一种改进型重复控制器的研究

杨照辉,张 菁,梁宝娟

摘 要:提出一种新的改进型重复控制策略,克服了传统重复控制器内模使用过多数据存储空间的缺点。详细分析新型控制器的模型,给出控制器优化设计方法。在设计中加入电流内环,通过电感电流反馈来降低输出滤波器的谐振峰值,增加系统的稳定性,简化了重复控制器的设计。与传统直接重复控制器相比,去除了North滤波器,弥补了North滤波器谷点设计不精确的缺点。

关键词:重复控制;电流环;参数设计;内模原理;滤波器

中图分类号:TP274文献标识码:A

文章编号:1004-373X(2009)12-183-02

Research of Improved Repeated Controller

YANG Zhaohui,ZHANG Jing,LIANG Baojuan

(School of Electronic and Control Engineering,Chang′an University,Xi′an,710064,China)

Abstract:A kind of novel improvement type repeated control strategy is put forward,weakness of the traditional repeated controller mold inside uses an excessive data saving space is overcomed.The model of new controller is analysed in detail,controller′s optimal design method is given.Joining wreath inside of current in the design,using the current feedback of henrymeter to lower resonance voltage maximum value of output filter,the stability of system is increased,the design of repeated controller is simplified.Comparing with direct traditional repeated controller,it removes North filter,makes up the difference of North filter valley point is inaccuracy.

Keywords:repeated control;current wreath;parameter design;inside mold principle;filter

随着信息产业的高速发展,UPS作为一种恒频、恒压、纯净、高质量的电源,已经成为许多重要用电场合必备的辅助电源。UPS系统的核心是正弦波逆变器,它的调节指令是周期性的正弦波。传统的PID控制并不能获得良好的控制效果。重复控制方法的提出解决了这一问题。

1 传统重复控制

内模原理指在一个闭环系统中,如果受控系统本身是稳定的,并且开环传递函数包含外部输入的数学模型,那么系统的稳态误差为零。对于一个周期为T的输入信号或干扰信号,有:

r(t)=r(t-T)(1)

式中:当-T

模型如图1所示。将该模型串联插入控制对象传递函数的主通道;如图2所示,就可以构成一个以T为周期输入的没有稳态误差的系统。

图2系统满足以下稳定性条件和误差收敛速度:

|H(z)|=|zN|=‖Q(z)-Gp(z)‖<1(2)

|e(z)|=|e(z+N)|=|zNe(z)|=

|H(z)|•|e(z)|(3)

图1 重复控制器内模

图2 重复控制系统

图3是完整的传统重复控制系统框图。系统采用传统重复控制器的设计方法,能获得很好的稳态特性和一定的误差收敛速度。由于动态响应速度慢,占用很多数据存储空间,在此提出的重复控制改进方案可以很好地解决存储空间多的问题。

2 改进型重复控制器

由于正弦波逆变器闭环参考输入是正弦波,不仅具有周期性,还具有半周期的负对称性,其控制原理图如图4所示。

图3 传统重复控制系统框图

图4 改进型内模原理图

由图4可见,由于该改进型内模输入和输出在同一通路上,不仅没有一个基波周期延迟效应,而且还减少了一半的数据存储空间,同样可以实现正弦波输入时的无静差。根据欧拉公式,当ω=2(2k+1)πf=(2k+1)ωs时,内模有无限大增益。因此,它是一个奇次谐波发生器,能对奇次谐波实现无静差的跟踪,可以用作奇次谐波补偿。 图5所示为改进内模后重复控制系统。

图5 改进内模的重复控制系统

2.1 稳定性分析

上述系统稳定须满足以下条件:

(1)Gp(z)稳定,根据内模原理,在不加入内模时,系统本身Gp(z)必须是稳定的;

(2) Q(z)稳定,Q(z)的作用本身是改变内模临界稳定的特性,加入的Q(z)自身应该是稳定的;

