一種新型pi控制器結(jié)構(gòu)及其參數(shù)整定方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種新型Pi控制器結(jié)構(gòu)及其參數(shù)整定方法，屬于控制技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]在一般的應(yīng)用場合中，常通過階躍響應(yīng)來考核系統(tǒng)的跟蹤性能。當(dāng)給定為階躍信號時，給定的微分為脈沖信號，因此在設(shè)計傳統(tǒng)PI控制器時常被忽略。然而，當(dāng)給定為連續(xù)變化的信號時，忽略給定的微分將會產(chǎn)生建模誤差，導(dǎo)致系統(tǒng)跟蹤性能變差。盡管傳統(tǒng)PI控制結(jié)合內(nèi)?？刂频姆椒梢蕴岣呦到y(tǒng)對連續(xù)變化給定的跟蹤性能，但其依賴于被控對象的參數(shù)。
[0003]傳統(tǒng)的PI控制器參數(shù)整定大多基于控制系統(tǒng)的頻域參數(shù)，即根據(jù)系統(tǒng)的幅值裕度和相位裕度整定PI參數(shù)，因此控制器的參數(shù)與系統(tǒng)性能之間的關(guān)系不夠明確，控制器參數(shù)整定困難。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題，是針對前述【背景技術(shù)】的缺陷和不足，提供一種新型PI控制器結(jié)構(gòu)及其參數(shù)整定方法，提高系統(tǒng)對連續(xù)變化給定的跟蹤性能并簡化參數(shù)整定過程。
[0005]本發(fā)明為解決上述技術(shù)問題采用以下技術(shù)方案:
[0006]一種新型PI控制器結(jié)構(gòu)，包括PI控制器、限幅環(huán)節(jié)以及加法器，還包括給定微分前饋環(huán)節(jié)和控制增益環(huán)節(jié)，所述給定微分前饋環(huán)節(jié)對PI控制器的給定值進行微分控制，其輸出值與PI控制器的輸出值相加作為控制增益環(huán)節(jié)的輸入值，對建模誤差進行補償；所述控制增益環(huán)節(jié)的控制增益為該控制器結(jié)構(gòu)控制對象參數(shù)的比，其輸入值與控制增益相乘得到理論控制量；所述理論控制量經(jīng)限幅環(huán)節(jié)得到實際控制量，理論控制量與實際控制量之差作為PI控制器的一個輸入值，用于PI控制器的抗積分飽和計算。
[0007]進一步的，所述比例系數(shù)為兩倍的無阻尼自然頻率與阻尼比的乘積，積分系數(shù)為無阻尼自然頻率的平方。
[0008]一種新型PI控制器結(jié)構(gòu)的參數(shù)整定方法，該方法包括如下步驟:
[0009]步驟一、根據(jù)所控制的電機轉(zhuǎn)動慣量計算控制增益環(huán)節(jié)的控制增益，定義控制增益為b，則計算方法為:
[0010]b = 1/J，J為電機與負載組成的系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動慣量；
[0011]步驟二、根據(jù)系統(tǒng)超調(diào)量的要求確定阻尼比ζ的取值范圍；
[0012]步驟三、根據(jù)實際噪聲情況增大無阻尼自然頻率《?直到其所允許的最大值；
[0013]步驟四、計算控制器的比例系數(shù)kp= 2 ζ ω η，計算控制器的積分系數(shù)Iii= ω η2，ωη為無阻尼自然頻率，ζ為阻尼比。
[0014]作為優(yōu)選，所述ζ為其允許范圍內(nèi)的最小值。
[0015]本發(fā)明采用以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下技術(shù)效果:
[0016]本發(fā)明的一種新結(jié)構(gòu)PI控制器及其參數(shù)整定方法，相對于傳統(tǒng)PI控制器，增加了給定微分前饋環(huán)節(jié)，提高了系統(tǒng)對連續(xù)變化給定的跟蹤性能；從傳統(tǒng)PI控制器的控制參數(shù)中分離出控制增益，使控制器參數(shù)與系統(tǒng)性能之間的關(guān)系得到簡化，便于整定。
