法律状态公告日
法律状态信息
法律状态
2016-05-25
授权
授权
2014-01-22
实质审查的生效 IPC(主分类):G05B19/042 申请日:20130926
实质审查的生效
2013-12-25
公开
公开
技术领域
本申请涉及电力电子技术领域,尤其涉及一种滞后补偿控制方法及应用 其的数字控制系统。
背景技术
相对于模拟控制,数字控制具有抗干扰性强、控制策略灵活、便于维护 等诸多优势,但数字控制过程同时也存在系统输出占空比受限的缺点,因此, 现有数字控制器多采用滞后一拍控制。如图1所示的现有数字控制方框图, 系统控制参量给定值Xr与对采样得到的控制参量反馈值X之差作为离散控制 器G(z)的输入信号,离散控制器G(z)的输出信号作为当前拍的调制波数值 Vr[0],输入数字控制系统的控制寄存器;控制寄存器对Vr[0]采用滞后一拍的方 式进行装载;同时当前拍的调制波数值Vr[0]经过滞后一拍环节z-1后得到滞后 一拍的调制波数值Vr[1],通过零阶保持器ZOH维持Vr[1]在当前采样周期内数 值不变。
上述滞后一拍控制方法虽然解决了占空比受限问题,但是其引入的滞后 特性给控制系统的设计带来了新的问题。因此,有必要设计一种数字控制滞 后补偿方法,以在保证控制系统稳定裕度、动态特性等的前提下,消除控制 系统的滞后特性。
发明内容
有鉴于此,本申请目的在于提供一种滞后补偿控制方法及应用其的数字 控制系统,以在保证控制系统稳定裕度、动态特性等的前提下,消除控制系 统的滞后特性。
为实现上述目的,本申请提供如下技术方案:
一种滞后补偿控制方法,基于一种数字控制系统,所述数字控制系统至 少包括离散控制环节G(z)和串接于所述离散控制环节G(z)之后的滞后一拍环 节z-1,所述数字控制系统还包括与所述滞后一拍环节z-1反向并联的补偿环 节;
所述滞后补偿控制方法包括:
确定所述补偿环节的补偿系数KZC;
确定所述离散控制环节G(z)的输出信号Ctrout;
获取所述滞后一拍环节z-1的输出信号Vr[1];
根据公式Vr[0]=Ctrout-Vr[1]*KZC计算当前拍调制波数值Vr[0];
将所述当前拍调制波数值Vr[0]作为滞后一拍环节的输入信号,进行滞后 一拍控制。
优选的,所述确定所述补偿环节的补偿系数KZC,包括:
确定所述数字控制系统的开环截止频率ωc;
根据公式φz=360ωc*Ts/(2π)计算所述滞后一拍环节产生的滞后相位φz;
根据公式φzc=φ0+φz-φset确定所述滞后一拍环节z-1和补偿环节构成的滞 后补偿环节Gd(z)产生的滞后相位φzc;
根据公式
其中,φ0为所述数字控制系统不加所述滞后补偿环节的情况下的相位裕 度;φset为满足所述数字控制系统控制要求的相位裕度;Ts为所述数字控制系 统的控制周期。
优选的,所述确定所述离散控制环节G(z)的输出信号Ctrout,包括:
通过公式Ctrout=G(Xr-X)计算所述离散控制环节的输出信号Ctrout;其中,
X为对所述数字控制系统连续域模型的输出信号进行采样得到所述数字 控制系统的控制参量反馈值;
Xr为所述数字控制系统的控制参量给定值。
优选的,在所述确定所述补偿环节的补偿系数KZC之后、及确定所述离散 控制环节G(z)的输出信号Ctrout之前,所述滞后补偿控制方法还包括:
根据公式
将连续域控制器的待修正控制参数分别与所述滞后补偿幅值相除,得到 修正后的连续域控制器;
将修正后的连续域控制器离散化得到所述离散控制环节的表达式;
其中,所述待修正控制参数包括比例环节、比例积分环节、比例积分微 分环节的参数;若控制目标为直流分量,则ω0=0;若控制目标为交流基波, 则ω0=2πf0;f0为所述数字控制系统的工作频率。
优选的,所述数字控制系统还包括串接于所述滞后一拍环节z-1之后的零 阶保持环节;
在所述计算当前拍调制波数值Vr[0]后,所述滞后补偿控制方法还包括:
保持所述滞后一拍环节z-1的输出信号Vr[1]在当前控制周期内数值不变; 其中,Vr[1]=Vr[0]。
一种数字控制系统,包括离散控制环节G(z)和串接于所述离散控制环节 G(z)之后的滞后一拍环节z-1,还包括补偿环节;
