一种变参数PI调节器参数调整方法

摘要

本发明公开了一种变参数PI调节器参数调整方法，包括以下步骤：确定当前直流母线电压与目标电压之间的误差；确定所述误差的偏离状态、以及所述误差的变化趋势，相应地调整比例调节系数Kp；根据所述Kp和积分项输出参数Ki调整最终的PI参数。通过上述步骤，按照误差的偏离状态及变化趋势相应调整比例调节系数Kp，最后调整PI参数。由于Kp是根据误差情况调整的，从而在通过参数控制PWM整流器的过程中，兼顾动态性能和稳态性能。

说明书

技术领域

本发明属于电力电子领域，涉及一种变参数PI调节器参数调整方法。

背景技术

目前，采用电流和电压双环控制策略的PWM整流器控制方法，电压环多 采用单系数控制。从系统的整体控制效果来看，由于调节器参数无法改变，这 种单系数控制方法很难兼顾动态性能和稳态性能。

采用单系数比例-积分控制器的控制系统，首先考虑的是系统的稳态性能， 所以参数选择的就偏小。当系统负载突然增加时，直流母线电压将有一个电压 下降的过程。若是参数选择较小，电压下降的将较大。同样当系统负载突然减 小时，电压会有一个上升的过程，若是参数较小，直流母线电压上升的也就较 大。在通过参数控制PWM整流器的过程中，存在不能兼顾动态性能和稳态性 能的问题。

发明内容

本发明目的在于提供一种变参数PI调节器参数调整方法，通过调整PI调节 器参数，以解决上述通过参数控制PWM整流器的过程中，存在不能兼顾动态 性能和稳态性能的问题。

为解决上述问题，本发明提供一种变参数PI调节器参数调整方法，包括以 下步骤：

（1）确定当前直流母线电压与目标电压之间的误差；

（2）确定所述误差的偏离状态、以及所述误差的变化趋势；

（3）根据所述误差的偏离状态及变化趋势，相应地调整比例调节系数Kp， 根据所述Kp和积分项输出参数Ki，调整PI调节器最终的PI参数。

所述步骤（3）具体为：

（2-1）确定误差的偏离状态的类型：

如果所述误差的绝对值大于第一阈值δ3，则所述偏离状态为大误差状态； 否则，所述偏离状态为小误差状态；

其中：δ1、δ2和δ3为设定的三个阀值，δ1为第三阈值，δ2为第二阈值， δ3为第一阈值，δ1<δ2<δ3；

（2-2）根据误差偏离状态及变化趋势确定PI参数：

a．如果所述偏离状态为大误差状态、且所述误差的变化趋势为增大或减小， 则将所述比例调节系数Kp设置为最大限值PMAX；

PMAX=a*IMAX/δ3；

其中，a为设定的比例系数；IMAX为电压环PI调节器输出最大值或电流 环PI调节器输入最大设定值；

b．如果所述偏离状态为小误差状态，调整比例调节系数Kp的过程如下：

直流母线电压小于目标电压且所述误差有增大趋势，则将所述比例调节系 数Kp调整为：Kp(n)=Kp(n-1)+Err；

直流母线电压大于目标电压且所述误差有增大趋势，则将所述比例调节系 数Kp调整为：Kp(n)=Kp(n-1)-Err；

所述偏离状态为小误差状态、且所述误差有减小趋势，则将所述比例调节 系数Kp调整为：Kp(n)=Kp(n-1)–Vi；

其中：n为采样周期的次数，Err为所述误差；

i=1,2,3；Vi为设定的误差对应调整参数；若0<Err<±δ1，则Vi=V1；若 ±δ1<Err<±δ2，则Vi=V2；若±δ2<Err<±δ3，则Vi=V3；且V1>V2>V3；

