CN1115764C

CN1115764C - 基于自学习控制的比例积分微分控制方法及其控制的不间断电源

Info

Publication number: CN1115764C
Application number: CN 00117186
Authority: CN
Inventors: 孙文焕; 周党生; 张云祥
Original assignee: Emerson Network Power Co Ltd
Current assignee: Vertiv Tech Co Ltd
Priority date: 2000-06-15
Filing date: 2000-06-15
Publication date: 2003-07-23
Anticipated expiration: 2020-06-15
Also published as: CN1329391A

Abstract

一种基于自学习控制的UPS的数字控制方法和利用这种数字控制方法控制的UPS，根据输出电压误差E及对信号的采样，按照自学习控制算法计算PID控制器的比例调节器参数Kp；如果检测出是线性负载，减小比例控制器的Kp参数；如果检测出是非线性负载，增大比例控制器的Kp参数，从而实现对逆变器的输出电压波形的控制，使应用这种数字控制方法控制的UPS具有成本低、性能可靠的优点。

Description

基于自学习控制的比例积分微分控制方法及其控制的不间断电源

技术领域

本发明涉及电源数字控制技术和智能控制技术，具体涉及一种基于自学习控制的比例积分微分控制方法及其控制的不间断电源。

背景技术

目前市场上的不间断电源产品，受数字控制技术的局限，其逆变部分的控制方法绝大多数采取模拟方式，大致分有效值调节和瞬时值调节两种。然而，就目前控制方式的发展方向而言，一般采用数字控制方法。由于数字控制方法能灵活地改善系统的静、动态性能指标，显著地增强系统的工作稳定性和可靠性，而且可降低其硬件成本和生产成本，缩短产品开发周期，扩大产品优化空间。但是从目前产品和文献中记载的数字控制方法来看，采用数字化控制的不间断电源，大多必须采用速度快、功能强的CPU芯片(如32位DSP)，以减小数字电路存在一些不可避免的时间延迟(如采样延迟、计算延迟、调制延迟等)对波形整形的影响。这样，由于硬件成本的限制，使得采用数字控制方法的直流/交流逆变器难以在实际不间断电源产品中得到广泛的应用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种带有智能的不间断电源数字控制方法，按照这种数字控制方法，可以实现对逆变器经济而有效的控制，即可用较低成本的微处理器制造性能较好的不间断电源，成本低、可靠性高。

本发明的另一目的在于提供一种应用上述数字控制方法控制的不间断电源，具有成本低、性能好、可靠性高的优点。

本发明基于以下认识：当不间断电源带线性负载时，若采用比例积分微分控制器，则比例积分微分控制器的比例调节器参数Kp不能太大，否则由于微处理器速度的限制，输出电压波形就容易抖动；当不间断电源带非线性负载时，若采用比例积分微分控制器，则比例积分微分控制器的比例调节器参数Kp不能太小，否则输出电压波形的失真度就不能达标(THD＜5％)。因此，如果采用传统方法设计确定的比例积分微分，就很难达到同时控制这两种负载类型的目的。这样就有必要根据两种负载输出波形的明显区别，构造一种自学习控制的比例积分微分控制方法来实现对逆变器的输出电压波形的控制，具体地说，本发明提供的基于自学习控制的比例积分微分控制方法，包括以下步骤：