所述补偿环节包括一比例环节,所述补偿环节的补偿系数为KZC;
所述滞后一拍环节z-1的输出信号Vr[1]作为所述补偿环节的输入信号,所 述离散控制环节G(z)的输出信号Ctrout与所述补偿环节的输出信号之差作为所 述滞后一拍环节z-1的输入信号Vr[0];其中,Vr[0]=Ctrout-Vr[1]*KZC。
优选的,通过如下公式确定所述补偿系数KZC:
ωc为所述数字控制系统的开环截止频率;
Ts为所述数字控制系统的控制周期;
φz为所述滞后一拍环节产生的滞后相位,且φz=360ωc*Ts/(2π);
φzc为所述滞后一拍环节z-1和补偿环节构成的滞后补偿环节Gd(z)产生的 滞后相位,且φzc=φ0+φz-φset;φ0为所述数字控制系统不加所述滞后补偿环节 的情况下的相位裕度;φset为满足所述数字控制系统控制要求的相位裕度。
优选的,通过如下公式确定所述离散控制环节G(z)的输出信号Ctrout:
Ctrout=G(Xr-X);其中,
X为对所述数字控制系统连续域模型的输出信号进行采样得到所述数字 控制系统的控制参量反馈值;
Xr为所述数字控制系统的控制参量给定值。
优选的,通过如下方法确定所述离散控制环节G(z)的表达式:
根据公式|
将连续域控制器的待修正控制参数分别与所述滞后补偿幅值相除,得到 修正后的连续域控制器;
将修正后的连续域控制器离散化得到所述离散控制环节的表达式;
其中,所述待修正控制参数包括比例环节、比例积分环节、比例积分微 分环节的参数;若控制目标为直流分量,则ω0=0;若控制目标为交流基波, 则ω0=2πf0;f0为所述数字控制系统的工作频率。
优选的,所述数字控制系统还包括串接于所述滞后一拍环节z-1之后的零 阶保持环节。
从上述的技术方案可以看出,本申请通过补偿系数KZC对现有采用滞后一 拍控制的数字控制系统的输出调制波进行修正,即将Ctrout-Vr[1]*KZC作为当前 拍的调制波数值Vr[0],存储至控制寄存器,控制寄存器根据Vr[0]进行滞后一拍 处理,并形成占空比控制相应驱动系统的开关电路;因此,相对于现有技术 中直接将离散控制环节G(z)的输出信号Ctrout作为当前拍的调制波数值进行滞 后一拍控制,本申请在通过滞后一拍环节解决了系统输出占空比受限问题的 同时,通过补偿环节对滞后一拍特性进行补偿,既不需要改变系统控制带宽, 保证了系统的稳定裕度及动态特性,又不需引入新的采样量,简单易实现, 有效的解决了现有技术的问题。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案,下面将对实 施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面 描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲, 在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为现有数字控制系统的方框图;
图2为本申请实施例一提供的滞后补偿控制方法的流程图;
图3为应用本申请实施例后滞后补偿环节Gd(z)的幅频及相频特性曲线;
图4为本申请实施例二提供的滞后补偿控制方法的流程图;
图5为本申请实施例提供的单环数字控制系统的方框图;
图6为本申请实施例提供的双环数字控制系统的方框图。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图,对本申请实施例中的技术方案进行 清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例,而 不是全部的实施例。基于本申请中的实施例,本领域普通技术人员在没有作 出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本申请保护的范围。
本申请实施例公开了一种滞后补偿控制方法及应用其的数字控制系统, 以在保证控制系统稳定裕度、动态特性等的前提下,消除控制系统的滞后特 性。
