一种新型变结构PI控制器

摘要

本发明公开了一种新型变结构PI控制器，包括给定微分前馈环节、比例微分环节、积分环节、抗积分饱和环节、控制增益环节、限幅环节、加法器、第一减法器和第二减法器。给定微分前馈环节和抗积分饱和环节相互配合，使得本发明对连续变化和非连续变化给定呈现不同的结构特性。本发明在解决阶跃响应超调问题的同时提高对连续变化给定的跟踪性能。

说明书

技术领域

本发明属于控制技术领域，特别涉及了一种新型变结构PI控制器。

背景技术

目前，如图1所示的传统线性PI控制器，因其结构简单在工业应用中占据 主导地位。然而传统线性PI控制器存在一些问题，比如控制参数整定困难、阶 跃响应存在超调等。

针对传统线性PI控制时阶跃响应的超调问题，文献[1](韩京清.自抗扰控 制技术—估计补偿不确定因素的控制技术[M].北京:国防工业出版社.2008.)提 出采用跟踪微分器对阶跃给定安排过渡过程来实现无超调控制，但存在参数调节 复杂的问题。文献[2](黄科元,周滔滔,黄守道,等.永磁伺服系统基于微分自 适应补偿的快速无超调控制策略[J].电工技术学报,2014,29(09):137-144.)采用 输出微分负反馈来消除超调，然而输出微分会引入噪声，影响系统性能。为抑制 噪声，文献[3](李光泉,葛红娟,刘天翔,马春江.永磁同步电机调速系统的伪 微分反馈控制[J].电工技术学报.2010,25(08):18-23.)在文献[2]的基础上将PI 控制改成I控制以构成IP控制器，该方法尽管消除了超调，但对连续变化给定 的跟踪性能变差。

发明内容

为了解决上述背景技术提出的技术问题，本发明旨在提供一种新型变结构 PI控制器，在解决阶跃响应超调问题的同时提高系统对连续变化给定的跟踪性 能。

为了实现上述技术目的，本发明的技术方案为：

一种新型变结构PI控制器，包括给定微分前馈环节、比例微分环节、积分 环节、抗积分饱和环节、控制增益环节、限幅环节、加法器、第一减法器和第二 减法器，所述第一减法器的正输入端输入给定信号，第一减法器的负输入端输入 反馈信号，第一减法器的输出端连接比例微分环节的输入端，所述给定微分前馈 环节的输入端输入前述给定信号，给定微分前馈环节的输出端连接加法器的第一 输入端，加法器的第二输入端连接积分环节的输出端，加法器的输出端连接控制 增益环节的输入端，控制增益环节的输出端分别连接限幅环节的输入端和第二减 法器的正输入端，限幅环节的输出端作为控制器的输出，同时限幅环节的输出端 连接第二减法器的负输入端，所述抗积分饱和环节的输入端分别连接比例积分环 节的输出端和第二减法器的输出端，抗积分饱和环节的输出端连接积分环节的输 入端。

其中，上述给定微分前馈环节为一阶微分器。

其中，上述比例微分环节的比例系数为1。

其中，上述抗积分饱和环节采用遇限停止积分法，控制器进入饱和区后，当 第二减法器的输出值与比例微分环节的输出值的乘积小于零时，积分环节的输入 值为比例微分环节的输出值，当第二减法器的输出值与比例微分环节的输出值的 乘积大于等于零时，积分环节的输入值为零。

采用上述技术方案带来的有益效果：

本发明相较于传统PI控制器，仅增加了给定微分前馈环节和控制增益环节， 简单可靠，通用性强，易于工业实现。本发明对阶跃给定和连续变化给定呈现不 同的结构特性，在阶跃给定的作用下等效于IP控制器，在连续变化给定的作用 下等效于PI控制器，因此，本发明可以在保证阶跃响应无超调的同时提高对连 续变化给定的跟踪性能。