a)用参考电压Vref减去输出电压Vo，得出输出电压误差E；

b)根据上述输出电压误差E的绝对值与误差参考值之差在一个工频周期内的累加值调整比例调节系数Kp：

若该累加值大于参考值，则将比例调节系数Kp增大；

若该累加值小于参考值，则将比例调节系数Kp减小；

c)以经过调整的Kp作为比例积分微分的比例调节器参数，对所述输出电压误差E进行比例积分微分调节，得出控制量Vi。

在上述按照本发明提供的方法中，所述步骤c)包括以下步骤：

c1)计算所述输出电压误差E的绝对值|E|；

c2)比较输出电压误差|E|与误差参考值A，如果|E|＞A，则取Xi＝|E|-A；

c3)计算一个工频周期T内，Xi的累加值X＝∑Xi＝∑(|E|-A)；

c4)根据X的大小，调整比例调节器参数Kp：

如果X＞Bmax，则Kp＝Kp+(Kpmax-Kpmin)/100；

如果X＜Bmin，则Kp＝Kp-(Kpmax-Kpmin)/100。

c5)校正比例积分微分的比例调节器参数Kp：

如果Kp＞＝Kpmax，则Kp＝Kpmax；

如果Kp＜＝Kpmin，则Kp＝Kpmin；

其中，参数A、Bmax、Bmin、Kpmax、Kpmin，可根据具体实验确定，其中Bmax＞Bmin、Kpmax＞Kpmin。

本发明的另一个目的是这样实现的，构造一种不间断电源，其逆变器采用基于自学习控制的比例积分微分控制方法的控制器，该控制器包括：

减法器：用于将输入的参考电压Vref和输出电压Vo相减产生输出电压误差E；

采样器：用于采样输出电压误差E的绝对值|E|；

自学习控制器：将采样器输出的输出电压误差的绝对值|E|作为输入量，计算比例积分微分的比例调节器参数Kp

线性比例积分微分控制器：将所述自学习控制器输出的Kp作为比例积分微分的比例调节器参数，对输入的输出电压误差E进行线性比例积分微分控制，产生逆变器的控制量Vi。

在按照本发明提供的不间断电源中，所述自学习控制器包括：

工频周期计时器：用于提供工频周期计时信号；

输出电压误差计算装置：用于计算输出电压误差E的绝对值|E|；

比较计算器：用于将输出电压误差E绝对值与误差参考值A进行比较，并根据比较结果计算Xi，如果|E|＞A，则Xi＝|E|-A；

累加值X计算器：用于在所述工频周期计时器确定的一个工频周期T内，根据所述比较计算器的输出，计算Xi的累加值X＝∑Xi＝∑(|E|-A)；

参数Kp第一调整器：用于根据所述累加值X计算器输出的累加值X的大小，调整比例调节器参数Kp：如果X＞＝Bmax，则Kp＝Kp+(Kpmax-Kpmin)/100；如果X＜＝Bmin，则Kp＝Kp-(Kpmax-Kpmin)/100。

参数Kp第二调整器，根据所述参数Kp第一调整器输出的参数Kp进行边界调整，如果Kp＞＝Kpmax，则Kp＝Kpmax；如果Kp＜＝Kpmin，则Kp＝Kpmin。

其中，参数A、Bmax、Bmin、Kpmax、Kpmin，可以根据具体实验确定，其中，Bmax＞Bmin、Kpmax＞Kpmin。

在按照本发明提供的不间断电源中，所述减法器、采样器、自学习控制器包含在一个微处理器或数字信号处理器中。

实施本发明提供的基于自学习控制的比例积分微分控制方法及其控制的不间断电源，由于采用了自学习控制的比例积分微分控制技术，当负载为线性负载时，能有效控制比例调节器参数Kp不至于太大；当负载为非线性负载时，能有效控制比例调节器参数Kp不至于太小。因此，当不间断电源带线性负载时，输出电压不易出现抖动；当不间断电源为非线性负载时，输出电压波形能够满足失真度的要求(THD＜5％)，即使在带功率因数较低(小于0.7)、电流峰制值比较高(大于3∶1)的额定整流性负载时亦可获得较好的输出电压波形。由于自学习控制比例积分微分控制技术可以在价格比较低廉的CPU(如单片机、16位定点数字信号处理器，简称DSP)上得到实现，这样可以有效地减低不间断电源系统的硬件成本，增强中小容量在线式不间断电源的市场竞争力。此外，采用自学习控制的比例积分微分控制技术的不间断电源输出电流波形也比较稳定。

附图说明

图1是采用本发明自学习控制的比例积分微分控制方法的不间断电源的逆变器控制原理示意图；

图2是实施本发明自学习控制的比例积分微分控制方法的一个实施例的程序流程示意图。

具体实施方式

如图1所示，在按照本发明构造的不间断电源中的逆变器控制器包括：减法器1，用于将输入的参考电压Vref和输出电压Vo相减产生输出电压误差E；采样器2，用于提供输出电压误差E的绝对值|E|；自学习控制器3，用于将采样器2输出的输出电压误差的绝对值|E|作为输入量，计算比例积分微分的比例调节器参数Kp，并提供给线性比例积分微分控制器；线性比例积分微分控制器4，用于将自学习控制器输出的Kp作为比例积分微分的比例调节器参数，对输入的输出电压误差E进行线性比例积分微分控制，产生逆变器的控制量Vi提供给逆变器5。其中自学习控制器3包括：工频周期计时器31，用于提供工频周期计时信号；输出电压误差计算装置32：用于计算输出电压误差E的绝对值|E|；比较计算器33：用于将输出电压误差E绝对值与误差参考值A进行比较，并根据比较结果计算Xi，如果|E|＞A，则Xi＝|E|-A；累加值X计算器34：用于在所述工频周期计时器确定的一个工频周期T内，根据所述比较计算器的输出，计算Xi的累加值X＝∑Xi＝∑(|E|-A)；参数Kp第一调整器35，用于根据累加值X计算器输出的累加值X的大小，调整比例调节器参数Kp：如果X＞＝Bmax，则Kp＝Kp+(Kpmax-Kpmin)/100；如果X＜＝Bmin，则Kp＝Kp-(Kpmax-Kpmin)/100。参数Kp第二调整器36，根据所述参数Kp第一调整器输出的参数Kp进行边界调整，如果Kp＞＝Kpmax，则Kp＝Kpmax；如果Kp＜＝Kpmin，则Kp＝Kpmin。