本申请实施例一提供的滞后补偿控制方法,基于一种数字控制系统。该 数字控制系统至少包括离散控制环节G(z)、串接于所述离散控制环节G(z)之 后的滞后一拍环节z-1,以及与所述滞后一拍环节z-1反向并联的补偿环节;参 照图2,该方法包括如下步骤:
S201、确定所述补偿环节的补偿系数KZC;
S202、确定所述离散控制环节G(z)的输出信号Ctrout;
S203、获取所述滞后一拍环节z-1的输出信号Vr[1];
S204、根据公式Vr[0]=Ctrout-Vr[1]*KZC计算当前拍的调制波数值Vr[0];
S205、将所述当前拍调制波数值Vr[0]作为滞后一拍环节的输入信号,进 行滞后一拍控制。
对于当前时刻,Vr[1]表示前一拍的调制波数值,Vr[0]表示当前拍的调制波 数值。由上述方法步骤可知,本申请实施例通过补偿系数KZC对现有采用滞后 一拍控制的数字控制系统的输出调制波进行修正,即将Ctrout-Vr[1]*KZC作为当 前拍的调制波数值Vr[0],存储至控制寄存器,控制寄存器根据Vr[0]进行滞后一 拍处理,并形成占空比控制相应驱动系统的开关电路;相对于现有技术中直 接将离散控制环节G(z)的输出信号Ctrout作为当前拍的调制波数值进行滞后一 拍控制,本申请实施例在通过滞后一拍环节解决了系统输出占空比受限问题 的同时,通过补偿环节对滞后一拍特性进行补偿,既不需要改变系统控制带 宽,保证了系统的稳定裕度及动态特性,又不需引入新的采样量,简单易实 现,有效的解决了现有技术的问题。
具体的,滞后一拍环节z-1和与其反向并联的补偿环节可作为一个组合控 制环节,即滞后补偿环节Gd(z),表达式为图3示出了该滞 后补偿环节Gd(z)的幅频及相频特性曲线。由图3可知,补偿系数KZC越大, 滞后补偿环节Gd(z)产生的相角滞后越小;KZC大于1后,补偿环节Gd(z)引入 的低频段相角滞后进一步减小、在高频段转为上升,使得其在乃奎斯特频率 (Ts为所述数字控制系统的控制周期)处的相角滞后减为0。
由图3亦可看出,当控制系统工作频率在(0,fN)范围内时,补偿环节Gd(z) 的幅值|Gd(z)|单调递增,且随着KZC的增大,|Gd(z)|逐渐减小。为消除补偿环 节带来的幅值衰减问题,基于上述数字控制系统,本申请实施例二提供了另 一种滞后补偿控制方法,如图4所示,该方法包括如下步骤:
S401、对控制对象进行连续域建模,确定连续域控制器G(s);
具体的,对控制对象进行连续域建模,得到连续域模型Gp(s),进而以 Gp(s)为被控对象采用频域设计法或极点配置法等设计其控制参数,得到相应 的连续域控制器G(s)的表达式。与现有滞后一拍控制系统的参数设计过程不 同的是,本实施例无需考虑滞后一拍环节引入的相角滞后,无需预留相位裕 度,因此设计的控制带宽可大为增加,提高了系统的动态响应速度。
S402、确定所述数字控制系统的开环截止频率ωc;
具体的,可根据连续域控制器的幅频特性曲线确定开环截止频率ωc。若 系统采用多环控制,则所述开环截止频率ωc特指其外环的开环截止频率。
S403、根据公式φz=360ωc*Ts/(2π)计算滞后一拍环节产生的滞后相位φz;
式中,Ts为所述数字控制系统的控制周期。
S404、根据公式φzc=φ0+φz-φset确定所述滞后一拍环节z-1和补偿环节构成 的滞后补偿环节Gd(z)产生的滞后相位φzc;
其中,φ0为所述数字控制系统不加所述滞后补偿环节的情况下的相位裕 度;φset为满足所述数字控制系统控制要求的相位裕度;上述滞后一拍环节z-1和补偿环节构成的滞后补偿环节Gd(z)的表达式为
S405、根据公式
S406、确定离散控制环节的函数表达式G(z);
具体的,本实施例通过如下方法对确定离散控制环节G(z)的表达式:
根据公式
将连续域控制器G(s)的表达式中的待修正控制参数分别与所述滞后补偿 幅值相除,得到修正后的连续域控制器G'(s)的表达式;
将修正后的连续域控制器G'(s)的表达式离散化得到所述离散控制环节的 函数表达式G(z)。
需要说明的是,本申请实施例的应用对象即包括单环的数字控制系统, 也包括多环的数字控制系统。对于多环控制系统,本申请实施例中修正对象 特指其内环控制模型,即将系统内环控制模型的待修正控制参数分别与所述 滞后补偿幅值相除,得到所述修正后的连续域控制器G'(s)。
