CN112671038B - 多变量、多目标的pi双闭环控制方法和存储介质 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种多变量、多目标的PI双闭环控制方法和计算机可读存储介质。该方法包括：S1、将系统的各个控制小目标中响应速度要求最高的控制变量作为唯一的所述内环控制变量，将其余的控制变量作为外环控制变量；S2、对每个控制变量进行独立的PI环路控制并构建控制框图，分析所述控制框图、推导传递函数并确定所述系统的稳定运行条件；S3、选择PI外环并联切换控制方式。实施本发明的多变量、多目标的PI双闭环控制方法和计算机可读存储介质，通过将所述响应速度要求最高的所述控制变量作为唯一的所述内环控制变量，将其余的控制变量作为外环控制变量，能够在满足控制要求的同时保证响应速度、实现多变量和多目标控制。
Description
技术领域
本发明涉及电力电子技术领域，更具体地说，涉及一种多变量、多目标的PI双闭环控制方法和计算机可读存储介质。
背景技术
随着电力电子技术的发展，现代电气系统中的电器元件触点可以用无触点开关，使得整个系统的动作频率更高、寿命更长。进一步地，采用软件方法实现对现代电气系统的逻辑控制，可以省去大量的控制电路及线路连接，当改变控制要求和参数时只需改动程序的相应部分，外部线路基本上不用改动，因而节省了资源。因此，现代电气系统更多的使用软件方法来实现控制目标。
然而，现有电气系统的控制方法，控制变量单一并且响应速度不够，从而导致控制效果不佳。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷，提供一种能够在满足控制要求的同时保证响应速度、实现多变量和多目标控制的多变量、多目标的PI双闭环控制方法和计算机可读存储介质。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种多变量、多目标的PI双闭环控制方法，包括：
S1、将系统的各个控制小目标中响应速度要求最高的控制变量作为唯一的所述内环控制变量，将其余的控制变量作为外环控制变量；
S2、对每个控制变量进行独立的PI环路控制并构建控制框图，分析所述控制框图、推导传递函数并确定所述系统的稳定运行条件；
S3、选择PI外环并联切换控制方式。
在本发明所述的多变量、多目标的PI双闭环控制方法中，所述步骤S1进一步包括：
S11、将所述系统的控制目标分解为多个所述控制小目标；
S12、分析每个控制小目标对应的所述控制变量的所述响应速度要求；
S13、将所述响应速度要求最高的所述控制变量作为唯一的内环控制变量；
S14、将其余的控制变量作为外环控制变量，并将多个PI外环并联输出作为PI内环的参考值。
在本发明所述的多变量、多目标的PI双闭环控制方法中，所述步骤S2进一步包括：
S21、对每个控制变量进行独立的PI环路控制并构建控制框图；
S22、任意选取一个PI外环与所述PI内环组成经典二阶控制系统；
S23、对所述经典二阶控制系统进行分析以获得所述PI双闭环控制的控制参数；
S24、确定每个PI环路的传递函数和控制参数。
在本发明所述的多变量、多目标的PI双闭环控制方法中，每次调节中，所述PI内环均参与控制而仅一个所述PI外环参与控制以实现所述PI双闭环控制；在所述步骤S2中，任意所述PI外环与所述PI内环所组成传递函数均相同，以确定所述系统的稳定运行条件。
在本发明所述的多变量、多目标的PI双闭环控制方法中，所述步骤S3进一步包括：
S31、对于每个所述PI外环进行独立控制；
S32、选取所述PI外环中的最小输出值作为所述PI内环的参考值；
S33、对多个所述PI外环的积分进行平滑处理以保证环路切换平滑。
在本发明所述的多变量、多目标的PI双闭环控制方法中，所述步骤S33进一步包括：
S331、记录所述最小输出值对应的所述PI外环的积分值为最小积分值；
S332、其他所述PI外环分别采用所述最小积分值减去当前自身环路误差以获得自身的平滑积分值。
在本发明所述的多变量、多目标的PI双闭环控制方法中，所述方法应用于光伏储能并网系统中的BOOST升压电路，所述光伏储能并网系统包括依次连接的光伏组件、BOOST升压电路、母线电容器以及通过LLC电路挂接在所述母线电容两端的电池。
