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CN112422005A - 一种抑制超调的pi调节器以及控制方法 - Google Patents

一种抑制超调的pi调节器以及控制方法 Download PDF

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CN112422005A
CN112422005A CN202011253555.9A CN202011253555A CN112422005A CN 112422005 A CN112422005 A CN 112422005A CN 202011253555 A CN202011253555 A CN 202011253555A CN 112422005 A CN112422005 A CN 112422005A
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CN
China
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feedforward
input
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CN202011253555.9A
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高乐
孙楠楠
陈文淼
赵强
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Weichai Power Co Ltd
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Weichai Power Co Ltd
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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P21/00—Arrangements or methods for the control of electric machines by vector control, e.g. by control of field orientation
    • H02P21/0003—Control strategies in general, e.g. linear type, e.g. P, PI, PID, using robust control
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    • H02P21/22—Current control, e.g. using a current control loop

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Abstract

本发明提供了一种抑制超调的PI调节器以及控制方法，该PI调节器包括：前馈滤波器以及第一PI调节器。其中，所述前馈滤波器的输入端接收所述PI调节器的参考给定信号，所述第一调节器的输出信号与所述PI调节器的前馈信号输入至被控对象的传递函数，所述前馈滤波器的输出信号与所述传递函数的输出信号输入至所述第一PI调节器。可见，本发明提供的抑制超调的PI调节器在给定参考信号上串联前馈滤波器，通过提供额外的调优参数b和滤波截止频率ωc来改进给定参考信号跟踪响应，除此，调优参数b可调节超调量的幅度，滤波截止频率ωc可调节动态调节所需时间，进而提高了动态调节速度以及系统的稳定性。