【附圖說明】
[0017]圖1本發(fā)明提供的一種新型PI控制器結(jié)構(gòu)示意圖；
[0018]圖2是本發(fā)明實施例中的永磁同步電機調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖；
[0019]圖3是傳統(tǒng)PI控制器結(jié)構(gòu)框圖；
[0020]圖4是本發(fā)明實施例在ωη= 80、ζ分別為0.5、1.0和2.0時，階躍給定為80rpm的系統(tǒng)響應(yīng)曲線圖；
[0021]圖5是本發(fā)明實施例在ωη= 80、ζ分別為0.5、1.0和2.0時，系統(tǒng)卸載時的轉(zhuǎn)速響應(yīng)曲線圖；
[0022]圖6是本發(fā)明實施例在ζ = 1.0, ωη*別為40、60和80時，階躍給定為80rpm的系統(tǒng)響應(yīng)曲線圖；
[0023]圖7是本發(fā)明實施例在ζ = 1.0, ωη分別為40、60和80時，系統(tǒng)卸載時的轉(zhuǎn)速響應(yīng)曲線圖；
[0024]圖8是本發(fā)明實施例在ζ = 1.0、ωη= 60時，系統(tǒng)跟蹤500rpm/5Hz正弦給定時的轉(zhuǎn)速響應(yīng)仿真圖；
[0025]圖9是本發(fā)明實施例在ζ =1.0、ωη=60時，系統(tǒng)跟蹤500rpm/5Hz正弦給定時的轉(zhuǎn)速響應(yīng)仿真圖。
【具體實施方式】
[0026]本發(fā)明提供一種新型PI控制器結(jié)構(gòu)及其參數(shù)整定方法，為使本發(fā)明的目的，技術(shù)方案及效果更加清楚，明確，以及參照附圖并舉實例對本發(fā)明進一步詳細說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實施僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。
[0027]下面結(jié)合附圖對發(fā)明的技術(shù)方案進行詳細說明:
[0028]本發(fā)明提供的種新型PI控制器結(jié)構(gòu)如圖1所示，該控制器包括給定微分前饋環(huán)節(jié)、PI控制器、控制增益環(huán)節(jié)、限幅環(huán)節(jié)以及加法器，所述給定微分前饋環(huán)節(jié)對PI控制器的給定值進行微分控制，其輸出值與PI控制器的輸出值相加作為控制增益環(huán)節(jié)的輸入值，對建模誤差進行補償；所述控制增益環(huán)節(jié)的控制增益為該控制器結(jié)構(gòu)控制對象參數(shù)的比，其輸入與控制增益相乘得到理論控制量；理論控制量經(jīng)限幅環(huán)節(jié)得到實際控制量，理論控制量與實際控制量之差作為PI控制器的一個輸入值，用于PI控制器內(nèi)部抗積分飽和計算。
[0029]采用本發(fā)明提供的新型PI控制器結(jié)構(gòu)，需首先計算控制增益，而后根據(jù)超調(diào)量的要求計算阻尼比的取值范圍，選取阻尼比為其允許范圍內(nèi)的最小值，再在系統(tǒng)噪聲允許的范圍內(nèi)盡可能地增大無阻尼自然頻率，最后用兩倍的無阻尼自然頻率與阻尼比相乘得到比例系數(shù)，將無阻尼自然頻率的平方值作為積分系數(shù)，實現(xiàn)控制器的參數(shù)整定。
[0030]本發(fā)明提供的種新型PI控制器結(jié)構(gòu)適用于所有傳統(tǒng)PI控制器能夠應(yīng)用的場合，以在永磁同步電機調(diào)速系統(tǒng)轉(zhuǎn)速環(huán)中的應(yīng)用為實施例。
[0031]永磁同步電機的數(shù)學(xué)模型是高階、非線性、強耦合的多變量系統(tǒng)，采用直軸電流給定值i/= O的矢量控制可使系統(tǒng)近似解耦，實現(xiàn)永磁同步電機的高性能控制。