在本发明所述的多变量、多目标的PI双闭环控制方法中，各个所述控制小目标包括：实现最大功率点追踪，稳定母线电压，控制所述光伏组件的输出功率和控制BOOST电感电流；将所述响应速度要求最高的BOOST电感电流作为唯一的所述内环控制变量，将其余的控制变量作为所述外环控制变量。
在本发明所述的多变量、多目标的PI双闭环控制方法中，所述步骤S3进一步包括：
将最大功率点追踪控制PI外环、母线控制PI外环、功率控制PI外环进行独立控制；
将所述最大功率点追踪控制PI外环、母线控制PI外环、功率控制PI外环的最小输出值作为电感电流控制PI内环的参考值；
将所述最大功率点追踪控制PI外环、母线控制PI外环、功率控制PI外环的积分进行平滑处理以保证环路切换平滑。
本发明解决其技术问题采用的另一技术方案是，构造一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现所述的多变量、多目标的PI双闭环控制方法。
实施本发明的多变量、多目标的PI双闭环控制方法和计算机可读存储介质，通过将所述响应速度要求最高的所述控制变量作为唯一的所述内环控制变量，将其余的控制变量作为外环控制变量，能够在满足控制要求的同时保证响应速度、实现多变量和多目标控制。进一步地，通过对外环积分进行平滑处理，可以确保环路切换平滑。并且本发明的方法运算简单、易于实现，效果明显，易于推广。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1是本发明的多变量、多目标的PI双闭环控制方法的第一优选实施例的流程图；
图2是图1所示的多变量、多目标的PI双闭环控制方法的原理示意图；
图3是图1所示的多变量、多目标的PI双闭环控制方法的等效原理示意框图；
图4是适用于本发明的多变量、多目标的PI双闭环控制方法的光伏储能并网系统的结构示意图；
图5是本发明的多变量、多目标的PI双闭环控制方法的第二优选实施例适用于图4所示的光伏储能并网系统时的控制示意框图；
图6是本发明的多变量、多目标的PI双闭环控制方法的第二优选实施例适用于图4所示的光伏储能并网系统时的外环控制流程示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明涉及一种多变量、多目标的PI双闭环控制方法，包括：将系统的各个控制小目标中响应速度要求最高的控制变量作为唯一的所述内环控制变量，将其余的控制变量作为外环控制变量；对每个控制变量进行独立的PI环路控制并构建控制框图，分析所述控制框图、推导传递函数并确定所述系统的稳定运行条件；选择PI外环并联切换控制方式。实施本发明的多变量、多目标的PI双闭环控制方法，通过将所述响应速度要求最高的所述控制变量作为唯一的所述内环控制变量，将其余的控制变量作为外环控制变量，能够在满足控制要求的同时保证响应速度、实现多变量和多目标控制。
在本发明的多变量、多目标的PI双闭环控制方法中，进一步选取PI外环输出的最小值作为PI内环的参考值，把其他PI外环的积分值用最小值所对应外环的积分值减去当前自身环路的误差值进行替代，通过对外环积分进行平滑处理，可以确保环路切换平滑。
图1是本发明的多变量、多目标的PI双闭环控制方法的第一优选实施例的流程图。图2是图1所示的多变量、多目标的PI双闭环控制方法的原理示意图。图3是图1所示的多变量、多目标的PI双闭环控制方法的等效原理示意框图。下面参照图1-3对本发明的多变量、多目标的PI双闭环控制方法的第一优选实施例说明如下。
在步骤S1中，将系统的各个控制小目标中响应速度要求最高的控制变量作为唯一的所述内环控制变量，将其余的控制变量作为外环控制变量。在本发明的优选实施例中，首先分析所述系统的控制目标，然后将所述系统的控制目标分解为多个所述控制小目标。随后，判断每个小目标对响应速度的要求，进而分析获得每个控制小目标对应的控制变量的所述响应速度要求。然后确定PI双闭环控制的内环控制变量与外环控制变量，即将所述响应速度要求最高的控制变量作为唯一的内环控制变量，其余控制变量均作为外环控制变量将多个PI外环并联输出作为PI内环的参考值。
在步骤S2中，对每个控制变量进行独立的PI环路控制并构建控制框图，分析所述控制框图、推导传递函数并确定所述系统的稳定运行条件。优选的，在本发明的进一步的优选实施例中，对每个控制变量进行独立的PI环路控制并构建控制框图。随后任意选取一个PI外环与所述PI内环组成经典二阶控制系统，对所述经典二阶控制系统进行分析以获得所述PI双闭环控制的控制参数；确定每个PI环路的传递函数和控制参数。在本发明中，每次调节中，所述PI内环均参与控制而仅一个所述PI外环参与控制以实现所述PI双闭环控制。在本发明中，在判断系统稳定运行条件时，任意选取PI外环与PI内环形成的双闭环控制，其传递函数均相同，便于确定系统稳定运行的条件。本领域技术人员已经知悉针对各种现代电气系统的各种控制变量进行独立PI环路控制的方法和步骤，因此可以采用任何现有技术实现上述步骤，在此就不再累述了。
