法律状态公告日
法律状态信息
法律状态
2022-06-24
公开
发明专利申请公布
技术领域
本发明属于开关磁阻电机的转速控制领域，涉及一种预测退饱和式PI控制器及其控制方法。
背景技术
开关磁阻电机(SRM)结构简易、调速范围大、强度可靠性高、适于大规模生产。因此，开关磁阻电机广泛运用在民用工业领域以及军工领域。但是SRM由于转矩脉动过大，应用受限。这是由SRM定、转子双凸极结构和非线性电磁特性决定的。转矩脉动直接影响SRM调速系统的输出特性，尤其是低速状态时转矩脉动导致速度振荡。伴随控制理论的发展，转矩脉动问题逐渐被优化，其中基于转矩分配函数的SRM直接瞬时转矩控制系统(TSF-DITC)对转矩脉动有显著的抑制效果。通过研究发现，相比于CCC(电流斩波控制)和DITC(瞬时直接转矩控制)方式，在起动阶段，采用TST-DITC系统使电机的稳定时间变长，在一定程度上降低了系统的动态性能。主要原因是TSF-DITC系统采用双闭环控制结构，其外环控制器主要是根据转速误差为内环转矩控制提供参考转矩，直接决定着转矩控制的效果。PID(比例-积分-微分)控制器常作外环控制器，在转矩限幅状态，转速发生突变时，转速误差先正值递减。在积分环节累加作用下，积分值递增直至远超饱和非线性的限幅值。转速误差递减至负值，此时积分状态值很大，无法迅速减小，从而造成系统超调，转速响应变慢。SRM调速系统表现出低稳定性和弱鲁棒性，并且动态性能差。
为解决控制器存在问题，存在多种策略。但结果表明，改善SRM调速控制器性能的策略众多，但是各策略都有一定缺点。其中，抗积分饱和策略结构简单，参数整定容易，贴合实际，但由于采用变结构原则设计控制器，系统稳定性能和动态性能不可预见。同时，针对SRM出现的积分饱和现象目前主要从抗饱和的思路去抑制饱和效应，积分不能及时退出饱和状态。如当速度调节器处于饱和状态时，SRM的转速与时间成正比例函数。转速误差e＝0时，转速达到目标速度，速度调节器输出量开始从峰值递减，由于积分环节存在，使输出量无法突变。转速将递增使得e<0，此时，积分器开始反向积分，由于积分时间长，积分器无法瞬间退出饱和状态。这将造成输出超调量和调节时间增大，使电机响应速度变慢。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种预测退饱和式PI控制器及其控制方法，从而有效快速消除积分饱和现象的影响，达到电机理想的调速性能。
本发明是通过以下技术方案来实现：
一种预测退饱和式PI控制器的控制方法，包括：
S1：获取转速误差e；
S2：所述转速误差e经过比例环节得到第一输出量；所述比例环节中根据转速误差e的大小，所述预测退饱和式PI控制器自动匹配所述比例环节的比例系数；所述转速误差e依次经过微分环节以及积分环节得到第二输出量；所述积分环节的积分方向由微分环节的输出量决定；
S3：通过所述第一输出量以及所述第二输出量得到被控量u(t)。
优选的，所述比例环节包括第一比例系数K
优选的，所述预测退饱和式PI控制器的控制率为：
u(t)＝ρ(K
式中，ρ为选择系数，若e>c，则ρ＝0，否则ρ＝1；
K
sgn为符号函数。
优选的，所述积分方向的确定过程具体为：当转速误差e与微分环节输出量的和为正时，积分方向为正向；反之，积分方向为负向。
优选的，所述积分方向的确定以符号函数sgn为基础，具体为：当sgn(S)>0时，积分方向为正向；反之，积分方向为负向；
其中，
式中，e为转速误差；
K
sgn为符号函数。
优选的，所述预测退饱和式PI控制器的参数整定约束条件为：
式中，J
K
K
K
其中，
c＝K
优选的，所述预测退饱和式PI控制器满足系统稳定性的条件为：
式中，
K
K
J
优选的，所述转速误差e依次经过微分环节以及积分环节得到第二输出量之前，还包括经过绝对值运算环节以及积分比例运算环节。
优选的，所述步骤S3中所述第一输出量与所述第二输出量相加得到被控量u(t)。
一种预测退饱和式PI控制器，通过上述的控制方法实现对被控量u(t)的控制。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
一种预测退饱和式PI控制器的控制方法，该控制器的比例环节通过变比例系数，可有效兼容不同的积分方向，提升了系统的动态响应性能。同时该控制器设定串联的微分环节以及积分环节，并通过微分环节的输出量决定积分环节的积分方向，因此，当系统受到干扰时，积分器可以在转速误差较小时就及时反向积分，实现了提前退饱和的目的。
一种预测退饱和式PI控制器，通过本申请的方法实现对u(t)的控制，该控制器能使转速和转矩在突变情况下，表现出跟随性能良好，无超调，稳态误差小，且保留了传统PI优良的鲁棒性和稳定性，有效实现了在给定速度阶跃时，转速误差较大时能以最大加速度趋近目标，较小时能以负指数规律逼近目标，即实现有效消除了积分饱和现象的影响，使电机达到理想的调速性能。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。
图1为本发明中开关磁阻电机系统预测功能退饱和PI控制器的算法结构；
