CN112698571B - 双pi协同控制装置及方法 - Google Patents

双pi协同控制装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种双PI协同控制装置及方法，以解决现有的PI控制器静态误差较大的技术问题。本发明由两个PI控制器协同生成，一个PI控制器以当前时刻瞬时误差为激励，采用位置式PI控制方法；另一个PI控制器以上一周期同位置的预测误差为激励，采用增量PI控制方法；两个控制器的输出叠加即为最终控制量。本发明引入预测误差以增量式PI控制给予位置式PI控制补偿，以达到抑制控制静态误差的目的。

Description

双PI协同控制装置及方法
技术领域
本发明涉及电能控制技术领域，具体涉及一种双PI协同控制装置及方法。
背景技术
近年来，随着风能、太阳能、燃料电池等新能源的开发和利用，电力电子变换装置作为连接电网的核心装置得到广泛应用。由于电网对馈入电流谐波含量有严格要求；因此，对并网逆变器输出电流波形进行控制尤为重要。
目前逆变器中的控制算法广泛采用电流控制方案，主要有PI控制，重复控制等；但PI控制在控制较弱时，常常出现较大静态误差。重复控制因受控制系统的影响，常常出现控制发散及控制误差的大情况。
发明内容
本发明提供一种双PI协同控制装置及方法，以解决现有的PI控制器静态误差较大的技术问题。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
设计一种双PI协同控制装置，标准输入电流为i*(n)和实际输出电流为i(n)，还包括瞬时误差生成器、预测误差生成器、协同器，第一PI控制器、第二PI控制器；瞬时误差生成器的输出端和第一PI控制器的输入端对应连接，预测误差生成器的输出端和第二PI控制器的输入端对应连接；瞬时误差生成器的输入端、预测误差生成器的输入端均与标准输入电流为i*(n)对应连接，第一PI控制器的输出端、第二PI控制器的输出端均与协同器的输入端对应连接；协同器的输出端与瞬时误差生成器、预测误差生成器对应连接；协同器的输出端与实际输出电流为i(n)对应连接。
进一步的，瞬时误差生成器包括第一求和器和单位延迟器，协同器的输出端和单位延迟器对应连接，单位延迟器的输出端与第一求和器的第一输入端对应连接，第一求和器的第二输入端与标准输入电流为i*(n)对应连接，第一求和器的输出端与第一PI控制器的输入端对应连接。
进一步的，预测误差生成器包括第二求和器、第一N单位延迟器、第二N单位延迟器，第二求和器的输入端与第一N单位延迟器、第二N单位延迟器对应连接，第二求和器的输出端与第二PI控制器的输入端对应连接；
第一N单位延迟器的输入端与标准输入电流为i*(n)对应连接，N单位延迟器的输入端与协同器的输出端对应连接。
还设计一种双PI协同控制方法，包括：
设置标准输入电流为i*(n)，n为当前时刻点；
采集实际输出的电流，记为实际输出电流i(n)；
将目标输出电流i*(n)和实际输出电流i(n)输入瞬时误差生成器，得到瞬时误差ei(n)＝i*(n)-i(n-1)，其中，n-1为当前时刻的上一时刻；
将目标输出电流i*(n)和实际输出电流i(n)输入预测误差生成器，得到预测误差ep(n)＝i*(n-N)-i(n-N)，其中，N为理想输出电流和实际输出的电流的周期，n-N为上一周期的当前时刻；
将ei(n)输入位置式PI控制器得到第一输出误差ui(n)，将ep(n)输入增量式PI控制器得到第二输出误差up(n)；
将ui(n)和up(n)输入协同器得最终输出误差u(n)；
将u(n)合并入实际输出电流i(n)作为下一时刻的输出电流，即成。
进一步的，获取瞬时误差的方法如下：
将实际输出电流i(n)输入单位延迟器，所得输出与目标输出电流i*(n)相加即为瞬时误差ei(n)。
进一步的，获取预测误差的方法如下：
将实际输出电流i(n)输入第一N单位延迟器，将目标输出电流i*(n)输入第二N单位延迟器，将第一N单位延迟器、第二N单位延迟器的输出相加即为预测误差ep(n)。
进一步的，位置式PI控制器的输入输出关系为：
Figure BDA0002827498080000031
其中e(t)为瞬时误差，Kp为比例系数，Ki为积分系数，u(t)为输出控制量，Ki＝Kp/Ti，Ti为积分时间常数。
进一步的，增量式PI控制器的输入输出关系为：u(n)＝Kp[e(n)-e(n-1)]+KiTe(n)。
与现有技术相比，本发明的有益技术效果在于：
本发明引入预测误差，利用增量式PI控制器将预测误差引导至控制量的产生上，在基本不增加计算量的情况下对位置式PI控制给予补偿，以抑制控制产生的静态误差，达到电流输出稳定的效果。
附图说明
图1为双PI协同控制结构图。
图2为双PI协同控制原理图。
图3为位置式PI控制原理图。
图4为增量PI控制原理图。
图5为传统PI方法控制下的负载输出无功功率和目标输出无功功率的曲线图。
图6为本发明双PI方法控制下的负载输出无功功率和目标输出无功功率的曲线图。
图7为传统PI方法控制下的负载输出无功功率和目标输出无功功率的基波分量的曲线图。