在步骤S3中，选择PI外环并联切换控制方式。在本发明的一个优选实施例中，可以对每个所述PI外环进行独立控制。在本发明的进一步的优选实施例中，可以选取所述PI外环中的最小输出值作为所述PI内环的参考值。在本发明的另一优选实施例中，可以对多个所述PI外环的积分进行平滑处理以保证环路切换平滑。优选的，该平滑处理可以包括选取所述PI外环中的最小输出值作为所述PI内环的参考值，记录所述最小输出值对应的所述PI外环的积分值为最小积分值；其他所述PI外环分别采用所述最小积分值减去当前自身环路误差以获得自身的平滑积分值。即首先，选取PI外环输出的最小值作为PI内环的参考值；其次，将输出最小值所对应PI外环的积分值进行记录；最后，把其他外环的积分值用最小值所对应外环的积分值减去当前自身环路的误差值进行替代。通过对外环积分进行平滑处理，可以确保环路切换平滑。
实施本发明的多变量、多目标的PI双闭环控制方法，通过将所述响应速度要求最高的所述控制变量作为唯一的所述内环控制变量，将其余的控制变量作为外环控制变量，能够在满足控制要求的同时保证响应速度、实现多变量和多目标控制。进一步地，通过对外环积分进行平滑处理，可以确保环路切换平滑。并且本发明的多变量、多目标的PI双闭环控制方法通过PI外环并联调节，满足控制要求的同时可以保证响应速度，可以实现对多个变量的控制，并且本发明的多变量、多目标的PI双闭环控制方法效果明显，运算简单，易于实现，便于推广应用。
图4是适用于本发明的多变量、多目标的PI双闭环控制方法的光伏储能并网系统的结构示意图。图5是本发明的多变量、多目标的PI双闭环控制方法的第二优选实施例适用于图4所示的光伏储能并网系统时的控制示意框图。图6是本发明的多变量、多目标的PI双闭环控制方法的第二优选实施例适用于图4所示的光伏储能并网系统时的外环控制流程示意图。下面参照图4-6对本发明的多变量、多目标的PI双闭环控制方法的第二优选实施例说明如下。
如图4所示，所述光伏储能并网系统包括依次连接的光伏组件、BOOST升压电路、母线电容器C2以及通过LLC电路挂接在所述母线电容C2两端的电池。在本优选实施例中，本发明的多变量、多目标的PI双闭环控制方法可以应用于光伏储能并网系统中的BOOST升压电路。
首先，分析所述系统的控制目标，然后将所述系统的控制目标分解为多个所述控制小目标，即第一目标，实现最大功率点追踪(MPPT)；第二目标，控制母线电压值，稳定母线电压；第三目标，控制光伏组件输出功率；第四目标，控制BOOST电感电流，降低电感电流纹波。随后，判断每个小目标对响应速度的要求，进而分析获得每个控制小目标对应的控制变量的所述响应速度要求。经分析可知BOOST电感电流控制需要实时响应，其他控制参数的控制响应可稍慢。因此，可以确定PI双闭环控制的内环控制变量与外环控制变量，即将所述响应速度要求最高的控制变量，BOOST电感电流作为唯一的内环控制变量，其余控制变量，均作为外环控制变量，然后将多个PI外环并联输出作为PI内环的参考值，参见图5所示。
然后，对每个控制变量进行独立的PI环路控制并构建控制框图，分析所述控制框图、推导传递函数并确定所述系统的稳定运行条件。优选的，在本发明的进一步的优选实施例中，对每个控制变量进行独立的PI环路控制并构建控制框图。随后任意选取一个PI外环与所述PI内环组成经典二阶控制系统，如图3所示。对所述经典二阶控制系统进行分析以获得所述PI双闭环控制的控制参数；确定每个PI环路的传递函数和控制参数。在光伏储能并网系统结构中，依靠控制系统稳定判据以及传递函数，对经典的PI双闭环进行参数整定；属从事自动控制领域人员的常识，在此就不再累述了。
在BOOST升压电路运行中，选择PI外环并联切换控制方式，参见图5所示。在本发明的优选实施例中，将最大功率点追踪控制PI外环、母线控制PI外环、功率控制PI外环进行独立控制。在本发明的优选实施例中，将所述最大功率点追踪控制PI外环、母线控制PI外环、功率控制PI外环的最小输出值作为电感电流控制PI内环的参考值。
