防止积分饱和的有效方法

1.积分饱和

具有积分作用的调节器，只要被控量与设定值之间有偏差，其积分控制输出就不会停止。实际中如果存在某种原因，被控系统的偏差无法消除，调节器则要校正该偏差，经过一段时间后，会使调节器进入深度饱和状态，这种现象称为积分饱和。进入深度积分饱和的调节器，所对应的调节阀完全打开或关闭，系统有输入而无输出，要等系统的偏差反向以后才能从饱和状态中退出，系统重新恢复调节作用。积分饱和的危害是，当偏差量向相反方向变化时，调节器的输出需要足够时间的反向调节输出，才能达到执行机构接收指令的有效响应范围，从而影响了控制系统调节品质和生产过程的安全。

例如，在火力发电厂过热与再热汽温控制系统中，过热汽温与再热汽温一般采用喷水减温的控制方法，对象迟延比较大并且容易受外界干扰影响，容易出现积分饱和。在主调温度的测量值长时间比设定值低并且超过一定时间后，由于主调节器的积分作用，使它的输出达到上限值，送至副调节器的给定端，结果是供副调节器的输出指令达到最小值，使减温水阀完全关闭。当主调温度上升后，需要较长的一段时间才能使主调节器的输出降低，减温水门开启。积分饱和在喷水减温自动控制系统中的危害往往是超温。

造成积分饱和现象的内因是控制器中包含积分控制作用，外因是调节器长期存在偏差。在偏差长期存在的条件下，调节器的输出会不断增加，直到达到极限值。

积分饱和使得系统的超调量增大，振荡加剧，控制品质变差，甚至会引起危险（阀门不能及时关闭）。

2.防止产生积分饱和的方法

根据积分饱和产生的原因，可以有多种防止产生积分饱和的方法。

（1）积分分离法

由调节器内部实现小偏差时采用PI调节，大偏差时采用P调节的PI→P的自动切换。如图3-13a所示，其中A₁为比例积分运算放大器，R_I、C₂起积分作用，C₁、C₂起比例作用，比较放大器A_h用于比较两个输入信号E_o和E_h，控制场效应晶体管开关S的通断，E_h值可由电位器设置。

当开关S断开时，电路为比例积分调节器，如果E_i输入一个负的阶跃信号，则输出电压E_o的变化如图3-13b中的实线所示。而当E_o增大到E_h以后，比较放大器A_h的输出使得开关S闭合，此时R₁和R_I、C₁并联，R₂与C₂并联。若取R₁＝R₂，则电路成为1∶1的反相器，这时输出E_o减小到与E_i相等的数值，如图3-13b中虚线所示。此时调节器变换为比例调节器，实现了PI→P的自动切换。

图3-13 积分分离法电路图和系统输出响应

a）电路原理图 b）输出阶跃响应

（2）积分外反馈法

将PI调节器的传递函数(www.xing528.com)

改写为

或

当U_b（s）＝U（s）时，式（3-15）为PI调节器；当U_b（s）＝0时，控制器输出与偏差成比例关系，式（3-15）为P调节器，此时积分控制作用不存在，就不会出现积分饱和现象。这种采用外部信号作为积分信号的防止积分饱和的方法称积分外反馈法。

图3-14所示为防止积分饱和而采用的气动控制器结构，其中LS为低选器，其输出是输入信号中的低值。

由图3-14可知，当U（s）＜U_b（s）时，调节器的传递函数为

即调节器为PI调节器。

当U（s）＞U_b（s）时，LS输出U_b（s）为常数，控制器为纯比例控制，从而防止了积分饱和现象的出现。

图3-14 积分外反馈法气动控制器结构图