Description

一种抑制超调的PI调节器以及控制方法
技术领域
本发明涉及永磁同步电机电流环和速度环控制技术领域，特别涉及一种抑制超调的PI调节器以及控制方法。
背景技术
PI调节器是一种线性控制器，它根据给定值与实际输出值构成控制偏差，将偏差的比例和积分通过线性组合构成控制量，对被控对象进行控制。适用于具有大惯性，大滞后特性的被控对象，比如永磁同步电机电流环控制和速度环控制。但是对于动态性能要求较高的应用场合，一旦提高动态调节速度，就会带来超调过大，系统稳态性降低的问题。
因此，如何提供一种抑制超调的PI调节器，能够提高动态调节速度、提高系统的稳定性，是本领域技术人员亟待解决的一大技术问题。
发明内容
本发明提供了一种抑制超调的PI调节器以及控制方法，能够提高动态调节速度、提高系统的稳定性。
为实现所述目的，本申请提供的技术方案如下：
一种抑制超调的PI调节器，包括：前馈滤波器以及第一PI调节器；
所述前馈滤波器的输入端接收所述PI调节器的参考给定信号；
所述第一调节器的输出信号与所述PI调节器的前馈信号输入至被控对象的传递函数；
所述前馈滤波器的输出信号与所述传递函数的输出信号输入至所述第一PI调节器。
可选的，所述前馈滤波器基于公式
Figure BDA0002772374870000011
计算得到所述前馈滤波器的输出信号，其中，b为调优参数，ωc是滤波截止频率。
可选的，调优参数b为0.7。
可选的，滤波截止频率
Figure BDA0002772374870000012
其中，Td为动态调节时间。
可选的，对所述前馈滤波器进行离散化处理，得到：
Figure BDA0002772374870000021
其中，U(k)为当前节拍前馈滤波器F(s)的输出，U(k-1)为上一节拍前馈滤波器F(s)的输出，R(k)为当前节拍前馈滤波器F(s)的输入，R(k-1)为上一节拍前馈滤波器F(s)的输入，Ts为PI调节器的控制周期。
一种抑制超调的PI调节器的控制方法，基于上述的PI调节器，所述PI调节器包括：前馈滤波器以及第一PI调节器，所述控制方法包括：
控制所述前馈滤波器的输入端接收所述PI调节器的参考给定信号；
控制所述第一调节器的输出信号与所述PI调节器的前馈信号输入至被控对象的传递函数；
控制所述前馈滤波器的输出信号与所述传递函数的输出信号输入至所述第一PI调节器。
可选的，所述前馈滤波器基于公式
Figure BDA0002772374870000022
计算得到所述前馈滤波器的输出信号，其中，b为调优参数，ωc是滤波截止频率。
可选的，调优参数b为0.7。
可选的，滤波截止频率
Figure BDA0002772374870000023
其中，Td为动态调节时间。
可选的，还包括：
对所述前馈滤波器进行离散化处理，得到：
Figure BDA0002772374870000024
其中，U(k)为当前节拍前馈滤波器F(s)的输出，U(k-1)为上一节拍前馈滤波器F(s)的输出，R(k)为当前节拍前馈滤波器F(s)的输入，R(k-1)为上一节拍前馈滤波器F(s)的输入，Ts为PI调节器的控制周期。
本发明提供了一种抑制超调的PI调节器以及控制方法，该PI调节器包括：前馈滤波器以及第一PI调节器。其中，所述前馈滤波器的输入端接收所述PI调节器的参考给定信号，所述第一调节器的输出信号与所述PI调节器的前馈信号输入至被控对象的传递函数，所述前馈滤波器的输出信号与所述传递函数的输出信号输入至所述第一PI调节器。可见，本发明提供的抑制超调的PI调节器在给定参考信号上串联前馈滤波器，通过提供额外的调优参数b和滤波截止频率ωc来改进给定参考信号跟踪响应，除此，调优参数b可调节超调量的幅度，滤波截止频率ωc可调节动态调节所需时间，进而提高了动态调节速度以及系统的稳定性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明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发明的一些实施例，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为本发明实施例提供的一种抑制超调的PI调节器的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的一种抑制超调的PI调节器与传统的PI调节器的仿真波形对比图；
图3为本发明实施例提供的一种抑制超调的PI调节器的控制方法的流程示意图；
图4为本发明实施例提供的一种抑制超调的PI调节器的控制装置的结构示意图；
图5为本发明实施例提供的一种电子设备的硬件架构图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。
正如背景技术所述，发明人发现，现有的PI调节器，一旦提高动态调节速度，就会带来超调过大，系统稳态性降低的问题。
具体的，现有的PI调节器可以通过如下方式进行超调控制：
方法一，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。
方法二，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。
方法三，为抑制噪声，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，但对时变输入的跟踪性能变差。
基于此，本发明实施例提供了一种抑制超调的PI调节器以及控制方法，能够提高动态调节速度、提高系统的稳定性。如图1所示，本方案提供的抑制超调的PI调节器，包括：前馈滤波器F(s)以及第一PI调节器C(s)。
其中，所述前馈滤波器F(s)的输入端接收所述PI调节器的参考给定信号r。所述第一调节器的输出信号与所述PI调节器的前馈信号d1输入至被控对象的传递函数G(s)。所述前馈滤波器的输出信号u与所述传递函数的输出信号输入至所述第一PI调节器C(s)。
具体的，在本实施例中，
Figure BDA0002772374870000041
Figure BDA0002772374870000042
式(1)中，Kp是PI调节器的比例增益，Ki是PI调节器的积分增益，s是PI调节器的微分算子，式(2)中b是调优参数，可调节超调量的幅度，为了便于工程调试，b可取值为0.7。ωc是滤波截止频率，可调节动态调节所需时间。
为了满足期望的动态调节时间Td，在工程上滤波截止频率ωc取值可设为
Figure BDA0002772374870000043
对于数字控制芯片来说，前馈滤波器F(s)需要离散化处理，其离散化表达式为