在本发明的更进一步的优选实施例中，将所述最大功率点追踪控制PI外环、母线控制PI外环、功率控制PI外环的积分进行平滑处理以保证环路切换平滑，其主要是把其他外环的积分值用最小值所对应外环的积分值减去当前自身环路的误差值进行替代，实现流程如图6所示。
即首先判断是否是最大功率点追踪控制，如果不是依次判断是否是母线控制或功率控制。如果是，则将执行最大功率点追踪控制PI外环或执行母线控制外环或执行功率控制外环，然后将输出值设置为所述最大功率点追踪控制PI外环、母线控制PI外环、功率控制PI外环的最小输出值。然后判断最小输出值是否为最大功率点追踪控制PI外环的输出值，如果不是则判断是否为母线控制PI外环的输出值，如果是则将母线控制PI外环积分设置成等于采用所述最小积分值减去当前自身环路误差，即Integral[BUS]＝Integral[MPPT]-Error[BUS]，同理，将功率控制PI外环积分设置成等于采用所述最小积分值减去当前自身环路误差，即Integral[POWER]＝Integral[MPPT]-Error[POWER]。当最小输出值为母线控制PI外环的输出值时，Integral[POWER]＝Integral[BUS]-Error[POWER]；Integral[MPPT]＝Integral[BUS]-Error[MPPT]。同理，当最小输出值为功率控制PI外环的输出值时，Integral[MPPT]＝Integral[POWER]-Error[MPPT]；Integral[MPPT]＝Integral[POWER]-Error[MPPT]。
实施本发明的多变量、多目标的PI双闭环控制方法，通过将所述响应速度要求最高的所述控制变量作为唯一的所述内环控制变量，将其余的控制变量作为外环控制变量，能够在满足控制要求的同时保证响应速度、实现多变量和多目标控制。进一步地，通过对外环积分进行平滑处理，可以确保环路切换平滑。并且本发明的方法运算简单、易于实现，效果明显，易于推广。
本发明的多变量、多目标的PI双闭环控制方法；首先分析系统的控制目标，判断不同控制目标对响应速度的要求，确定内环控制变量与外环控制变量，具体过程是将对响应速度要求最高的变量作为唯一的内环控制变量，其他的变量均作为外环控制变量且多个外环并联输出作为内环的参考值；其次，对每一个控制变量均做独立的PI环路控制，构建控制框图；再次，分析控制框图，推导传递函数，判断系统稳定运行的条件；最后，分析PI外环并联切换方法：第一，多个PI外环独立控制互不干扰；第二，选取PI外环控制环路输出的最小值作为PI内环控制的参考值；第三，对PI外环的积分做特殊处理，保证环路切换平滑。本发明在保证动态响应的情况下，可以实现多变量、多目标控制。
本发明还涉及一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现所述的多变量、多目标的PI双闭环控制方法。本文件中的计算机程序所指的是：可以采用任何程序语言、代码或符号编写的一组指令的任何表达式，该指令组使系统具有信息处理能力，以直接实现特定功能，或在进行下述一个或两个步骤之后实现特定功能：a)转换成其它语言、编码或符号；b)以不同的格式再现。
因此，本发明可以通过硬件、软件或者软、硬件结合来实现。本发明可以在至少一个计算机系统中以集中方式实现，或者由分布在几个互连的计算机系统中的不同部分以分散方式实现。任何可以实现本发明方法的计算机系统或其它设备都是可适用的。常用软硬件的结合可以是安装有计算机程序的通用计算机系统，通过安装和执行程序控制计算机系统，使其按本发明方法运行。
以上借助于说明指定的功能和关系的方法步骤对本发明进行了描述。为了描述的方便，这些功能组成模块和方法步骤的界限和顺序在此处被专门定义。然而，只要给定的功能和关系能够适当地实现，界限和顺序的变化是允许的。任何上述变化的界限或顺序应被视为在权利要求保护的范围内。
以上还借助于说明某些重要功能的功能模块对本发明进行了描述。为了描述的方便，这些功能组成模块的界限在此处被专门定义。当这些重要的功能被适当地实现时，变化其界限是允许的。类似地，流程图模块也在此处被专门定义来说明某些重要的功能，为广泛应用，流程图模块的界限和顺序可以被另外定义，只要仍能实现这些重要功能。上述功能模块、流程图功能模块的界限及顺序的变化仍应被视为在权利要求保护范围内。