图2为本发明中具有预测功能退饱和PI控制器的变比例系数算法流程图；
图3为开关磁阻电机转速控制系统。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
在本发明实施例的描述中，需要说明的是，若出现术语“上”、“下”、“水平”、“内”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
此外，若出现术语“水平”，并不表示要求部件绝对水平，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。
在本发明实施例的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，若出现术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
当速度调节器处于饱和状态时，SRM的转速与时间成正比例函数。误差e＝0时，转速达到目标速度，速度调节器输出量开始从峰值递减，由于积分环节存在，使输出量无法突变。转速将递增使得e<0。此时，积分器开始反向积分，由于积分时间长，积分器无法瞬间退出饱和状态。这将造成输出超调量和调节时间增大，使电机响应速度变慢。
本发明基于退饱和式PI调节器，提出一种具有预测功能的PI控制器，旨在能够尽量彻底消除积分饱和现象的影响，达到电机理想的调速性能：给定速度阶跃时，转速误差较大时能以最大加速度趋近目标，较小时能以负指数规律逼近目标。
为达到设计目的，对比PI控制器和PD控制器发现。前者在系统中引进一个开环零点和一个纯积分环节，零点和纯积分环节优化系统稳定性能作用明显，但是积分器存在饱和现象使超调过大，动态性能较差。后者能反映误差信号的变化趋势，同时能具有提前性和预见性地给系统一个修正信号提前量，利于系统稳定和抑制超调过大，但是微分环节会放大高频干扰信号，削弱抗干扰性。综合两者优缺点，设计具有预测功能的退饱和PI控制器，控制算法结构如图1所示。具体为：
一种开关磁阻电机系统预测退饱和式PI控制器的控制方法，包括：
S1：获取转速误差e；
S2：转速误差e经过比例环节得到第一输出量；比例环节中根据转速误差e的大小，预测退饱和式PI控制器自动匹配比例环节的比例系数；比例环节包括第一比例系数K
S3：通过第一输出量以及所述第二输出量得到被控量u(t)，具体为，第一输出量与所述第二输出量相加得到被控量u(t)。同时，转速误差e依次经过微分环节以及积分环节得到第二输出量之前，还包括经过绝对值运算环节以及积分比例运算环节。
相较于传统PI控制器，本申请所设计的控制器主要使利于微分环节的可预见性来控制积分环节的积分方向。不同于PID控制器积分环节和微分环节的并联式结构，此控制器采用串联式结构，积分方向由微分环节输出量的符号决定。系统受到干扰时，积分器可以在e较小时就及时反向积分。而传统PI中则是e改变符号之后，积分器才改变积分方向。所以此控制器实现了提前退饱和目的。
常规情况下，速度控制器满足如下控制率：
u(t)＝K
式中：
但依据式(1)的控制率，初步仿真发现，因积分方向不断变化，固定比例系数不能兼容不同积分方向，致使系统动态响应变差，所以控制器采用变比例系数，即比例环节包括第一比例系数K
根据图3，可得预测退饱和式PI控制器的通用控制率为：
u(t)＝ρ(K
式中：ρ为选择系数，若e>c，则ρ＝0，否则ρ＝1；K
进一步，式(1)中S函数决定积分方向，为使SRM系统能及时退饱和，且性能不受影响，应选合适的K
忽略摩擦阻力系数，转速误差e单位为r/min，由电机运动方程式得：
式中：J
设PI控制器饱和时，输出峰值为T
式中：e为转速误差；T
将式(4)代入S中，令S＝0，t
积分方向在t
K
式中：K
推导得控制器退饱和临界点：
式中：J
控制器退饱和后，积分方向仍由
式中：J
由式(7)得退饱和转速误差，反拉氏变换得：
式中：J
由式(8)得：
式中：J
积分方向在S>0时，能切换为sgn(e)控制，使系统进入传统PI。将式(8)(9)代入S得：
式中：J
综合分析知，式(11)前项绝对值是递减指数函数，后项绝对值是递增函数，为使S>0在t
式中：J
a、b、c参见公式(9)。
由式(6)(9)解得成立条件为：
式中：J
当K
进一步的，控制器不饱和时存在积分方向频繁切换问题，故需分析稳定性。选择李雅普诺夫函数V＝0.5S
式中：J
稳定性条件为
在一个实施例中，如图3所示，SRM转速控制系统在实施后主要包括退饱和PI控制器、转矩分配函数、转矩计算单元、功率变换器、位置传感器以及开关磁阻电机。
常见的开关磁阻电机参数如表1所示：
表1 SRM参数表
相应的预测退饱和PI控制器相对应参数配置如表2所示：
表2参数配置表
转速控制系统性能可以通过带负载启动、负载突变和转速突变几个工况来验证。
以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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。
