CN104932250B - 一种新型pi控制器结构及其参数整定方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种新型PI控制器结构，该新型结构在传统PI控制器的基础上，增加了微分器环节，以下称为给定微分前馈环节，和控制增益环节；增加给定微分前馈环节，对建模误差进行补偿；增加控制增益环节，使得PI控制器的比例系数和积分系数与电机参数无关，便于整定。本发明还提供了这种新结构PI控制器的参数整定方法，包括以下步骤：计算控制增益；根据超调量计算阻尼比；根据噪声调整无阻尼自然频率；计算控制器的比例系数和积分系数；本发明具有控制参数易于整定、对连续变化给定的跟踪性能较好的优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种新型PI控制器结构及其参数整定方法，属于控制技术领域。
背景技术
在一般的应用场合中，常通过阶跃响应来考核系统的跟踪性能。当给定为阶跃信号时，给定的微分为脉冲信号，因此在设计传统PI控制器时常被忽略。然而，当给定为连续变化的信号时，忽略给定的微分将会产生建模误差，导致系统跟踪性能变差。尽管传统PI控制结合内模控制的方法可以提高系统对连续变化给定的跟踪性能，但其依赖于被控对象的参数。
传统的PI控制器参数整定大多基于控制系统的频域参数，即根据系统的幅值裕度和相位裕度整定PI参数，因此控制器的参数与系统性能之间的关系不够明确，控制器参数整定困难。
发明内容
本发明所要解决的技术问题，是针对前述背景技术的缺陷和不足，提供一种新型PI控制器结构及其参数整定方法，提高系统对连续变化给定的跟踪性能并简化参数整定过程。
本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：
一种新型PI控制器结构，包括PI控制器、限幅环节以及加法器，还包括给定微分前馈环节和控制增益环节，所述给定微分前馈环节对PI控制器的给定值进行微分控制，其输出值与PI控制器的输出值相加作为控制增益环节的输入值，对建模误差进行补偿；所述控制增益环节的控制增益为该控制器结构控制对象参数的比，其输入值与控制增益相乘得到理论控制量；所述理论控制量经限幅环节得到实际控制量，理论控制量与实际控制量之差作为PI控制器的一个输入值，用于PI控制器的抗积分饱和计算。
进一步的，所述比例系数为两倍的无阻尼自然频率与阻尼比的乘积，积分系数为无阻尼自然频率的平方。
一种新型PI控制器结构的参数整定方法，该方法包括如下步骤：
步骤一、根据所控制的电机转动惯量计算控制增益环节的控制增益，定义控制增益为b，则计算方法为：
b＝1/J，J为电机与负载组成的系统的转动惯量；
步骤二、根据系统超调量的要求确定阻尼比ζ的取值范围；
步骤三、根据实际噪声情况增大无阻尼自然频率ωn直到其所允许的最大值；
步骤四、计算控制器的比例系数kp＝2ζωn，计算控制器的积分系数ki＝ωn 2，ωn为无阻尼自然频率，ζ为阻尼比。
作为优选，所述ζ为其允许范围内的最小值。
本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
本发明的一种新结构PI控制器及其参数整定方法，相对于传统PI控制器，增加了给定微分前馈环节，提高了系统对连续变化给定的跟踪性能；从传统PI控制器的控制参数中分离出控制增益，使控制器参数与系统性能之间的关系得到简化，便于整定。
附图说明
图1本发明提供的一种新型PI控制器结构示意图；
图2是本发明实施例中的永磁同步电机调速系统结构框图；
图3是传统PI控制器结构框图；
图4是本发明实施例在ωn＝80、ζ分别为0.5、1.0和2.0时，阶跃给定为80rpm的系统响应曲线图；
图5是本发明实施例在ωn＝80、ζ分别为0.5、1.0和2.0时，系统卸载时的转速响应曲线图；
图6是本发明实施例在ζ＝1.0、ωn分别为40、60和80时，阶跃给定为80rpm的系统响应曲线图；
图7是本发明实施例在ζ＝1.0、ωn分别为40、60和80时，系统卸载时的转速响应曲线图；
图8是本发明实施例在ζ＝1.0、ωn＝60时，系统跟踪500rpm/5Hz正弦给定时的转速响应仿真图；
图9是本发明实施例在ζ＝1.0、ωn＝60时，系统跟踪500rpm/5Hz正弦给定时的转速响应仿真图。
具体实施方式
本发明提供一种新型PI控制器结构及其参数整定方法，为使本发明的目的，技术方案及效果更加清楚，明确，以及参照附图并举实例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
下面结合附图对发明的技术方案进行详细说明：
本发明提供的种新型PI控制器结构如图1所示，该控制器包括给定微分前馈环节、PI控制器、控制增益环节、限幅环节以及加法器，所述给定微分前馈环节对PI控制器的给定值进行微分控制，其输出值与PI控制器的输出值相加作为控制增益环节的输入值，对建模误差进行补偿；所述控制增益环节的控制增益为该控制器结构控制对象参数的比，其输入与控制增益相乘得到理论控制量；理论控制量经限幅环节得到实际控制量，理论控制量与实际控制量之差作为PI控制器的一个输入值，用于PI控制器内部抗积分饱和计算。
