《電子技術(shù)應(yīng)用》
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基于PID的單相逆變器復(fù)合控制方案設(shè)計(jì)
摘要: 本文介紹了一種PID控制器與重復(fù)控制器采用串聯(lián)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的方案,,將穩(wěn)定的PID+控制對(duì)象閉環(huán)系統(tǒng)作為重復(fù)控制器的控制對(duì)象,在保證系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差和動(dòng)態(tài)性能的同時(shí),簡(jiǎn)化了重復(fù)控制器的設(shè)計(jì)。
Abstract:
Key words :
 

  引言

  PID控制作為一種經(jīng)典控制算法,具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于調(diào)試、動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性快、魯棒性強(qiáng)等特點(diǎn),。但是,對(duì)于中,、低頻周期信號(hào),,該算法仍無(wú)法實(shí)現(xiàn)無(wú)靜差控制;對(duì)由非線性負(fù)載引起的輸出波形畸變的調(diào)節(jié)能力也較差,。

  本文介紹了一種PID控制器與重復(fù)控制" title="重復(fù)控制">重復(fù)控制器采用串聯(lián)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的方案,,將穩(wěn)定的PID+控制對(duì)象閉環(huán)系統(tǒng)" title="閉環(huán)系統(tǒng)">閉環(huán)系統(tǒng)作為重復(fù)控制器的控制對(duì)象,在保證系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差和動(dòng)態(tài)性能的同時(shí),,簡(jiǎn)化了重復(fù)控制器的設(shè)計(jì),。

  1逆變器模型

  式中,,u0為輸出電壓;i為電感電流,;為負(fù)載電阻,;C為濾波器電容;£為電容等效串聯(lián)電阻:

單相全橋逆變器原理圖

  取采樣頻率和開關(guān)頻率相等,,把逆變橋看作一個(gè)零階保持器,,將式(2)離散化可得對(duì)象的脈沖傳遞函數(shù)" title="傳遞函數(shù)">傳遞函數(shù)為:

  2PID控制器設(shè)計(jì)

  圖2所示為PID控制系統(tǒng)" title="控制系統(tǒng)">控制系統(tǒng)的開環(huán)頻率特性圖(Bode圖)。其中,,G0為被控對(duì)象,;G為PID控制器;G=Gp×G0

  按照傳統(tǒng)PID設(shè)計(jì)理論,,首先設(shè)開環(huán)系數(shù)為K=200,,目的是提高系統(tǒng)低頻增益,減小穩(wěn)態(tài)誤差,。但是K值過(guò)大會(huì)降低系統(tǒng)穩(wěn)定性,,所以在低頻段處加一零點(diǎn),與積分環(huán)節(jié)構(gòu)成滯后校正,。該滯后環(huán)節(jié)的作用主要有兩條:一是在保證系統(tǒng)暫態(tài)性能基本不變的情況下,,提高系統(tǒng)低頻響應(yīng)的增益,減小系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差,;二是利用其低通濾波特性衰減系統(tǒng)高頻響應(yīng)增益,,提高系統(tǒng)的相角裕度,以改善系統(tǒng)的穩(wěn)定性,。

PID控制系統(tǒng)Bode圖

  在中頻段60處加一零點(diǎn),,同時(shí)在高頻段處加一極點(diǎn),由此構(gòu)成超前校正,。其作用主要有兩條:一是利用相角超前特性增大系統(tǒng)的相角裕度,,提高系統(tǒng)的截止頻率,保證系統(tǒng)快速的動(dòng)態(tài)響應(yīng),;二是衰減系統(tǒng)高頻響應(yīng)增益,抑制高頻噪聲,,提高系統(tǒng)魯棒性,。

  圖2中G為PID控制系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù),由其頻率特性曲線可以看到,,系統(tǒng)低頻開環(huán)增益" title="開環(huán)增益">開環(huán)增益非常大,;截止頻率附近頻段相角裕度增大;高頻段開環(huán)增益很小,,抑制了高頻干擾信號(hào),。通過(guò)滯后一超前相校正方法對(duì)PID控制器進(jìn)行設(shè)計(jì),,達(dá)到了預(yù)期的目的。經(jīng)過(guò)以上分析,,PID傳遞函數(shù)為:

  取采樣頻率和開關(guān)頻率相等,,采用零階保持器將式(4)離散化可得對(duì)象的脈沖傳遞函數(shù):

  3重復(fù)控制器設(shè)計(jì)

  根據(jù)內(nèi)模原理,在閉環(huán)系統(tǒng)中加入外部周期信號(hào)動(dòng)態(tài)模型,,則系統(tǒng)可以達(dá)到對(duì)外部周期信號(hào)漸近跟蹤的目的,,重復(fù)控制策略正是基于這一原理。圖3為基本重復(fù)控制器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖,,其中重復(fù)控制器離散表達(dá)式為:

  式中,,Ⅳ為每基波周期對(duì)輸出電壓的采樣次數(shù)。

  由式(6)可知,,當(dāng)頻率為∞=2~k/T(K=0,,1,2,,……,,T為基波周期),由于z=1,,所以若在閉環(huán)系統(tǒng)中嵌入重復(fù)控制器,,將使開環(huán)增益趨向無(wú)窮大。在這種情況下,,非諧波輸入信號(hào)將被強(qiáng)烈衰減,,達(dá)到精確跟蹤輸入信號(hào)的目的。但是,,由于無(wú)法精確知道控制對(duì)象動(dòng)態(tài)特性,,所以開環(huán)增益趨向無(wú)窮大將惡化閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。為了保證系統(tǒng)穩(wěn)定性,,需對(duì)基本重復(fù)控制系統(tǒng)改進(jìn),。

RC控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

  本方案提出的復(fù)合重復(fù)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。

PID—RC控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

  Q(z),、G,,(。)為低通濾波補(bǔ)償器" title="補(bǔ)償器">補(bǔ)償器,,是重復(fù)控制器設(shè)計(jì)工作的重點(diǎn),。P()的作用是將開環(huán)增益調(diào)節(jié)至很大的有限值,在不影響穩(wěn)態(tài)精度的前提下保證系統(tǒng)穩(wěn)定性,;G,,()的作用是通過(guò)限制重復(fù)控制器的頻帶范圍來(lái)提高系統(tǒng)的魯棒性。由圖可得到系統(tǒng)的誤差傳遞函數(shù)為:

  式中,,

  根據(jù)小增益定理,,上述系統(tǒng)穩(wěn)定的條件是:

 ?、匍]環(huán)系統(tǒng)G()是穩(wěn)定的。

 ?、?img alt="" border="0" src="http://files.chinaaet.com/images/20110610/da1e7a10-ef2a-4660-8b7e-7fe4e35a178b.jpg" />

  由誤差傳遞函數(shù)式(7)可知,,如果:

  則式(7)可重列為:

  如果通過(guò)構(gòu)造Q(z),在頻率∞=2,rrk/T(k=0,,1,,2,……)處使:

  則可以得到E(z):0,。所以,,當(dāng)系統(tǒng)滿足式(10),式(12)時(shí),,各階諧波的穩(wěn)態(tài)誤差理論上將趨向零,。但是,由于實(shí)際的系統(tǒng)為非理想系統(tǒng),,上述設(shè)計(jì)要求無(wú)法滿足所有頻段的諧波,,通常是在一定頻率范圍內(nèi),根據(jù)穩(wěn)定性條件式(8),、式(9)和控制器條件式(10),,式(12)設(shè)計(jì)重復(fù)控制器,滿足系統(tǒng)對(duì)穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)的要求,。

  根據(jù)式(8),、式(10),補(bǔ)償器G,,()可以直接設(shè)計(jì)為G()的逆函數(shù),。但是,如果G(z)是非最小相位系統(tǒng),,雖然式(10)仍成立,,外部表現(xiàn)穩(wěn)定,由于有不穩(wěn)定零極點(diǎn)對(duì)消情況,,這將導(dǎo)致系統(tǒng)內(nèi)部不穩(wěn)定,。這種情況下,必須采用其他類型的補(bǔ)償器對(duì)G,,()進(jìn)行設(shè)計(jì),。