[0032]采用本發(fā)明的永磁同步電機矢量控制調(diào)速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示，該調(diào)速系統(tǒng)包括轉(zhuǎn)速控制器、轉(zhuǎn)速計算模塊、最大轉(zhuǎn)矩電流比計算模塊、交軸電流控制器、直軸電流控制器、坐標(biāo)變換模塊、SVPWM計算模塊、逆變器、位置采集模塊、傳感器(電流傳感器與位置傳感器)和永磁同步電機。其中，位置傳感器采集電機的轉(zhuǎn)子位置，位置采集模塊根據(jù)轉(zhuǎn)子位置計算得到電機的轉(zhuǎn)子位置角用于坐標(biāo)變換和轉(zhuǎn)速計算；電流傳感器(圖中未畫出)用于測量電機兩相的電流值，坐標(biāo)變換模塊將兩相電流變換為交軸電流和直軸電流；轉(zhuǎn)速給定與轉(zhuǎn)速反饋送入轉(zhuǎn)速環(huán)采用的新結(jié)構(gòu)PI控制器，計算得到電磁轉(zhuǎn)矩給定值；電磁轉(zhuǎn)矩給定值根據(jù)最大轉(zhuǎn)矩電流比規(guī)則分配交軸電流給定值與直軸電流給定值；電流給定值與電流反饋值之差送入電流控制器中計算，得到電壓給定值；電壓給定值經(jīng)SVPWM計算模塊得到占空比，用于控制逆變器輸出電壓，進而驅(qū)動電機。
[0033]實施例1
[0034]永磁同步電機的轉(zhuǎn)動慣量J = 2.68g.m2，要求超調(diào)量不超過13.5%。
[0035]對于本發(fā)明采用的新結(jié)構(gòu)PI控制器，取無阻尼自然頻率ωη=60、阻尼比ζ =1.0，則控制器的比例系數(shù)kp= 2 ζ ω n= 120、積分系數(shù)ki= ω η2= 3600、控制增益b = I/J = 373。當(dāng)電機參數(shù)變化時，若希望動態(tài)性能保持不變，則只需修改控制增益即可，比例系數(shù)和積分系數(shù)保持不變。傳統(tǒng)PI控制器結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示，由于不知粘滯摩擦系數(shù)B，傳統(tǒng)PI控制器參數(shù)無法計算，因此需要根據(jù)響應(yīng)曲線進行手工整定。假設(shè)傳統(tǒng)PI控制器最終整定好的控制參數(shù)與新結(jié)構(gòu)PI控制器參數(shù)相同，則kp= 2 ζ ω n/b = 0.32、ki= ω n2/b = 9.65。比例系數(shù)和積分系數(shù)中由于存在電機參數(shù)，與控制性能的關(guān)系不清晰，當(dāng)電機參數(shù)變化時均需重新調(diào)節(jié)。由此可知，新型PI控制器的參數(shù)整定方法要比傳統(tǒng)PI控制器簡單得多。
[0036]取ωη= 60、ζ分別為0.5、1.0和2.0時，新型PI控制器下階躍給定為80rpm空載起動時的轉(zhuǎn)速響應(yīng)如圖4所示，變負載時的轉(zhuǎn)速響應(yīng)如圖5所示。由圖4可看出，隨著ζ的增大，系統(tǒng)階躍響應(yīng)加快且超調(diào)量減小，但系統(tǒng)噪聲增大。由圖5可看出，當(dāng)ζ〈I時，擾動的影響隨著ζ的增大而減??；當(dāng)ζ多I時，系統(tǒng)在擾動作用下的恢復(fù)時間隨著ζ的增大而變長。取ζ = 1.0、ωη分別為40、60和80時，新型PI控制器下階躍給定為80rpm空載起動時的轉(zhuǎn)速響應(yīng)如圖6所示，加載時的轉(zhuǎn)速響應(yīng)如圖7所示。由圖6可看出，隨著O11的增大，系統(tǒng)階躍響應(yīng)加快且超調(diào)量減小，但系統(tǒng)噪聲增大。由圖7可看出，隨著ωη的增大，系統(tǒng)在擾動作用下的轉(zhuǎn)速變化量有所減小，且恢復(fù)時間變短，系統(tǒng)抗擾能力增強。以上結(jié)果證明了本發(fā)明是有效的。