另外,所述待修正控制参数包括比例环节、比例积分环节、比例积分微 分环节的参数;而谐振环节、准谐振环节或者重复控制器的参数则保持不变。
对于上述滞后补偿幅值|Gd(z)|的计算公式,若控制目标为直流分量,则 ω0=0,即|若控制目标为交流基波,则ω0=2πf0(f0为所述 数字控制系统的工作频率)。
相对于现有技术直接对连续域控制器G(s)离散化可得到离散控制环节 G(z)的表达式,本实施例通过上述方法增大了连续域控制器的控制参数,相 应的增大了离散控制环节的参数,消除了补偿环节带来的幅值衰减问题。
S407、获取所述滞后一拍环节z-1的输出信号Vr[1];
S408、确定所述离散控制环节G(z)的输出信号Ctrout;
具体的,对于单环数字控制系统,可通过公式Ctrout=G(Xr-X)计算所述 离散控制环节的输出信号Ctrout;其中,X为对所述数字控制系统连续域模型 Gp(s)的输出信号进行采样得到所述数字控制系统的控制参量反馈值;Xr为 所述数字控制系统的控制参量给定值。对于双环数字控制系统,其连续域控 制器包括外环连续域控制器G1(s)和内环连续域控制器G2(s),相应的,控制参 量反馈值包括外环控制参量反馈值X1和内环控制参量反馈值X2,离散控制环 节G(z)包括串联连接的外环离散控制环节G1(z)和内环离散控制环节G2(z); Ctrout的计算公式为Ctrout=G2(G1(Xr-X1)-X2)。
S409、根据公式Vr[0]=Ctrout-Vr[1]*KZC计算当前拍的调制波数值Vr[0];
S410、将所述当前拍调制波数值Vr[0]作为滞后一拍环节的输入信号,进 行滞后一拍控制。
S411、保持所述滞后一拍环节z-1的输出信号Vr[1]在当前控制周期内数值 不变,并返回步骤S407。
在数值上,Vr[1]=Vr[0],返回步骤S407后,将其用于下一周期中Vr[0]的计 算。
由上述方法步骤可知,本申请实施例通过在现有采用滞后一拍控制的数 字控制系统的基础上增加一补偿环节,以对其输出调制波进行修正,即将 Ctrout-Vr[1]*KZC作为当前拍的调制波数值Vr[0],存储至控制寄存器,控制寄存 器根据Vr[0]进行滞后一拍处理,并形成占空比控制相应驱动系统的开关电路; 相对于现有技术中直接将离散控制环节G(z)的输出信号Ctrout作为当前拍的调 制波数值进行滞后一拍控制,本申请实施例在通过滞后一拍环节解决了系统 输出占空比受限问题的同时,通过补偿环节对滞后一拍特性进行补偿,既不 需要改变系统控制带宽,保证了系统的稳定裕度及动态特性,又不需引入新 的采样量,简单易实现。另外,通过增大连续域控制器的控制参数,来增大 了离散控制环节的参数,从而消除了补偿环节带来的幅值衰减问题。
与上述方法实施例对应的,本申请实施例还提供了一种数字控制系统, 其至少包括:离散控制环节G(z)、串接于所述离散控制环节G(z)之后的滞后 一拍环节z-1和与滞后一拍环节z-1反向并联的补偿环节。
具体的,所述补偿环节包括一比例系数为KZC的比例环节,即所述补偿环 节的补偿系数为KZC;所述滞后一拍环节z-1的输出信号Vr[1]作为补偿环节的输 入信号,离散控制环节G(z)的输出信号Ctrout与补偿环节的输出信号Vr[1]*KZC之 差作为所述滞后一拍环节z-1的输入信号Vr[0],即:Vr[0]=Ctrout-Vr[1]*KZC。
由上述结构可知,本申请实施例通过在现有采用滞后一拍控制的数字控 制系统的基础上增加一补偿环节,以对其输出调制波进行修正,即将 Ctrout-Vr[1]*KZC作为当前拍的调制波数值Vr[0],存储至控制寄存器,控制寄存 器根据Vr[0]进行滞后一拍处理,并形成占空比控制相应驱动系统的开关电路; 相对于现有技术中直接将离散控制环节G(z)的输出信号Ctrout作为当前拍的调 制波数值进行滞后一拍控制,本申请实施例在通过滞后一拍环节解决了系统 输出占空比受限问题的同时,通过补偿环节对滞后一拍特性进行补偿,既不 需要改变系统控制带宽,保证了系统的稳定裕度及动态特性,又不需引入新 的采样量,简单易实现。