图8为本发明双PI方法控制下的负载输出无功功率和目标输出无功功率的基波分量的曲线图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例来说明本发明的具体实施方式，但以下实施例只是用来详细说明本发明，并不以任何方式限制本发明的范围。
以下实施例中所涉及或依赖的程序均为本技术领域的常规程序或简单程序，本领域技术人员均能根据具体应用场景做出常规选择或者适应性调整。
实施例1：一种双PI协同控制装置，参见图1，包括瞬时误差生成器、预测误差生成器、协同器，第一PI控制器PI1、第二PI控制器PI2；瞬时误差生成器的输出端和第一PI控制器的输入端对应连接，预测误差生成器的输出端和第二PI控制器的输入端对应连接；瞬时误差生成器的输入端、预测误差生成器的输入端均与电网的输出端对应连接，第一PI控制器的输出端、第二PI控制器的输出端均与协同器的输入端对应连接；协同器的输出端与瞬时误差生成器、预测误差生成器对应连接；协同器的输出端与被控对象的输入端对应连接。
上述瞬时误差生成器包括第一求和器和单位延迟器，协同器的输出端和单位延迟器对应连接，单位延迟器的输出端与第一求和器的第一输入端对应连接，第一求和器的第二输入端与电网的输出端对应连接，第一求和器的输出端与第一PI控制器的输入端对应连接。瞬时误差是指当前时刻目标输出值与上一时刻实际输出值之差。若当前时刻点记为n，周期为N，目标输出电流记为i*(n)，实际输出电流记为i(n)，瞬时误差记为ei(n)，则上一时刻是n-1时刻，n时刻的瞬时误差为：ei(n)＝i*(n)-i(n-1)。
上述预测误差生成器包括第二求和器、第一N单位延迟器、第二N单位延迟器，第二求和器的输入端与第一N单位延迟器、第二N单位延迟器对应连接，第二求和器的输出端与第二PI控制器的输入端对应连接。预测误差是指控制对象某一时刻的目标输出值与实际输出值之差，控制对象包括如三相逆变器、有源电力滤波器、有源无功发生器(SVG)、有源三相负荷不平衡调节器等电流变换装置。若当前时刻点记为n，周期为N，目标输出电流记为i*(n)，实际输出电流记为i(n)，预测误差记为ep(n)，则上一周当前位置是n-N时刻，其预测误差为：ep(n)＝i*(n-N)-i(n-N)。
上述协同控制指两个PI控制器输出的线性叠加。若瞬时误差激励的PI控制器输出记为ui(n)，预测误差激励的PI控制器输出记为up(n)，最终输出误差为u(n)，则三者的关系如下：u(n)＝ui(n)+up(n)。
实施例2：一种双PI协同控制方法，参见图2至图4，包括以下步骤：
设置输出信号的标准值i*(n)，n为当前时刻点；
采集实际输出的电流i(n)；
将输出信号的标准值i*(n)和实际输出电流值i(n)输入瞬时误差生成器，得到瞬时误差ei(n)＝i*(n)-i(n-1)，其中，n-1为当前时刻的上一时刻；
将输出信号的标准值i*(n)和实际输出电流值i(n)输入预测误差生成器，得到预测误差ep(n)＝i*(n-N)-i(n-N)，其中，N为理想输出电流和实际输出的电流的周期，n-N为上一周期的当前时刻；
将ei(n)输入位置式PI控制器PI1得到第一输出误差ui(n)，将ep(n)输入增量式PI控制器PI2得到第二输出误差up(n)；
将ui(n)和up(n)输入协同器得最终输出误差u(n)；
将u(n)合并入实际输出电流i(n)作为下一时刻的输出电流，如此循环。
上述瞬时误差ei(n)的获取方法如下：将实际输出电流i(n)输入单位延迟器Z-1，所得输出与目标输出电流i*(n)相加即为瞬时误差ei(n)。
上述预测误差ep(n)的获取方法如下：将实际输出电流i(n)输入第一N单位延迟器Z-(n-N)，将目标输出电流i*(n)输入第二N单位延迟器Z-(n-N)，将第一N单位延迟器Z-(n-N)、第二N单位延迟器Z-(n-N)的输出相加即为预测误差ep(n)。
上述位置式PI控制器PI1的输入输出关系参见图3，连续时间条件下表示为：
Figure BDA0002827498080000061
其中e(t)为瞬时误差，Kp为比例系数，Ki为积分系数，u(t)为输出控制量，Ki＝Kp/Ti，Ti为积分时间常数；离散时间条件下表示为：
Figure BDA0002827498080000062
其中T为采样周期。
上述增量式PI控制器PI2的输入输出关系参见图4，表示为：u(n)＝Kp[e(n)-e(n-1)]+KiTe(n)。
实验例1：将实施例1所述控制方法应用于SVG产品中，输入输出试验结果参见图5至图8，图中左边的曲线表示负载中的无功功率，右边的曲线表示目标输出无功功率，控制的目的是使系统输出的无功功率趋近于负载无功功率，越近静态误差越小。通过比较图5与图6，本发明方法可使得目标输出的无功功率更近于与负载的无功功率，观察图7和图8，可更清晰体现控制输出无功与负载无功的差别，本发明的控制输出无功功率曲线更接近于负载输出无功功率曲线，输出静态误差小于传统PI控制的静态误差，达到改善的目的。
基于上述优点，本发明可应用于有源电力滤波变器、有源无功发生器(SVG)及有源三相负荷不平衡调节器的控制系统。
上面结合附图和实施例对本发明作了详细的说明；但是，所属技术领域的技术人员能够理解，在不脱离本发明构思的前提下，还可以对上述实施例中的各个具体参数进行变更，或者是对相关步骤进行等同替代，从而形成多个具体的实施例，均为本发明的常见变化范围，在此不再一一详述。

