The anti-windup schemes developed so far are summarized and the similarities/differences schemes are discussed. The anti-windup schemes are applied to a DC servomotor control system with PID controller to perform comparative study and sensitivity analysis. Based on those results, some criteria for choosing anti-windup scheme are suggested. The results of this study provide a very useful guideline for selecting and designing the anti-windup scheme for various types of PID control systems.
In many real applications, the discrepancy problem between controller outputs and plant inputs or the abrupt variation problem of controller outputs can occur. These problems have a negative effect on control performance and stability. It is well-known that two phenomena called 'windup' and 'bump' cause these problems. So far these problems have been studied separately in each side of the anti-windup and the bumpless transfer. This paper proposes a new unified method combines the anti-windup and the bumpless transfer method using the linear quadratic minimization and a proper state space model representation for the anti-windup controller. The proposed method has a feature that it takes account of both the anti-windup and the bumpless transfer in one formula. Finally, we exemplify the performance of the proposed method via numerical examples using the controller switching between the anti-windup PID controller and the anti-windup LQ controller.
Many practical processes in industry have nonlinearities of some forms. One commonly encountered form is actuator saturation which can cause a detrimental effect known as integrator windup. Therefore, a strategy of attenuating the effects of integrator windup is required to guarantee the stability and performance of the overall control system. In this paper, optimal tuning of a PID (Proportional-Integral-Derivative) controller with an anti-windup scheme is presented to enhance the tracking performance of the PID control system in the presence of the actuator saturation. First, we investigate effective anti-windup schemes. Then, the parameters of both the PID controller and the anti-windup scheme are optimally tuned by an EA (Evolutionary Algorithm) such as the IAE (Integral of Absolute Error) is minimized. A set of simulation works on two high-order processes demonstrates the benefit of the proposed method.
This paper proposes a method for comparing and evaluating anti-windup proportional-integral (PI) control strategies. The so-called PI plane is used and its coordinate is composed of the error and the integral state. In addition, an anti-windup PI controller with integral state prediction is proposed. The anti-windup scheme can be easily analyzed and evaluated on the PI plane in detail. Representative anti-windup methods are experimentally applied to the speed control of a vector-controlled induction motor driven by a pulse width modulated (PWM) voltage-source inverter (VSI). The experimental results compare the anti-windup PI controllers. It is empathized that the initial value of the integral state at the beginning of the linear range dominates the control performance in terms of overshoot and settling time.
In order to overcome some problems of existing anti-windup methods, this paper defines LQ (Linear Quadratic) observer and proposes a new anti-windup method using the LQ observer. LQ observer is derived by linear quadratic optimization in order to calculate controller states, which make the controller outputs equal to the plant inputs. And we propose an algorithm so that it can be implemented by a digital controller easily. The relationship between the design parameters and the anti-windup performance is shown via some numerical examples, which cover the cases with the anti-windup method using LQ observer designed and the case without it. Finally, the anti-windup performance of the proposed method is exemplified via comparison with the existing model-based conditioning scheme method[4].
Most realistic control systems contain nonlinearities of some form. One nonlinearity commonly found in control systems is a saturating element. If integral control is applied to such a system to eliminate steady state error, an undesired side effect known as integrator windup may occur when lage setpoint changes are made. This effect leads to a characteristic step response with a large overshoot and a very high settling time. To avoid this situation, many different anti-windup strategies have been suggested. But existing strategies remain over shoot and high settling time. This paper proposes a new anti-windup strategy for PI speed controllers. When the speed control system is changed P controller to PI controller. Integrator has an appropriate initial value. This value results over shoot and high settling time. The SIMULINK/MATLAB-based comparative simulation results and experiment results of speed controller have shown its superior control performance to that of a proposed anti-windup speed controller.
This paper deals with a development of a quad-rotor for a hovering attitude control. First, a rotational dynamics are derived to design an attitude controller. The attitude controller is based on PI (Proportional-Integral) controller. For a stable attitude control, an anti-windup method applies to the PI attitude controller. Additionally, a complementary filter is used to obtain more reliable attitude. Gain values of the attitude controllers based on the anti-windup method are obtained through tests. Finally, the quad-rotor with the anti-windup based PI attitude controller is developed and a hovering attitude control flight tests are performed. As a result, the developed quad-rotor is capable of stable hovering.
In the actual control systems, there exist many kinds of restrictions or nonlinearities. However, due to the nonlinearities in actuators and sensors, the designed controller may not be applicable in some practical situations. One such nonlinearity is amplitude saturation in actuators. Although sometimes it may be ignored, in other cases failure to consider actuator saturation may severely degrade closed-loop system performance and even lead to instability. On the other hand, limiting the controller gain to avoid saturation sacrifices control effort and may lead to loss of performance. Consequently, in some cases, the actuator saturation must be explicitly taken into account to ensure desired performance. However, in this paper, an anti-windup control system design method is introduced to suppress the windup due to the amplitude saturation of the actuator. The proposed control system has very simple design process and guarantees the good control performance. The validity of the proposed control system will be shown by comparing with the results of a reported paper.
본 논문은 부하에 대한 빠른 응답 특성을 보이는 새로운 SRM 구동 토폴로지를 제안하였다. PI 제어기 출력이 포화될 때 windup 현상이 나타나고 그 결과로 성능이 저하된다. 따라서 전동기의 가변속 제어 성능을 위해 가속 시에는 개선된 Anti-Windup PI 제어기만을 사용하고 감소 시에는 추가로 부하의 특성을 고려하여 braking 동작을 사용하였다. 시뮬레이션 및 실험 결과는 속도 성능면에서 제안된 방식이 종래의 다른 제어 방식에 비해 우수함을 보여 준다.
본 연구에서는 다단제어(Cascade Control)를 위한 안티 와인드업(Anti-windup) 기술을 개발하였다. 다단제어는 외란을 보다 효과적으로 제어하기 위해 내부에 되먹임(Feedback) 제어루프를 추가한 제어구조이다. 단일루프제어(Single-loop Control)와는 다르게 두 개의 제어루프로 이루어져 내부의 종속제어루프(Secondary Control)가 외부의 주제어루프(Primary Control)에 영향을 미치는 특징을 가지고 있다. 산업현장에서 다단제어에 적용하는 기존의 안티 와인드업 기술은 주로 주제어기(Primary Controller)와 종속제어기(Secondary Controller)에 각각 로컬 역연산법(Back Calculation)을 적용하는 것이다. 하지만 이 방법은 종속제어기의 제어출력이 포화되었을 때 발생하는 주제어기의 적분누적(Integral-windup) 현상을 효과적으로 제거하지 못한다. 이를 해결하기 위해 기존 로컬 안티 와인드업 기술을 확대 적용한 두 가지의 다단제어용 안티 와인드업 기술을 제안한다. 첫 번째는 다단 조건부 적분법(Cascade Conditional Integration)이고 두 번째는 다단 역연산법(Cascade Back Calculation)으로 단일루프제어에 적용되어 왔던 로컬 조건부 적분법과 역연산법을 다단제어로 확대 적용하여 다단제어 시스템에서 PID제어기의 적분누적 현상을 방지하고자하였다. 개발한 다단 조건부 적분법과 다단 역연산법은 간단하고 직관적이면서도 종속제어기의 제어출력의 포화로 인해 발생한 적분누적현상을 효과적으로 방지할 수 있고 공정이나 제어기 형태에 상관없이 우수한 제어성능을 유지할 수 있었다. 향후 실제 공정 적용을 통해 신뢰성을 확보한다면 산업현장의 다단제어기 성능을 개선하는데 크게 기여를 할 수 있을 것이다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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