  本文中提出的方案,控制對(duì)象是PID控制器鎮(zhèn)定的穩(wěn)定閉環(huán)系統(tǒng),,其本身即為最小相位系統(tǒng),所以可以直接使用逆函數(shù)設(shè)計(jì)補(bǔ)償器,,即:

  式(12)理論上要求p(z)=1,;然而式(9)表明,,由于高頻段G(z)趨向0,Q(z)在高頻段應(yīng)小于1,,所以Q(z)應(yīng)是一個(gè)具有零相移的低通濾波器,,其表達(dá)式為:

  實(shí)際應(yīng)用中,采用一階低通濾波器完全可以滿足系統(tǒng)要求:

  通過(guò)以上分析,,現(xiàn)在重復(fù)控制器的兩個(gè)濾波器可以根據(jù)式(13),、式(15)設(shè)計(jì)。

  為了進(jìn)一步理解重復(fù)控制器在系統(tǒng)中的作用,,可以比較嵌入重復(fù)控制器和沒(méi)有嵌入兩種情況下的系統(tǒng)開環(huán)頻率特性,,如圖5所示。

PID/PID-RC系統(tǒng)Bode圖

  在高頻段,,開環(huán)增益變得非常小,,這對(duì)抑制高頻噪聲,提高系統(tǒng)穩(wěn)定性和魯棒性是非常有幫助的,。但是,,在非諧波頻率處,沒(méi)有嵌入重復(fù)控制器的系統(tǒng)開環(huán)增益更大一些,,這說(shuō)明重復(fù)控制器對(duì)位于該頻率的信號(hào)控制效果較差,。因此,PID控制器在系統(tǒng)中除了有提高系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度的作用外,,還要調(diào)節(jié)非諧波信號(hào),,彌補(bǔ)重復(fù)控制器的不足。

  4仿真實(shí)驗(yàn)分析

  根據(jù)以上分析,,筆者對(duì)數(shù)字PID控制,、重復(fù)控制以及提出的復(fù)合控制進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)。系統(tǒng)參數(shù)如下:

  輸入直流電壓為270V,,輸出交流電壓為110V/50Hz,,開關(guān)頻率為10kHz,輸出濾波電感為1.5mH,,輸出濾波電容為20F,,負(fù)載電阻為10n。

  圖6,,圖7中,,為給定電壓;Uo為輸出電壓,。

PID控制穩(wěn)態(tài)波形

PID.RC控制穩(wěn)態(tài)波形

  PID控制對(duì)于周期性信號(hào)無(wú)法做到無(wú)差跟蹤,,存在周期性穩(wěn)態(tài)誤差。嵌人了重復(fù)控制器的系統(tǒng),輸出能夠很好地跟蹤輸入信號(hào),,系統(tǒng)迅速進(jìn)入穩(wěn)態(tài),,表現(xiàn)出良好的動(dòng)態(tài)性能。

  圖8,,圖9為系統(tǒng)輸出電壓波形的頻譜分析,。圖中直觀地反映出重復(fù)控制可以有效地抑制諧波,降低輸出波形的畸變率,。

PID控制頻譜分析

PID—RC控制頻譜分析

  5結(jié)語(yǔ)

  上述過(guò)程較為詳細(xì)地分析了重復(fù)控制器的工作原理,,結(jié)合PID控制和重復(fù)控制各自的優(yōu)缺點(diǎn),設(shè)計(jì)了具有串聯(lián)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的復(fù)合控制器,,同時(shí)發(fā)揮了重復(fù)控制器對(duì)周期信號(hào)無(wú)差跟蹤能力和PID控制器對(duì)突變干擾的快速響應(yīng)能力,。仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明,重復(fù)控制對(duì)削減輸出波形畸變是有效的,,基于PID控制和重復(fù)控制的復(fù)合控制策略是一種實(shí)用的正弦波逆變器控制方案,。



 

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