[0037]當(dāng)給定500rpm/5Hz的正弦轉(zhuǎn)速時，系統(tǒng)的正弦跟蹤響應(yīng)仿真波形和實驗波形分別如圖8和圖9所示。由圖8和圖9均可看出，傳統(tǒng)PI控制器下的跟蹤誤差為±120rpm，而新型PI控制器下的跟蹤誤差只有±10rpm，即新型PI控制器比傳統(tǒng)PI控制器對連續(xù)變化給定具有較好的跟蹤性能。
[0038]可以理解的是，對本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來說，可以根據(jù)本發(fā)明的技術(shù)方案及其發(fā)明構(gòu)思加以等同替換或改變，而所有這些改變或替換都應(yīng)屬于本發(fā)明所附的權(quán)利要求的保護范圍。
【主權(quán)項】
1.一種新型PI控制器結(jié)構(gòu)，包括PI控制器、限幅環(huán)節(jié)以及加法器，其特征在于:還包括給定微分前饋環(huán)節(jié)和控制增益環(huán)節(jié)，所述給定微分前饋環(huán)節(jié)對PI控制器的給定值進行微分控制，其輸出值與PI控制器的輸出值相加作為控制增益環(huán)節(jié)的輸入值，對建模誤差進行補償；所述控制增益環(huán)節(jié)的控制增益為該控制器結(jié)構(gòu)控制對象參數(shù)的比，其輸入值與控制增益相乘得到理論控制量；所述理論控制量經(jīng)限幅環(huán)節(jié)得到實際控制量，理論控制量與實際控制量之差作為PI控制器的一個輸入值，用于PI控制器的抗積分飽和計算。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種新型PI控制器結(jié)構(gòu)，其特征在于:所述比例系數(shù)為兩倍的無阻尼自然頻率與阻尼比的乘積，積分系數(shù)為無阻尼自然頻率的平方。3.一種新型PI控制器結(jié)構(gòu)的參數(shù)整定方法，其特征在于:包括如下步驟: 步驟一、根據(jù)所控制的電機轉(zhuǎn)動慣量計算控制增益環(huán)節(jié)的控制增益，定義控制增益為b，則計算方法為: b = 1/J，J為電機與負載組成的系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動慣量； 步驟二、根據(jù)系統(tǒng)超調(diào)量的要求確定阻尼比ζ的取值范圍； 步驟三、根據(jù)實際噪聲情況增大無阻尼自然頻率《?直到其所允許的最大值； 步驟四、計算控制器的比例系數(shù)kp= 2 ζ ω η，計算控制器的積分系數(shù)Iii= ω η2，ωη^無阻尼自然頻率，ζ為阻尼比。4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種新型PI控制器結(jié)構(gòu)的參數(shù)整定方法，其特征在于:所述ζ為其允許范圍內(nèi)的最小值。
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種新型PI控制器結(jié)構(gòu)，該新型結(jié)構(gòu)在傳統(tǒng)PI控制器的基礎(chǔ)上，增加了微分器環(huán)節(jié)，以下稱為給定微分前饋環(huán)節(jié)，和控制增益環(huán)節(jié)；增加給定微分前饋環(huán)節(jié)，對建模誤差進行補償；增加控制增益環(huán)節(jié)，使得PI控制器的比例系數(shù)和積分系數(shù)與電機參數(shù)無關(guān)，便于整定。本發(fā)明還提供了這種新結(jié)構(gòu)PI控制器的參數(shù)整定方法，包括以下步驟：計算控制增益；根據(jù)超調(diào)量計算阻尼比；根據(jù)噪聲調(diào)整無阻尼自然頻率；計算控制器的比例系數(shù)和積分系數(shù)；本發(fā)明具有控制參數(shù)易于整定、對連續(xù)變化給定的跟蹤性能較好的優(yōu)點。
【IPC分類】G05B11/42
【公開號】CN104932250
【申請?zhí)枴緾N201510217674
【發(fā)明人】左月飛, 符慧, 劉闖, 張濤, 胡燁
【申請人】南京航空航天大學(xué)
【公開日】2015年9月23日
【申請日】2015年4月30日