CN103391015B

CN103391015B - 一种变参数pi调节器参数调整方法

Info

Publication number: CN103391015B
Application number: CN201310274906.8A
Authority: CN
Inventors: 刘辉臣; 苏位峰; 张东升; 卫三民; 苟锐锋; 李侠; 周京华
Original assignee: China XD Electric Co Ltd
Current assignee: China XD Electric Co Ltd
Priority date: 2013-07-02
Filing date: 2013-07-02
Publication date: 2015-10-28
Anticipated expiration: 2033-07-02
Also published as: CN103391015A

Abstract

本发明公开了一种变参数PI调节器参数调整方法，包括以下步骤：确定当前直流母线电压与目标电压之间的误差；确定所述误差的偏离状态、以及所述误差的变化趋势，相应地调整比例调节系数Kp；根据所述Kp和积分项输出参数Ki调整最终的PI参数。通过上述步骤，按照误差的偏离状态及变化趋势相应调整比例调节系数Kp，最后调整PI参数。由于Kp是根据误差情况调整的，从而在通过参数控制PWM整流器的过程中，兼顾动态性能和稳态性能。

Description

一种变参数PI调节器参数调整方法

技术领域

本发明属于电力电子领域，涉及一种变参数PI调节器参数调整方法。

背景技术

目前，采用电流和电压双环控制策略的PWM整流器控制方法，电压环多采用单系数控制。从系统的整体控制效果来看，由于调节器参数无法改变，这种单系数控制方法很难兼顾动态性能和稳态性能。

采用单系数比例-积分控制器的控制系统，首先考虑的是系统的稳态性能，所以参数选择的就偏小。当系统负载突然增加时，直流母线电压将有一个电压下降的过程。若是参数选择较小，电压下降的将较大。同样当系统负载突然减小时，电压会有一个上升的过程，若是参数较小，直流母线电压上升的也就较大。在通过参数控制PWM整流器的过程中，存在不能兼顾动态性能和稳态性能的问题。

发明内容

本发明目的在于提供一种变参数PI调节器参数调整方法，通过调整PI调节器参数，以解决上述通过参数控制PWM整流器的过程中，存在不能兼顾动态性能和稳态性能的问题。

为解决上述问题，本发明提供一种变参数PI调节器参数调整方法，包括以下步骤：

（1）确定当前直流母线电压与目标电压之间的误差；

（2）确定所述误差的偏离状态、以及所述误差的变化趋势；

（3）根据所述误差的偏离状态及变化趋势，相应地调整比例调节系数Kp，根据所述Kp和积分项输出参数Ki，调整PI调节器最终的PI参数。

所述步骤（3）具体为：

（2-1）确定误差的偏离状态的类型：

如果所述误差的绝对值大于第一阈值δ3，则所述偏离状态为大误差状态；否则，所述偏离状态为小误差状态；

其中：δ1、δ2和δ3为设定的三个阀值，δ1为第三阈值，δ2为第二阈值，δ3为第一阈值，δ1<δ2<δ3；

（2-2）根据误差偏离状态及变化趋势确定PI参数：

a．如果所述偏离状态为大误差状态、且所述误差的变化趋势为增大或减小，则将所述比例调节系数Kp设置为最大限值PMAX；

PMAX=a*IMAX/δ3；

其中，a为设定的比例系数；IMAX为电压环PI调节器输出最大值或电流环PI调节器输入最大设定值；

b．如果所述偏离状态为小误差状态，调整比例调节系数Kp的过程如下：

直流母线电压小于目标电压且所述误差有增大趋势，则将所述比例调节系数Kp调整为：Kp(n)=Kp(n-1)+Err；

直流母线电压大于目标电压且所述误差有增大趋势，则将所述比例调节系数Kp调整为：Kp(n)=Kp(n-1)-Err；

所述偏离状态为小误差状态、且所述误差有减小趋势，则将所述比例调节系数Kp调整为：Kp(n)=Kp(n-1)–Vi；

其中：n为采样周期的次数，Err为所述误差；

i=1,2,3；Vi为设定的误差对应调整参数；若0<Err<±δ1，则Vi=V1；若±δ1<Err<±δ2，则Vi=V2；若±δ2<Err<±δ3，则Vi=V3；且V1>V2>V3；

如果所述误差为零或所述变化趋势为无变化，则保持Kp不变。

所述误差的变化趋势为直流母线电压的变化率，通过以下公式确定：

dv/dt=[u_dc(n)-u_dc(n-1)]/Ts，Ts为电压采样周期；n为采样次数；

dv/dt>0，所述变化趋势为增大；

dv/dt<0，所述变化趋势为减小；

dv/dt=0，所述变化趋势为无变化。

所述调整比例调节系数Kp的过程中，还包括：

如果所述比例调节系数Kp调整为：Kp(n)=Kp(n-1)±Err、且所述Kp(n)>最大限值PMAX，则将比例调节系数Kp(n)调整为PMAX；

或，如果所述比例调节系数Kp调整为：Kp(n)=Kp(n-1)-Vi、且所述Kp(n)<最小限值PMIN，则将比例调节系数Kp(n)调整为PMIN；

其中：PMIN为能够保障系统稳定运行的比例调节系数。

通过上述步骤，按照误差的偏离状态及变化趋势相应调整比例调节系数Kp，最后调整PI参数。由于Kp是根据误差情况调整的，从而在通过参数控制PWM整流器的过程中，兼顾动态性能和稳态性能。