虽然本发明是通过具体实施例进行说明的，本领域技术人员应当明白，在不脱离本发明范围的情况下，还可以对本发明进行各种变换及等同替代。另外，针对特定情形或材料，可以对本发明做各种修改，而不脱离本发明的范围。因此，本发明不局限于所公开的具体实施例，而应当包括落入本发明权利要求范围内的全部实施方式。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种多变量、多目标的PI双闭环控制方法，其特征在于，包括：
S1、将系统的各个控制小目标中响应速度要求最高的控制变量作为唯一的内环控制变量，将其余的控制变量作为外环控制变量；
S2、对每个控制变量进行独立的PI环路控制并构建控制框图，分析所述控制框图、推导传递函数并确定所述系统的稳定运行条件；
S3、选择PI外环并联切换控制方式；
所述步骤S2进一步包括：
S21、对每个控制变量进行独立的PI环路控制并构建控制框图；
S22、任意选取一个PI外环与PI内环组成经典二阶控制系统；
S23、对所述经典二阶控制系统进行分析以获得所述PI双闭环控制的控制参数；
S24、确定每个PI环路的传递函数和控制参数；
所述步骤S3进一步包括：
S31、对于每个所述PI外环进行独立控制；
S32、选取所述PI外环中的最小输出值作为所述PI内环的参考值；
S33、对多个所述PI外环的积分进行平滑处理以保证环路切换平滑；
所述步骤S33进一步包括：
S331、记录所述最小输出值对应的所述PI外环的积分值为最小积分值；
S332、其他所述PI外环分别采用所述最小积分值减去当前自身环路误差以获得自身的平滑积分值；
所述方法应用于光伏储能并网系统中的BOOST升压电路，所述光伏储能并网系统包括依次连接的光伏组件、BOOST升压电路、母线电容器以及通过LLC电路挂接在所述母线电容两端的电池；
各个所述控制小目标包括：实现最大功率点追踪，稳定母线电压，控制所述光伏组件的输出功率和控制BOOST电感电流；将所述响应速度要求最高的BOOST电感电流作为唯一的所述内环控制变量，将其余的控制变量作为所述外环控制变量；
所述步骤S3进一步包括：
将最大功率点追踪控制PI外环、母线控制PI外环、功率控制PI外环进行独立控制；
将所述最大功率点追踪控制PI外环、母线控制PI外环、功率控制PI外环的最小输出值作为电感电流控制PI内环的参考值；
将所述最大功率点追踪控制PI外环、母线控制PI外环、功率控制PI外环的积分进行平滑处理以保证环路切换平滑。
2.根据权利要求1所述的多变量、多目标的PI双闭环控制方法，其特征在于，所述步骤S1进一步包括：
S11、将所述系统的控制目标分解为多个所述控制小目标；
S12、分析每个控制小目标对应的所述控制变量的所述响应速度要求；
S13、将所述响应速度要求最高的所述控制变量作为唯一的所述内环控制变量；
S14、将其余的控制变量作为外环控制变量，并将多个PI外环并联输出作为PI内环的参考值。
3.根据权利要求2所述的多变量、多目标的PI双闭环控制方法，其特征在于，每次调节中，所述PI内环均参与控制而仅一个所述PI外环参与控制以实现所述PI双闭环控制；在所述步骤S2中，任意所述PI外环与所述PI内环所组成传递函数均相同，以确定所述系统的稳定运行条件。
4.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现根据权利要求1-3中任意一项权利要求所述的多变量、多目标的PI双闭环控制方法。
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Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| Energy Management and Coordinated Control Strategy of PV/HESS AC Microgrid During Islanded Operation;Sufang Wen et al.;《IEEE Access 》;第7卷;第页 * |
| 用于光储发电系统的三端口变换器控制策略研究;俞鑫春等;《电器与能效管理技术》(第1期);第43-48、79页 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN112671038A (zh) | 2021-04-16 |
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