附图说明

图1是传统PI控制器的系统结构框图；

图2是本发明的系统结构框图；

图3是本发明在连续变化给定下的等效框图；

图4是本发明在阶跃给定下的等效框图；

图5是采用本发明的永磁同步电机矢量控制调速系统的结构框图；

图6是PI控制器、IP控制器以及本发明在阶跃给定为80rpm空载起动时的 转速仿真波形图；

图7是PI控制器、IP控制器以及本发明在阶跃给定为80rpm空载起动时的 交轴电流仿真波形图；

图8是PI控制器、IP控制器以及本发明在阶跃给定为800rpm空载起动时 的转速仿真波形图；

图9是PI控制器、IP控制器以及本发明在阶跃给定为800rpm空载起动时 的交轴电流仿真波形图；

图10是本发明在阶跃给定为800rpm空载起动、系统带宽ω_n分别为80、160 和320时的仿真波形图；

图11是PI控制器、IP控制器以及本发明在ω_n＝80、给定500rpm/5Hz的正弦 转速时，系统的正弦跟踪响应的仿真波形图。

具体实施方式

以下将结合附图，对本发明的技术方案进行详细说明。

如图2所示本发明的系统结构框图，一种新型变结构PI控制器，包括给定 微分前馈环节、比例微分环节、积分环节、抗积分饱和环节、控制增益环节、限 幅环节、加法器、第一减法器和第二减法器，所述第一减法器的正输入端输入给 定信号，第一减法器的负输入端输入反馈信号，第一减法器的输出端连接比例微 分环节的输入端，所述给定微分前馈环节的输入端输入前述给定信号，给定微分 前馈环节的输出端连接加法器的第一输入端，加法器的第二输入端连接积分环节 的输出端，加法器的输出端连接控制增益环节的输入端，控制增益环节的输出端 分别连接限幅环节的输入端和第二减法器的正输入端，限幅环节的输出端作为控 制器的输出，同时限幅环节的输出端连接第二减法器的负输入端，所述抗积分饱 和环节的输入端分别连接比例积分环节的输出端和第二减法器的输出端，抗积分 饱和环节的输出端连接积分环节的输入端。控制增益环节输出理论控制量，限幅 环节输出实际控制量。

在本实施例中，给定微分前馈环节为一阶微分器。

在本实施例中，比例微分环节的比例系数为1。

在本实施例中，抗积分饱和环节采用遇限停止积分法，当控制器进入饱和区 后，当第二减法器的输出值与比例微分环节的输出值的乘积小于零时，积分环节 的输入值为比例微分环节的输出值，当第二减法器的输出值与比例微分环节的输 出值的乘积大于等于零时，积分环节的输入值为零。

对于连续变化给定，其微分一般不会过大，作用时间也不会过短，能够被系 统响应，因此给定微分前馈环节起作用，可以消除系统建模误差，提高对连续变 化给定的跟踪性能。此时本发明等效于图3所示的PI控制器。

对于阶跃给定，其微分为脉冲信号，幅值过大且时间较短，无法被系统响应， 因此给定微分前馈环节近似不起作用。此外，给定微分前馈导致控制量在第一个 控制周期达到饱和，抗积分饱和环节起作用，积分环节的输入为0，之后给定的 微分保持为0，因此，由给定先微分后积分构成的给定比例环节在整个响应过程 中都不起作用，此时本发明等效于图4所示的IP控制器，系统的阶跃响应无超 调。

本发明提供的一种新型变结构PI控制器适用于所有传统PI控制器能够应用 的场合，以在永磁同步电机调速系统转速环中的应用为实施例。

永磁同步电机的数学模型是高阶、非线性、强耦合的多变量系统，采用直轴 电流给定值i_d^*＝0的矢量控制可使系统近似解耦，实现永磁同步电机的高性能控 制。

采用本发明的永磁同步电机矢量控制调速系统的结构框图如图5所示，该调 速系统包括转速控制器(即本发明的PI控制器)、转速计算模块、最大转矩电流 比计算模块、交轴电流控制器、直轴电流控制器、坐标变换模块、SVPWM计算 模块、逆变器、位置采集模块、电流传感器(图中未画出)、位置传感器(图中 未画出)和永磁同步电机。其中，位置传感器采集电机的转子位置，位置采集模 块根据转子位置计算得到电机的转子位置角用于坐标变换和转速计算；电流传感 器用于测量电机两相的电流值，坐标变换模块将两相电流变换为交轴电流和直轴 电流；转速给定与转速反馈送入PI控制器，计算得到电磁转矩给定值；电磁转 矩给定值根据最大转矩电流比规则分配交轴电流给定值与直轴电流给定值；电流 给定值与电流反馈值之差送入电流控制器中计算，得到电压给定值；电压给定值 经SVPWM计算模块得到占空比，用于控制逆变器输出电压，进而驱动电机。

永磁同步电机的转动惯量J＝2.68g·m²。对于本发明采用的新型变结构PI控 制器，取无阻尼自然频率ω_n＝80，则控制器的比例系数k_p＝2ω_n＝160、积分系数 k_i＝ω_n²＝6400、控制增益b＝1/J＝373。

取ω_n＝80，PI控制器、IP控制器以及本发明在阶跃给定为80rpm空载起动时 的转速n和交轴电流i_q的仿真波形如图6和图7所示，PI控制器、IP控制器以 及本发明在阶跃给定为800rpm空载起动时的转速n和交轴电流i_q的仿真波形如 图8和图9所示，从图中可看出，本发明PI控制器(New PI)和IP控制器的转 速响应和i_q波形完全相同，转速无超调，相比于PI控制，电流冲击要小，响应 平稳性好。本发明控制器在阶跃给定为800rpm空载起动、系统带宽ω_n分别为80、 160和320时的仿真波形如图10所示。由图10可知，本发明继承了IP控制系 统的优点，随着ω_n的增大，系统响应变快，跟踪性能越好。

取ω_n＝80，当给定500rpm/5Hz的正弦转速时，系统的正弦跟踪响应的仿真 波形如图11所示。由图11可以看出，本发明和传统PI控制的跟踪误差均为 ±5rpm，而IP控制的跟踪误差为±340rpm，本发明和传统PI控制的转速响应完全 相同，跟踪精度高，跟踪性能明显优于IP控制。

以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围， 凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本 发明保护范围之内。