System anti-windup w układach regulacji z regulatorem pełnego rzędu

pol Article in Polish DOI: 10.14313/PAR_259/19

send Robert Bieda Politechnika Śląska, Wydział Automatyki, Elektroniki i Informatyki, Katedra Automatyki i Robotyki, ul. Akademicka 2A, 44-100 Gliwice

Download Article

Streszczenie

W artykule przeanalizowano problem nasycenia sygnału sterującego w układach automatycznej regulacji oraz zjawisko windup, które może wystąpić w przypadku regulatorów o właściwościach całkujących. Przedstawiono różne metody przeciwdziałania temu zjawisku, w tym mechanizmy anti-windup, które ograniczają działanie części całkującej regulatora w sytuacji nasycenia sygnału sterującego. Zaprezentowano propozycję struktury systemu anti-windup dla regulatorów pełnych, bazującą na dynamicznym dodatnim sprzężeniu korekcyjnym. Dzięki przeprowadzonej symulacji dokonano oceny porównawczej działania różnych układów regulacji z mechanizmami anti-windup, w tym proponowanego rozwiązania.

Słowa kluczowe

dynamiczne sprzężenie korekcyjne, ograniczenia na sterowanie, regulator pełnego rzędu, układ regulacji, windup

Anti-Windup System in Control Loops with a Full-Order Controller

Abstract

The article discusses the issue of control signal saturation in automatic control systems and the phenomenon of windup, which may occur in controllers with integrating properties. Various countermeasures to this phenomenon are presented, including anti-windup mechanisms that limit the effect of the integrative part of the controller under conditions of control signal saturation. A structural proposal for an anti-windup system designed for full-order controllers is introduced, based on dynamic positive corrective feedback. A comparative evaluation of the performance of different control configurations with anti-windup mechanisms, including the proposed solution, was conducted through simulation.

Keywords

control signal saturation, control system, dynamic feedback correction, high-order controller, integrator windup

Bibliography

  1. Wahyudi, Tarig Faisal, Abdulgani Albagul, Anti-Windup Scheme for Practical Control of Positioning Systems, “IIUM Engineering Journal”, Vol. 5, No. 2, 2012, DOI: 10.31436/iiumej.v5i2.378.
  2. Kheirkhahan P., Robust Anti-Windup Control Design for PID Controllers–Theory and Experimental Verification, “Journal of Modern Processes in Manufacturing and Production”, Vol. 6, No. 3, 2017, 5–34.
  3. Visioli A., Practical PID Control, Springer-Verlag, 2006.
  4. Franklin G.F., Powell J.D., Emami-Naeini A., Feedback Control of Dynamic Systems, 7th Edition, Pearson, 2015.
  5. Haugwitz S., Karlsson M., Velut S., Hagander P., Anti-windup in mid-ranging control, 44th IEEE Conference on Decision and Control, 2005, 7570–7575, DOI: 10.1109/CDC.2005.1583383.
  6. Doroshenko A., Problems of modelling Proportional–Integral–Derivative controller in automated control systems, “MATEC Web of Conferences”, Vol. 112, 2017, DOI: 10.1051/matecconf/201711205013.
  7. Galeani S., Tarbouriech S., Turner M., Zaccarian L., A Tutorial on Modern Anti-windup Design, “European Journal of Control”, Vol. 15, No. 3–4, 2009, 418–440, DOI: 10.3166/ejc.15.418-440.
  8. Peng Y., Vrancic D., Hanus R., Anti-windup, bumpless, and conditioned transfer techniques for PID controllers, “IEEE Control Systems Magazine”, Vol. 16, No. 4, 1996, 48–57, DOI: 10.1109/37.526915.
  9. Åström K.J., Rundqwist L., Integrator Windup and How to Avoid It, 1989 American Control Conference, Pittsburgh, PA, USA, 1989, 1693–1698, DOI: 10.23919/ACC.1989.4790464.
  10. da Silva L.R., Flesch R.C.C., Normey-Rico J.E., Analysis of Anti-windup Techniques in PID Control of Processes with Measurement Noise, “IFAC-PapersOnLine”, Vol. 51, No. 4, 2018, 948–953, DOI: 10.1016/j.ifacol.2018.06.100.
  11. Rundqwist L., Anti-reset Windup for PID Controllers, “IFAC Proceedings Volumes”, Vol. 23, No. 8, Part 4, 1990, 453–458, DOI: 10.1016/S1474-6670(17)51865-0.
  12. Rosołowski E., Podstawy regulacji automatycznej, Politechnika Wrocławska, Wrocław, 2021.
  13. Åström K.J., Hägglund T., PID controllers: theory, design and tuning, 2nd Ed., Instrument Society of America, 1995.
  14. Bieda R., Analiza syntezy układu sterowania feedback-feedforward z modelem niestabilnych, nieminimalnofazowych obiektów z opóźnieniem, „Pomiary Automatyka Robotyka”, R. 28, Nr 4, 2024, 21–38, DOI: 10.14313/PAR_254/21.
  15. Bieda R., Kompleksowa analiza syntezy układu sterowania z modelem procesu dla obiektów nieminimalnofazowych z opóźnieniem i niestabilnych, „Przegląd Elektrotechniczny”, R. 100, Nr 9, 2024, 11–21, DOI: 10.15199/48.2024.09.02.
  16. Åström K.J., Murray R.M., Feedback Systems, An Introduction for Scientists and Engineers, 2nd Ed., Princeton University Press, 2020.
  17. Huba M., Vrančić D., Bisták P., PID Control With Higher Order Derivative Degrees for IPDT Plant Models, “IEEE Access”, Vol. 9, 2021, 2478–2495, DOI: 10.1109/ACCESS.2020.3047351.
  18. Huba M., Vrančić D., Bisták P., PIDmn Control for IPDT Plants, Part 2: Setpoint Response, 26th Mediterranean Conference on Control and Automation, 2018.
  19. Huba M., Bisták P., Vrančić D., Robust Stability Analysis of Filtered PI and PID Controllers for IPDT Processes, “Mathematics”, Vol. 11, No. 1, 2023, DOI: 10.3390/math11010030.