值；

3 负面影响

积分器的作用是消除系统稳态误差，如果出现积分饱和，往往会对系统造成负面的影响；

  • 系统输出会产生较大的过冲（超调量）；
  • 如果产生正向饱和（图一所示）则系统对于反向的变化会偏慢；

系统产生了较大的过冲 ，并且较大的一段时间都处于过冲的状态；具体如下图所示；

4 如何防止积分饱和

为了防止PID控制器出现积分饱和，需要在算法加入抗积分饱和（anti-integral windup）的算法；通常有以下几种措施；

  • 积分分离或者称为去积分算法；
  • 在饱和的时候将积分器的累计值初始化到一个比较理想的值；
  • 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；
  • 将积分累计量限制上下限，避免积分累计量超过限制值；
  • 如果PID输出已经饱和，重新计算积分累计量，使输出恰好为合理的范围；

TI文档中的方法

下面是TI的位置式PI算法所做的改进，如下图所示；

比例部分的输出：

积分部分的输出：

未做处理的PID输出：

最终PID输出 ：

抗积分饱和用的系数

根据我的理解，由上述输出和①式可知，判断系统是否处于饱和的状态；

如果，说明积分器处于饱和状态，此时使系数为0，这样防止积分进一步进行累积。

反计算抗饱和法

反计算Anti-Windup法，简称AW法，就是在输出限幅部分根据输入信号和输出信号的差值，把作为反馈值输入到积分部分，从而达到抑制积分饱和现象的目的；

具体如下图所示；

不难发现，在输出未饱和的情况下， 因此不会对积分器造成影响；当系统发生饱和时，则 ；

现在假设此时为正向饱和，则 ，那么，所以最终将反馈到积分部分；那么从图中可知，相当于从中减去了，这样可以削弱积分，让它退出饱和的状态；

关于系数， 越大，积分器退出饱和的作用越强，反之则越弱；

当然，积分抗饱和的方法还有很多 遇限积分削弱法，遇限保留积分法 ，这只是其中的一种，下面给出TI的位置式PID算法，增量式的抗饱和处理也是类似的做法。

5 PID算法（抗饱和）

TI的算法中只实现了比例和积分，如果需要微分项，可以去除结尾部分的注释；

/* ==================================================================================
File name:       PID_REG3.H  (IQ version)                    
=====================================================================================*/

#ifndef __PIDREG3_H__
#define __PIDREG3_H__

typedef struct {  _iq  Ref;      // Input: Reference input 
      _iq  Fdb;      // Input: Feedback input 
      _iq  Err;    // Variable: Error
      _iq  Kp;    // Parameter: Proportional gain
      _iq  Up;    // Variable: Proportional output 
      _iq  Ui;    // Variable: Integral output 
      _iq  Ud;    // Variable: Derivative output  
      _iq  OutPreSat;   // Variable: Pre-saturated output
      _iq  OutMax;      // Parameter: Maximum output 
      _iq  OutMin;      // Parameter: Minimum output
      _iq  Out;      // Output: PID output 
      _iq  SatErr;   // Variable: Saturated difference
      _iq  Ki;       // Parameter: Integral gain
      _iq  Kc;        // Parameter: Integral correction gain
      _iq  Kd;           // Parameter: Derivative gain
      _iq  Up1;          // History: Previous proportional output
      } PIDREG3;

typedef PIDREG3 *PIDREG3_handle;
/*-----------------------------------------------------------------------------
Default initalizer for the PIDREG3 object.
-----------------------------------------------------------------------------*/                     
#define PIDREG3_DEFAULTS { 0,    \
                           0,    \
                           0,    \
                           _IQ(1.3),  \
                           0,    \
                           0,    \
                           0,    \
                           0,    \
                           _IQ(1),   \
                           _IQ(-1),  \
                           0,    \
                           0,    \
                           _IQ(0.02),  \
                           _IQ(0.5),  \
                           _IQ(1.05),  \
                           0,    \
                   }

/*------------------------------------------------------------------------------
  PID Macro Definition
------------------------------------------------------------------------------*/

#define PID_MACRO(v)                     \
 v.Err = v.Ref - v.Fdb;          /* Compute the error */      \
 v.Up= _IQmpy(v.Kp,v.Err);        /* Compute the proportional output */  \
 v.Ui= v.Ui + _IQmpy(v.Ki,v.Up) + _IQmpy(v.Kc,v.SatErr); /* Compute the integral output */   \
 v.OutPreSat= v.Up + v.Ui;        /* Compute the pre-saturated output */  \
 v.Out = _IQsat(v.OutPreSat, v.OutMax, v.OutMin);  /* Saturate the output */     \
 v.SatErr = v.Out - v.OutPreSat;       /* Compute the saturate difference */  \
 v.Up1 = v.Up;           /* Update the previous proportional output */

#endif // __PIDREG3_H__

// Add the lines below if derivative output is needed following the integral update
// v.Ud = _IQmpy(v.Kd,(v.Up - v.Up1)); 
// v.OutPreSat = v.Up + v.Ui + v.Ud;

6 参考

https://www.mathworks.com/help/simulink/slref/anti-windup-control-using-a-pid-controller.html

虽然写的不一定是最好，但是每一个字、每一个公式都是用心码的，每一张图都是用心画的，每一句话都是加入了自己的理解，如果帮到了你，请无情三连吧；另外笔者能力有限，文中难免存在错误和纰漏，望轻拍指正。

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