(3) 满足条件‖Q(z)-Gp(z)‖<1,即仍然满足传统内模的稳定性条件式(2)。

2.2 稳态误差分析

假设误差也是周期性,离散的周期为N,则因每半周期做一次补偿,所以对于周期性误差,满足:

|e(z)|=|e(z+N)|=|zNe(z)|=|zN/2|•

|zN/2|•|e(z)|=|H(z)|•2|e(z)|(4)

对比式(3),理想情况下(|H(z)|=0)系统仍然需要一个基波周期才能将误差收敛到0。但是非理想情况下(0<|H(z)|<1),收敛速度却可以得到提高(平方倍)。

2.3 电流负反馈特性分析

根据重复控制系统设计原理,首先需要对逆变器进行建模。逆变电源忽略了开关管的影响和电压传输中的高频脉动,可以认为开关部分是一个理想的功率放大器,他的动态模型由LC滤波器决定,可以等效为二阶模型。

如果采用电感电流负反馈,同样可以实现降低谐振峰值,提高系统稳定性的目的。加入电感电流负反馈后的等效逆变器控制框图如图6所示。

图6 电感电流负反馈逆变器等效框图

3 系统参数的优化设计

采用改进型重复控制完整系统框图如图7所示。它以直接重复控制为原型,采用改进型内模,同时加入电感电流负反馈内环的结构。

图7 改进型重复系统完整控制框图

图7中各参数参考传统重复控制器命名,忽略干扰,完整系统的闭环系统输入到误差的传递函数为:

‖Q(z)-Krs(z)GPC(z)‖<1(5)

设计方法同传统重复控制,即:

(1) 确定一个周期内的采样次数,决定N;

(2) 为简单起见,选取Q(z)=0.95;

(3) 对逆变器进行建模,适当选取电感电流负反馈系数Ki,建立等效逆变器模型GPC;

(4) 设计能产生同GPC对消的补偿器S(z),满足稳定性要求式(5)。由于谐振峰值已经降低,无需设计Notch滤波器,而S(z)在设计时截止频率可以提高,可以看出S可以提供更快的高频衰减;

(5) 根据S(z)和GPC(z)所产生的相移,设计相位补偿zk;

(6) 调整开环增益Kr以获得最佳控制效果。

4 结 语

由于重复控制本身具有占用过多数据存储空间的缺点,在此提出这种内模改善策略,使得重复控制和其他高级控制相结合使用更加方便。结合电流内环控制原理,在SPWM逆变器控制中加入电流内环,它不同于嵌入式改进型重复控制算法,直接将重复控制作为PID的从控制,而是通过电流内环来改善系统的稳定性。

参考文献

[1]刘继斌,胡修林.高速数据通道中的缓存研究[J].微电子学与计算机,2006(6):13-15.

[2]Psaltis D,Burr D W.Holographic Data Storage[J].IEEE Computer,1998,31(2):52-56.

[3]毕查德•拉扎维.模拟COMS集成电路设计[M].西安:西安交通大学出版社,2002.

[4]孙铁,惠春,王芸.一种高电源噪声拟制宽线形范围COMS压控振荡器设计[J].微电子学与计算机,2005(10):64-67,71.

[5]孙德文,高儒振.基于SNMP网络拓扑图的自动构造实现[J].上海交通大学学报,1997,31(8):97-101.

[6]欧伟明,周春临,翟遂春.电子信息系统设计[M].西安:西安电子科技大学出版社,2005.

[7]欧伟明.基于FPAG电路重构技术的电子系统设计[J].仪表技术与传感器,2006(4):39-41.

[8]夏得衿,翁贻方.自动控制理论[M].北京:机械工业出版社,2002.

[9]郑耀添.并联均流技术在高频开关电源中的应用研究[J].微电子学与计算机,2006(6):169-171.

[10]亓淑敏,关可.VHDL在现代电子设计技术EDA中的应用[J].现代电子技术,2005,28(15):116-117,120.

[11]刘盛辉,邱彦章.嵌入式多路数据采集平台的硬件设计[J].南开大学学报,2005(10):37-39.