Figure BDA0002772374870000044
式中U(k)为当前节拍前馈滤波器F(s)的输出，U(k-1)为上一节拍前馈滤波器F(s)的输出，R(k)为当前节拍前馈滤波器F(s)的输入，R(k-1)为上一节拍前馈滤波器F(s)的输入，Ts为PI调节器控制周期。
将本发明实施例提供的抑制超调的PI调节器和常规PI调节器进行对比，其他参数相同的情况下，阶跃响应的仿真波形如图2所示。其中，直线为常规PI调节器的仿真波形，虚线为本发明实施例提供的PI调节器的仿真波形，对比可知，本发明实施例提供的PI调节器可有效抑制阶跃响应的超调，同时动态调节时间不受影响。
即，本发明实施例提供的抑制超调的PI调节器，可提高动态调节速度，提高系统稳态性，可用于永磁同步电机电流环控制和速度环控制，适用于动态性能要求较高的应用场合。
在上述实施例的基础上，本发明实施例还提供了一种抑制超调的PI调节器的控制方法，基于上述的PI调节器，如图3所示，包括步骤：
S31、控制所述前馈滤波器的输入端接收所述PI调节器的参考给定信号；
S32、控制所述第一调节器的输出信号与所述PI调节器的前馈信号输入至被控对象的传递函数；
S33、控制所述前馈滤波器的输出信号与所述传递函数的输出信号输入至所述第一PI调节器。
其中，所述前馈滤波器基于公式
Figure BDA0002772374870000051
计算得到所述前馈滤波器的输出信号，其中，b为调优参数，ωc是滤波截止频率。调优参数b为0.7。滤波截止频率
Figure BDA0002772374870000052
其中，Td为动态调节时间。
除此，本发明实施例提供的抑制超调的PI调节器的控制方法，还可以包括：
对所述前馈滤波器进行离散化处理，得到：
Figure BDA0002772374870000053
其中，U(k)为当前节拍前馈滤波器F(s)的输出，U(k-1)为上一节拍前馈滤波器F(s)的输出，R(k)为当前节拍前馈滤波器F(s)的输入，R(k-1)为上一节拍前馈滤波器F(s)的输入，Ts为PI调节器的控制周期。
该控制方法的工作原理请参见上述PI调节器的工作原理，在此不详细叙述。
在上述实施例的基础上，如图4所示，本发明实施例还提供了一种抑制超调的PI调节器的控制装置，基于上述的PI调节器，所述PI调节器包括：前馈滤波器以及第一PI调节器，所述控制装置包括：
第一控制模块41，用于控制所述前馈滤波器的输入端接收所述PI调节器的参考给定信号；
第二控制模块42，用于控制所述第一调节器的输出信号与所述PI调节器的前馈信号输入至被控对象的传递函数；
第三控制模块43，用于控制所述前馈滤波器的输出信号与所述传递函数的输出信号输入至所述第一PI调节器。
其中，所述前馈滤波器基于公式
Figure BDA0002772374870000061
计算得到所述前馈滤波器的输出信号，其中，b为调优参数，ωc是滤波截止频率。调优参数b为0.7。滤波截止频率
Figure BDA0002772374870000062
其中，Td为动态调节时间。
除此，本发明实施例提供的抑制超调的PI调节器的控制装置，还可以包括：
对所述前馈滤波器进行离散化处理，得到：
Figure BDA0002772374870000063
其中，U(k)为当前节拍前馈滤波器F(s)的输出，U(k-1)为上一节拍前馈滤波器F(s)的输出，R(k)为当前节拍前馈滤波器F(s)的输入，R(k-1)为上一节拍前馈滤波器F(s)的输入，Ts为PI调节器的控制周期。
该装置的工作原理请参见上述方法实施例，在此不重复叙述。
上述抑制超调的PI调节器的控制装置包括处理器和存储器，上述第一控制模块、第二控制模块以及第三控制模块等均作为程序单元存储在存储器中，由处理器执行存储在存储器中的上述程序单元来实现相应的功能。
处理器中包含内核，由内核去存储器中调取相应的程序单元。内核可以设置一个或以上，通过调整内核参数来提高动态调节速度以及系统的稳定性。
本发明实施例提供了一种存储介质，其上存储有程序，该程序被处理器执行时实现所述抑制超调的PI调节器的控制方法。
本发明实施例提供了一种处理器，所述处理器用于运行程序，其中，所述程序运行时执行上述的抑制超调的PI调节器的控制方法。
本发明实施例提供了一种设备，如图5所示，设备包括至少一个处理器51、以及与处理器连接的至少一个存储器52、总线53；其中，处理器、存储器通过总线完成相互间的通信；处理器用于调用存储器中的程序指令，以执行上述的主动放电方法。本文中的设备可以是服务器、PC、PAD、手机等。
本申请还提供了一种计算机程序产品，当在数据处理设备上执行时，适于执行初始化有如下方法步骤的程序：
一种抑制超调的PI调节器的控制方法，基于上述的PI调节器，所述PI调节器包括：前馈滤波器以及第一PI调节器，所述控制方法包括：
控制所述前馈滤波器的输入端接收所述PI调节器的参考给定信号；
控制所述第一调节器的输出信号与所述PI调节器的前馈信号输入至被控对象的传递函数；
控制所述前馈滤波器的输出信号与所述传递函数的输出信号输入至所述第一PI调节器。
可选的，所述前馈滤波器基于公式
Figure BDA0002772374870000071
计算得到所述前馈滤波器的输出信号，其中，b为调优参数，ωc是滤波截止频率。
可选的，调优参数b为0.7。
可选的，滤波截止频率
Figure BDA0002772374870000072
其中，Td为动态调节时间。
可选的，还包括：
对所述前馈滤波器进行离散化处理，得到：
Figure BDA0002772374870000073
其中，U(k)为当前节拍前馈滤波器F(s)的输出，U(k-1)为上一节拍前馈滤波器F(s)的输出，R(k)为当前节拍前馈滤波器F(s)的输入，R(k-1)为上一节拍前馈滤波器F(s)的输入，Ts为PI调节器的控制周期。
综上，本发明提供了一种抑制超调的PI调节器以及控制方法，该PI调节器包括：前馈滤波器以及第一PI调节器。其中，所述前馈滤波器的输入端接收所述PI调节器的参考给定信号，所述第一调节器的输出信号与所述PI调节器的前馈信号输入至被控对象的传递函数，所述前馈滤波器的输出信号与所述传递函数的输出信号输入至所述第一PI调节器。可见，本发明提供的抑制超调的PI调节器在给定参考信号上串联前馈滤波器，通过提供额外的调优参数b和滤波截止频率ωc来改进给定参考信号跟踪响应，除此，调优参数b可调节超调量的幅度，滤波截止频率ωc可调节动态调节所需时间，进而提高了动态调节速度以及系统的稳定性。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (10)