如果所述误差为零或所述变化趋势为无变化，则保持Kp不变。

所述误差的变化趋势为直流母线电压的变化率，通过以下公式确定：

dv/dt=[u_dc(n)-u_dc(n-1)]/Ts，Ts为电压采样周期；n为采样次数；

dv/dt>0，所述变化趋势为增大；

dv/dt<0，所述变化趋势为减小；

dv/dt=0，所述变化趋势为无变化。

所述调整比例调节系数Kp的过程中，还包括：

如果所述比例调节系数Kp调整为：Kp(n)=Kp(n-1)±Err、且所述Kp(n)> 最大限值PMAX，则将比例调节系数Kp(n)调整为PMAX；

或，如果所述比例调节系数Kp调整为：Kp(n)=Kp(n-1)-Vi、且所述Kp(n)< 最小限值PMIN，则将比例调节系数Kp(n)调整为PMIN；

其中：PMIN为能够保障系统稳定运行的比例调节系数。

通过上述步骤，按照误差的偏离状态及变化趋势相应调整比例调节系数Kp， 最后调整PI参数。由于Kp是根据误差情况调整的，从而在通过参数控制PWM 整流器的过程中，兼顾动态性能和稳态性能。

附图说明

图1为本发明的流程图；

图2为本发明实施例运算PI参数的流程图；

图3为实施例采用的系统框图。

具体实施方式

为清楚说明本发明的方案，下面结合实施例和附图详细说明。

参见图1，实施例的步骤包括：

S11：确定当前直流母线电压与目标电压之间的误差；

S12：确定所述误差的偏离状态、以及所述误差的变化趋势，相应地调整比 例调节系数Kp；

S13：根据所述Kp和积分项输出参数Ki调整最终的PI参数。

通过上述步骤，按照误差的偏离状态及变化趋势相应调整比例调节系数Kp， 最后调整PI参数。由于Kp是根据误差情况调整的，从而在通过参数控制PWM 整流器的过程中，兼顾动态性能和稳态性能。调整过程属于常规的技术，在本 申请中不做详细阐述。

参见图2，下面通过具体的实施例详细说明控制流程，包括：

S21：计算当前直流母线电压与目标电压之间的误差Err；

将直流母线电压目标值与直流母线电压采样值u_dc比较，得到母线电压 误差Err。

S22：计算直流母线电压的变化率dv/dt；

dv/dt=[u_dc(n)-u_dc(n-1)]/Ts，Ts为电压采样周期。n为采样周期的次数；例 如，当前为第n次，上一次为第n-1次。该变化率用于确定直流母线电压的变 化趋势。

S23：判断误差值Err的绝对值是否大于设定的第三阈值δ3；以确定当前 的误差的偏离状态。

如果是，则所述偏离状态为大误差状态；执行S27；

如果不是，则所述偏离状态为小误差状态；执行S24；

S24：进一步判断误差值Err以及变化率dv/dt的正负情况；相应地执行步 骤S25、S26。

S25包括：

(1)如果所述偏离状态为小误差状态、直流母线电压小于目标电压且所述误 差有增大趋势，则将所述比例调节系数Kp调整为：则Kp(n)=Kp(n-1)+Err。

即0<Err<δ3，直流母线电压小于目标值，并且dv/dt<0，误差有增大趋势， 此时应增大Kp，尽快消除误差。

其中，Kp(n-1)为上一次的Kp值。如果增大后的Kp值大于PMAX，则设置 为PMAX。

(2)如果所述偏离状态为小误差状态、直流母线电压大于目标电压且所述误 差有增大趋势，则将所述比例调节系数Kp调整为：Kp(n)=Kp(n-1)-Err；

即-δ3<Err<0，直流母线电压大于目标值，并且dv/dt>0，误差有增大趋势， 此时应增大Kp，尽快消除误差。

则Kp(n)=Kp(n-1)-Err。

其中，Kp(n-1)为更新前的Kp值。Kp值应小于等于PMAX。如果增大后的 Kp值大于PMAX，则设置为PMAX。

步骤S26包括：

如果所述偏离状态为小误差状态、且所述误差有减小趋势，则将所述比例 调节系数Kp调整为：Kp(n)=Kp(n-1)-Vi i=1,2,3；Vi为误差对应的调整 参数；