附图说明

图1为本发明的流程图；

图2为本发明实施例运算PI参数的流程图；

图3为实施例采用的系统框图。

具体实施方式

为清楚说明本发明的方案，下面结合实施例和附图详细说明。

参见图1，实施例的步骤包括：

S11：确定当前直流母线电压与目标电压之间的误差；

S12：确定所述误差的偏离状态、以及所述误差的变化趋势，相应地调整比例调节系数Kp；

S13：根据所述Kp和积分项输出参数Ki调整最终的PI参数。

通过上述步骤，按照误差的偏离状态及变化趋势相应调整比例调节系数Kp，最后调整PI参数。由于Kp是根据误差情况调整的，从而在通过参数控制PWM整流器的过程中，兼顾动态性能和稳态性能。调整过程属于常规的技术，在本申请中不做详细阐述。

参见图2，下面通过具体的实施例详细说明控制流程，包括：

S21：计算当前直流母线电压与目标电压之间的误差Err；

将直流母线电压目标值与直流母线电压采样值u_dc比较，得到母线电压误差Err。

S22：计算直流母线电压的变化率dv/dt；

dv/dt=[u_dc(n)-u_dc(n-1)]/Ts，Ts为电压采样周期。n为采样周期的次数；例如，当前为第n次，上一次为第n-1次。该变化率用于确定直流母线电压的变化趋势。

S23：判断误差值Err的绝对值是否大于设定的第三阈值δ3；以确定当前的误差的偏离状态。

如果是，则所述偏离状态为大误差状态；执行S27；

如果不是，则所述偏离状态为小误差状态；执行S24；

S24：进一步判断误差值Err以及变化率dv/dt的正负情况；相应地执行步骤S25、S26。

S25包括：

(1)如果所述偏离状态为小误差状态、直流母线电压小于目标电压且所述误差有增大趋势，则将所述比例调节系数Kp调整为：则Kp(n)=Kp(n-1)+Err。

即0<Err<δ3，直流母线电压小于目标值，并且dv/dt<0，误差有增大趋势，此时应增大Kp，尽快消除误差。

其中，Kp(n-1)为上一次的Kp值。如果增大后的Kp值大于PMAX，则设置为PMAX。

(2)如果所述偏离状态为小误差状态、直流母线电压大于目标电压且所述误差有增大趋势，则将所述比例调节系数Kp调整为：Kp(n)=Kp(n-1)-Err；

即-δ3<Err<0，直流母线电压大于目标值，并且dv/dt>0，误差有增大趋势，此时应增大Kp，尽快消除误差。

则Kp(n)=Kp(n-1)-Err。

其中，Kp(n-1)为更新前的Kp值。Kp值应小于等于PMAX。如果增大后的Kp值大于PMAX，则设置为PMAX。

步骤S26包括：

如果所述偏离状态为小误差状态、且所述误差有减小趋势，则将所述比例调节系数Kp调整为：Kp(n)=Kp(n-1)-Vi i=1,2,3；Vi为误差对应的调整参数；

其中，0<Err<±δ1， Vi=V1；

±δ1<Err<±δ2，Vi=V2；

±δ2<Err<±δ3，Vi=V3； V1>V2>V3；δ1为第三阈值，δ2为第二阈值，δ3为第一阈值，δ1<δ2<δ3。

具体如下：

(3)当-δ3<Err<0，直流母线电压大于目标值，并且dv/dt<0，误差有减小趋势，此时应减小Kp，减小超调。若-δ3<Err<-δ2，Kp参数调整速度为V3；若-δ2<Err<-δ1，Kp参数调整速度为V2；若-δ1<Err<0，Kp参数调整速度为V1。

则Kp(n)=Kp(n-1)–Vi。(i=1,2,3)

其中，Kp(n-1)为更新前的Kp值。Kp值应大于等于PMIN。如果调整后的Kp值小于PMIN，则设置为PMIN。

(4)当0<Err<δ3，直流母线电压小于目标值，并且dv/dt>0，误差有减小趋势，此时应减小Kp，减小超调。若0<Err<δ1，Kp参数调整速度为V1；若δ1<Err<δ2，Kp参数调整速度为V2；若δ2<Err<δ3，Kp参数调整速度为V3。

则Kp(n)=Kp(n-1)–Vi。(i=1,2,3)

S27：将Kp设置为PMAX

当电压误差Err绝对值大于δ3，此时由于误差较大，若Ki较大，积分相容易饱和，应减小积分项的影响，此时积分项输出为零。并且系统需要尽快调整至目标值，根据PI调节的规律，应增大Kp，此时Kp设置为PMAX。