另外,上述数字控制系统还包括串接于所述滞后一拍环节z-1之后的零阶 保持环节ZOH,用于保持所述滞后一拍环节z-1的输出信号Vr[1]在当前控制周 期内数值不变。
上述数字控制系统包括单环数字控制系统和多环控制系统。其中,单环 控制系统的方框图如图5所示,多环控制系统以双环控制系统为例,方框图 如图6所示,其连续域控制器包括外环连续域控制器G1(s)和内环连续域控制 器G2(s);相应的,离散控制环节G(z)包括串联连接的外环离散控制环节G1(z) 和内环离散控制环节G2(z)。S、S1和S2分别为采样开关。
本申请实施例中,补偿环节的补偿系数KZC通过如下公式确定:
ωc为所述数字控制系统的开环截止频率;
Ts为所述数字控制系统的控制周期;
φz为所述滞后一拍环节产生的滞后相位,且φz=360ωc*Ts/(2π);
φzc为所述滞后一拍环节z-1和补偿环节构成的滞后补偿环节Gd(z)产生的 滞后相位,且φzc=φ0+φz-φset;φ0为所述数字控制系统不加所述滞后补偿环节 的情况下的相位裕度;φset为满足所述数字控制系统控制要求的相位裕度。
对于图5所示的单环数字控制系统,通过如下公式确定所述离散控制环 节G(z)的输出信号Ctrout:Ctrout=G(Xr-X);其中,X为对所述数字控制系统 连续域模型Gp(s)的输出信号进行采样得到所述数字控制系统的控制参量反 馈值;Xr为所述数字控制系统的控制参量给定值;
同时,为消除补偿环节带来的幅值衰减问题,通过如下方法确定所述离 散控制环节G(z)的表达式:
根据公式
将连续域控制器G(s)的表达式中的待修正控制参数分别与所述滞后补偿 幅值相除,得到修正后的连续域控制器G'(s)的表达式;
将修正后的连续域控制器G'(s)的表达式离散化得到所述离散控制环节的 表达式;
其中,所述待修正控制参数包括比例环节、比例积分环节、比例积分微 分环节的参数;若控制目标为直流分量,则ω0=0;若控制目标为交流基波, 则ω0=2πf0;f0为所述数字控制系统的工作频率。
对于图6所示的双环数字控制系统,可通过如下公式确定所述离散控制 环节G(z)的输出信号Ctrout:Ctrout=G2(G1(Xr-X1)-X2);其中,X1为外环控制 参量反馈值,X2为内环控制参量反馈值。
由上述结构可知,本申请实施例在通过滞后一拍环节解决了系统输出占 空比受限问题的同时,通过补偿环节对滞后一拍特性进行补偿,既不需要改 变系统控制带宽,保证了系统的稳定裕度及动态特性,又不需引入新的采样 量,简单易实现。另外,通过增大连续域控制器的控制参数,来增大了离散 控制环节的参数,从而消除了补偿环节带来的幅值衰减问题。
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流 程,是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成,所述的程序可存储于 一计算机可读取存储介质中,所述程序在执行时,可包括如上述各方法的实 施例的流程。其中,所述的存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体 (Read-Only Memory,ROM)或随机存储记忆体(Random Access Memory, RAM)等。
对所公开的实施例的上述说明,使本领域专业技术人员能够实现或使用 本申请。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易 见的,本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下, 在其它实施例中实现。因此,本申请将不会被限制于本文所示的这些实施例, 而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
机译: 负反馈电路应用组合放大器和滞后补偿网络
机译: 负反馈电路应用组合放大器和滞后补偿网络
机译: 摆动校正方法的输出和上述摆动检测方法,它们校正图像的摆动,将其应用于控制控制设备的控制方法和适用于摆动补偿器的摆动补偿器