其中，0<Err<±δ1， Vi=V1；

±δ1<Err<±δ2，Vi=V2；

±δ2<Err<±δ3，Vi=V3； V1>V2>V3；δ1为第三阈值，δ2为第二阈 值，δ3为第一阈值，δ1<δ2<δ3。

具体如下：

(3)当-δ3<Err<0，直流母线电压大于目标值，并且dv/dt<0，误差有减小趋 势，此时应减小Kp，减小超调。若-δ3<Err<-δ2，Kp参数调整速度为V3；若 -δ2<Err<-δ1，Kp参数调整速度为V2；若-δ1<Err<0，Kp参数调整速度为V1。

则Kp(n)=Kp(n-1)–Vi。(i=1,2,3)

其中，Kp(n-1)为更新前的Kp值。Kp值应大于等于PMIN。如果调整后的 Kp值小于PMIN，则设置为PMIN。

(4)当0<Err<δ3，直流母线电压小于目标值，并且dv/dt>0，误差有减小趋 势，此时应减小Kp，减小超调。若0<Err<δ1，Kp参数调整速度为V1；若 δ1<Err<δ2，Kp参数调整速度为V2；若δ2<Err<δ3，Kp参数调整速度为V3。

则Kp(n)=Kp(n-1)–Vi。(i=1,2,3)

其中，Kp(n-1)为更新前的Kp值。Kp值应大于等于PMIN。如果调整后的 Kp值小于PMIN，则设置为PMIN。

S27：将Kp设置为PMAX

当电压误差Err绝对值大于δ3，此时由于误差较大，若Ki较大，积分相容 易饱和，应减小积分项的影响，此时积分项输出为零。并且系统需要尽快调整 至目标值，根据PI调节的规律，应增大Kp，此时Kp设置为PMAX。

PMAX可根据式(1)求得：PMAX=a*IMAX/δ3   (1)

其中IMAX为电压环PI调节器输出最大值，也为电流环PI调节器输入最大 给定值。一般设定为额定电流值，若是标幺系统则可设为1。a为比例系数，可 根据系统要求设定。例如a设置为0.8，只要能避免系统引起振荡即可。

PMIN为能够保障系统稳定运行的比例调节系数，Kp在一定范围内系统都 可以稳定运行，然而Kp较小时，系统相对来说比较稳定，因此PMIN选择较小 的值，而动态性能通过动态调节Kp来保障。

如果Err或dv/dt等于零时，Kp保持不变。dv/dt等于零，认为电压无趋势 变化。

S28：计算积分项的输出；

具体方法为当Kp≥PMAX，积分项输出设定为零。在小于的情况下，积分项 输出不做处理。

S29：根据调整后的Kp参数，以及积分项输出计算出最终PI输出。

S30：电压环输出作为电流环给定，通过电流环调整驱动脉冲。

S31：计算PWM整理器控制脉宽。

上述实施例中的步骤，可应用到实际的系统中，例如图3中的系统。图中 控制系统中采用的参数自整定PI调节器100。

当前可控整流器为75千瓦，试验参数为：额定电流60A，额定电压660V， 直流母线控制电压为1000V。

PI调节器参数：Pmax=2.0，Pmin=0.4，Kp初始参数为0.4，δ1设定为 0.05，δ2设定为0.1，δ3设定为0.2。δ3的设定相比较来说比较重要，其设定 的值越大，系统出现较大的波动时调节速度相对较慢，若设定的太小在则在出 现较小的波动时容易使得整流器电流波动较大。经过多次实验δ3在0.18-0.23 范围内比较合适，本方案设定为0.2。

根据本方案，直流母线偏差减小时，Kp的减小速度V1、V2、V3分别设定 为0.1、0.02、0.004，分别相差5倍，在误差绝对值小于δ1的范围内Kp迅速 回归Kp设定最小值，便于系统稳定运行。δ1不易选择太大，太大时容易使得 系统调节较慢。V1、V2、V3的选择可以根据实际系统的调节要求设定，本方 案给定的参数，在实验系统中得到很好的应用，在整流器启动过程中，电压超 调明显减小，调节过程变短。

对于本发明各个实施例中所阐述的方法，凡在本发明的精神和原则之内， 所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。