PMAX可根据式(1)求得：PMAX=a*IMAX/δ3 (1)

其中IMAX为电压环PI调节器输出最大值，也为电流环PI调节器输入最大给定值。一般设定为额定电流值，若是标幺系统则可设为1。a为比例系数，可根据系统要求设定。例如a设置为0.8，只要能避免系统引起振荡即可。

PMIN为能够保障系统稳定运行的比例调节系数，Kp在一定范围内系统都可以稳定运行，然而Kp较小时，系统相对来说比较稳定，因此PMIN选择较小的值，而动态性能通过动态调节Kp来保障。

如果Err或dv/dt等于零时，Kp保持不变。dv/dt等于零，认为电压无趋势变化。

S28：计算积分项的输出；

具体方法为当Kp≥PMAX，积分项输出设定为零。在小于的情况下，积分项输出不做处理。

S29：根据调整后的Kp参数，以及积分项输出计算出最终PI输出。

S30：电压环输出作为电流环给定，通过电流环调整驱动脉冲。

S31：计算PWM整理器控制脉宽。

上述实施例中的步骤，可应用到实际的系统中，例如图3中的系统。图中控制系统中采用的参数自整定PI调节器100。

当前可控整流器为75千瓦，试验参数为：额定电流60A，额定电压660V，直流母线控制电压为1000V。

PI调节器参数：Pmax=2.0，Pmin=0.4，Kp初始参数为0.4，δ1设定为0.05，δ2设定为0.1，δ3设定为0.2。δ3的设定相比较来说比较重要，其设定的值越大，系统出现较大的波动时调节速度相对较慢，若设定的太小在则在出现较小的波动时容易使得整流器电流波动较大。经过多次实验δ3在0.18-0.23范围内比较合适，本方案设定为0.2。

根据本方案，直流母线偏差减小时，Kp的减小速度V1、V2、V3分别设定为0.1、0.02、0.004，分别相差5倍，在误差绝对值小于δ1的范围内Kp迅速回归Kp设定最小值，便于系统稳定运行。δ1不易选择太大，太大时容易使得系统调节较慢。V1、V2、V3的选择可以根据实际系统的调节要求设定，本方案给定的参数，在实验系统中得到很好的应用，在整流器启动过程中，电压超调明显减小，调节过程变短。

对于本发明各个实施例中所阐述的方法，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。

Claims

1.一种变参数PI调节器参数调整方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)确定当前直流母线电压与目标电压之间的误差；

(2)确定所述误差的偏离状态、以及所述误差的变化趋势；

(3)根据所述误差的偏离状态及变化趋势，相应地调整比例调节系数Kp，根据所述Kp和积分项输出参数Ki，调整PI调节器最终的PI参数；

步骤(3)具体为：

(2-1)确定误差的偏离状态的类型：

(2-2)根据误差偏离状态及变化趋势确定PI参数：

a.如果所述偏离状态为大误差状态、且所述误差的变化趋势为增大或减小，则将所述比例调节系数Kp设置为最大限值PMAX；

PMAX＝a*IMAX/δ3；

b.如果所述偏离状态为小误差状态，调整比例调节系数Kp的过程如下：

直流母线电压小于目标电压且所述误差有增大趋势，则将所述比例调节系数Kp调整为：Kp(n)＝Kp(n-1)+Err；

直流母线电压大于目标电压且所述误差有增大趋势，则将所述比例调节系数Kp调整为：Kp(n)＝Kp(n-1)-Err；

所述偏离状态为小误差状态、且所述误差有减小趋势，则将所述比例调节系数Kp调整为：Kp(n)＝Kp(n-1)–Vi；

其中：n为采样周期的次数，Err为所述误差；

i＝1,2,3；Vi为设定的误差对应调整参数；若0<Err<±δ1，则Vi＝V1；若±δ1<Err<±δ2，则Vi＝V2；若±δ2<Err<±δ3，则Vi＝V3；且V1>V2>V3；

2.根据权利要求1所述的变参数PI调节器参数调整方法，其特征在于，所述误差的变化趋势为直流母线电压的变化率，通过以下公式确定：

dv/dt＝[u_dc(n)-u_dc(n-1)]/Ts，Ts为电压采样周期；n为采样次数；u_dc为直流母线电压采集值；

dv/dt>0，所述变化趋势为增大；

dv/dt<0，所述变化趋势为减小；

dv/dt＝0，所述变化趋势为无变化。

3.根据权利要求1所述的变参数PI调节器参数调整方法，其特征在于，所述调整比例调节系数Kp的过程中，还包括：

如果所述比例调节系数Kp调整为：Kp(n)＝Kp(n-1)±Err、且所述Kp(n)>最大限值PMAX，则将比例调节系数Kp(n)调整为PMAX；

或，如果所述比例调节系数Kp调整为：Kp(n)＝Kp(n-1)-Vi、且所述Kp(n)<最小限值PMIN，则将比例调节系数Kp(n)调整为PMIN；

其中：PMIN为能够保障系统稳定运行的比例调节系数。