1.一种抑制超调的PI调节器，其特征在于，包括：前馈滤波器以及第一PI调节器；
所述前馈滤波器的输入端接收所述PI调节器的参考给定信号；
所述第一调节器的输出信号与所述PI调节器的前馈信号输入至被控对象的传递函数；
所述前馈滤波器的输出信号与所述传递函数的输出信号输入至所述第一PI调节器。
2.根据权利要求1所述的抑制超调的PI调节器，其特征在于，所述前馈滤波器基于公式
Figure FDA0002772374860000011
计算得到所述前馈滤波器的输出信号，其中，b为调优参数，ωc是滤波截止频率。
3.根据权利要求2所述的抑制超调的PI调节器，其特征在于，调优参数b为0.7。
4.根据权利要求2所述的抑制超调的PI调节器，其特征在于，滤波截止频率
Figure FDA0002772374860000012
其中，Td为动态调节时间。
5.根据权利要求2所述的抑制超调的PI调节器，其特征在于，对所述前馈滤波器进行离散化处理，得到：
Figure FDA0002772374860000013
其中，U(k)为当前节拍前馈滤波器F(s)的输出，U(k-1)为上一节拍前馈滤波器F(s)的输出，R(k)为当前节拍前馈滤波器F(s)的输入，R(k-1)为上一节拍前馈滤波器F(s)的输入，Ts为PI调节器的控制周期。
6.一种抑制超调的PI调节器的控制方法，其特征在于，基于如权利要求1-5中所述的PI调节器，所述PI调节器包括：前馈滤波器以及第一PI调节器，所述控制方法包括：
控制所述前馈滤波器的输入端接收所述PI调节器的参考给定信号；
控制所述第一调节器的输出信号与所述PI调节器的前馈信号输入至被控对象的传递函数；
控制所述前馈滤波器的输出信号与所述传递函数的输出信号输入至所述第一PI调节器。
7.根据权利要求6所述的抑制超调的PI调节器的控制方法，其特征在于，所述前馈滤波器基于公式
Figure FDA0002772374860000021
计算得到所述前馈滤波器的输出信号，其中，b为调优参数，ωc是滤波截止频率。
8.根据权利要求6所述的抑制超调的PI调节器的控制方法，其特征在于，调优参数b为0.7。
9.根据权利要求6所述的抑制超调的PI调节器的控制方法，其特征在于，滤波截止频率
Figure FDA0002772374860000022
其中，Td为动态调节时间。
10.根据权利要求6所述的抑制超调的PI调节器的控制方法，其特征在于，还包括：
对所述前馈滤波器进行离散化处理，得到：
Figure FDA0002772374860000023
其中，U(k)为当前节拍前馈滤波器F(s)的输出，U(k-1)为上一节拍前馈滤波器F(s)的输出，R(k)为当前节拍前馈滤波器F(s)的输入，R(k-1)为上一节拍前馈滤波器F(s)的输入，Ts为PI调节器的控制周期。
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