采用本发明提供的新型PI控制器结构，需首先计算控制增益，而后根据超调量的要求计算阻尼比的取值范围，选取阻尼比为其允许范围内的最小值，再在系统噪声允许的范围内尽可能地增大无阻尼自然频率，最后用两倍的无阻尼自然频率与阻尼比相乘得到比例系数，将无阻尼自然频率的平方值作为积分系数，实现控制器的参数整定。
本发明提供的种新型PI控制器结构适用于所有传统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id *＝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2所示，该调速系统包括转速控制器、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、传感器(电流传感器与位置传感器)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(图中未画出)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转速环采用的新结构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。
实施例1
永磁同步电机的转动惯量J＝2.68g·m2，要求超调量不超过13.5％。
对于本发明采用的新结构PI控制器，取无阻尼自然频率ωn＝60、阻尼比ζ＝1.0，则控制器的比例系数kp＝2ζωn＝120、积分系数ki＝ωn 2＝3600、控制增益b＝1/J＝373。当电机参数变化时，若希望动态性能保持不变，则只需修改控制增益即可，比例系数和积分系数保持不变。传统PI控制器结构框图如图3所示，由于不知粘滞摩擦系数B，传统PI控制器参数无法计算，因此需要根据响应曲线进行手工整定。假设传统PI控制器最终整定好的控制参数与新结构PI控制器参数相同，则kp＝2ζωn/b＝0.32、ki＝ωn 2/b＝9.65。比例系数和积分系数中由于存在电机参数，与控制性能的关系不清晰，当电机参数变化时均需重新调节。由此可知，新型PI控制器的参数整定方法要比传统PI控制器简单得多。
取ωn＝60、ζ分别为0.5、1.0和2.0时，新型PI控制器下阶跃给定为80rpm空载起动时的转速响应如图4所示，变负载时的转速响应如图5所示。由图4可看出，随着ζ的增大，系统阶跃响应加快且超调量减小，但系统噪声增大。由图5可看出，当ζ<1时，扰动的影响随着ζ的 增大而减小；当ζ≥1时，系统在扰动作用下的恢复时间随着ζ的增大而变长。取ζ＝1.0、ωn分别为40、60和80时，新型PI控制器下阶跃给定为80rpm空载起动时的转速响应如图6所示，加载时的转速响应如图7所示。由图6可看出，随着ωn的增大，系统阶跃响应加快且超调量减小，但系统噪声增大。由图7可看出，随着ωn的增大，系统在扰动作用下的转速变化量有所减小，且恢复时间变短，系统抗扰能力增强。以上结果证明了本发明是有效的。
当给定500rpm/5Hz的正弦转速时，系统的正弦跟踪响应仿真波形和实验波形分别如图8和图9所示。由图8和图9均可看出，传统PI控制器下的跟踪误差为±120rpm，而新型PI控制器下的跟踪误差只有±10rpm，即新型PI控制器比传统PI控制器对连续变化给定具有较好的跟踪性能。
可以理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，而所有这些改变或替换都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。
Claims (3)
1.一种新型PI控制器结构，包括PI控制器、限幅环节以及加法器，其特征在于：还包括给定微分前馈环节和控制增益环节，所述给定微分前馈环节对PI控制器的给定值进行微分控制，其输出值与PI控制器的输出值相加作为控制增益环节的输入值，对建模误差进行补偿；所述控制增益环节的控制增益为该控制器结构控制对象参数的比，其输入值与控制增益相乘得到理论控制量；所述理论控制量经限幅环节得到实际控制量，理论控制量与实际控制量之差作为PI控制器的一个输入值，用于PI控制器的抗积分饱和计算；
所述比例系数为两倍的无阻尼自然频率与阻尼比的乘积，积分系数为无阻尼自然频率的平方。
2.一种新型PI控制器结构的参数整定方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤一、根据所控制的电机转动惯量计算控制增益环节的控制增益，定义控制增益为b，则计算方法为：
b＝1/J，J为电机与负载组成的系统的转动惯量；
步骤二、根据系统超调量的要求确定阻尼比ζ的取值范围；
步骤三、根据实际噪声情况增大无阻尼自然频率ωn直到其所允许的最大值；
步骤四、计算控制器的比例系数kp＝2ζωn，计算控制器的积分系数ki＝ωn 2，ωn为无阻尼自然频率，ζ为阻尼比。
3.根据权利要求2所述的一种新型PI控制器结构的参数整定方法，其特征在于：所述ζ为其允许范围内的最小值。
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