在图2示出的实施本发明的自学习控制的比例积分微分控制方法的程序流程图中，其中，用于计算比例积分微分控制器的比例调节器参数Kp的部分，包括以下步骤：

1、计算一个工频周期T内，Xi的累加值X如下：

a、计算输出电压误差E(框101)：用参考电压Vref减去输出电压Vo，得出输出电压误差E；

b、取输出电压误差E的绝对值|E|(框102)；

c、比较输出电压误差|E|与误差参考值A的大小(框103)；

d、计算Xi的累加值X(框104)：如果|E|＞A，则X＝∑Xi＝∑(|E|-A)；

e、判断一个工频周期T满否(框105)：如果一个工频周期T未满，则回到(框101)，即继续累加计算累加值X，如果一个工频周期T已满，则转入(框106)：根据X的大小，调整比例调节器参数Kp。

2、根据X的大小，调整比例调节器参数Kp：

a、判断X与Bmax的大小(框106)；

b、如果X＞＝Bmax(在非线性负载区域内)，则Kp＝Kp+(Kpmax-Kpmin)/100(框107)；

c、判断X与Bmin的大小(框108)；

d、如果X＜＝Bmin(在线性负载区域内)，则Kp＝Kp-(Kpmax-Kpmin)/100(框109)。

3、校正比例调节器参数Kp：

a、比较Kp与Kpmax的大小(框110)；

b、如果Kp＞＝Kpmax，则Kp＝Kpmax(框111)；

c、Kp与Kpmin的大小(框112)；

d、如果Kp＜＝Kpmin，则Kp＝Kpmin(框113)

4、将X清零，完成了一个工频周期T内控制参数Kp的计算(框114)。

以上涉及到的参数A、Bmax、Bmin、Kpmax、Kpmin，可以根据具体实验确定。其中，Bmax＞Bmin，Kpmax＞Kpmin。

Claims

1、一种基于自学习控制的比例积分微分控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

a)用参考电压Vref减去输出电压Vo，得出输出电压误差E；

若该累加值大于参考值，则将比例调节系数Kp增大；

若该累加值小于参考值，则将比例调节系数Kp减小；

2、根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述步骤c)包括以下步骤：

c1)计算所述输出电压误差E的绝对值|E|；

c3)计算一个工频周期T内，Xi的累加值X＝∑Xi＝∑(|E|-A)；

c4)根据X的大小，调整比例调节器参数Kp：

如果X＞Bmax，则Kp＝Kp+(Kpmax-Kpmin)/100；

如果X＜Bmin，则Kp＝Kp-(Kpmax-Kpmin)/100；

c5)校正比例积分微分的比例调节器参数Kp：

如果Kp＞＝Kpmax，则Kp＝Kpmax；

如果Kp＜＝Kpmin，则Kp＝Kpmin；

其中的参数A、Bmax、Bmin、Kpmax、Kpmin，可以根据具体实验确定，其中Bmax＞Bmin、Kpmax＞Kpmin。

3、一种不间断电源，其特征在于，该不间断电源中的逆变器采用基于自学习控制的比例积分微分控制方法的控制器，该控制器包括：

采样器：用于采样输出电压误差E的绝对值|E|；

自学习控制器：将采样器输出的输出电压误差的绝对值|E|作为输入量，计算比例积分微分的比例调节器参数Kp；

4、根据权利要求3所述不间断电源，其特征在于，所述自学习控制器包括：

工频周期计时器：用于提供工频周期计时信号；

比较计算器：用于将输出电压误差E绝对值|E|与误差参考值A进行比较，并根据比较结果计算Xi，如果|E|＞A，则Xi＝|E|-A；

累加值X计算器，用于在所述工频周期计时器确定的一个工频周期T内，根据所述比较计算器的输出，计算Xi的累加值X＝∑Xi＝∑(|E|-A)；

参数Kp第一调整器，用于根据所述累加值X的大小，调整比例调节器参数Kp：如果X＞＝Bmax，则Kp＝Kp+(Kpmax-Kpmin)/100；如果X＜＝Bmin，则Kp＝Kp-(Kpmax-Kpmin)/100；

参数Kp第二调整器，根据所述参数Kp第一调整器输出的参数Kp进行边界调整，如果Kp＞＝Kpmax，则Kp＝Kpmax；如果Kp＜＝Kpmin，则Kp＝Kpmin，

其中，参数A、Bmax、Bmin、Kpmax、Kpmin，可以根据具体实验确定，其中Bmax＞Bmin、Kpmax＞Kpmin。

5、根据权利要求3或4所述不间断电源，其特征在于，所述减法器、采样器、自学习控制器包含在一个微处理器或数字信号处理器中。