Claims (8)

1.一种双PI协同控制装置，包括标准输入电流
Figure 594296DEST_PATH_IMAGE001
和实际输出电流
Figure DEST_PATH_IMAGE002
(n),其特征在于，还包括瞬时误差生成器、预测误差生成器、协同器，第一PI控制器、第二PI控制器；
所述瞬时误差生成器的输出端和所述第一PI控制器的输入端对应连接，所述预测误差生成器的输出端和所述第二PI控制器的输入端对应连接；所述瞬时误差生成器的输入端、所述预测误差生成器的输入端均与标准输入电流
Figure 777015DEST_PATH_IMAGE003
对应连接，所述第一PI控制器的输出端、所述第二PI控制器的输出端均与所述协同器的输入端对应连接；
所述协同器的输出端与所述瞬时误差生成器、所述预测误差生成器对应连接；
所述协同器的输出端与所述实际输出电流
Figure DEST_PATH_IMAGE004
(n)对应连接；
所述协同器为加法器。
2.根据权利要求1所述的双PI协同控制装置，其特征在于，所述瞬时误差生成器包括第一求和器和单位延迟器，所述协同器的输出端和所述单位延迟器对应连接，所述单位延迟器的输出端与所述第一求和器的第一输入端对应连接，所述第一求和器的第二输入端与所述标准输入电流
Figure 884649DEST_PATH_IMAGE001
对应连接，所述第一求和器的输出端与所述第一PI控制器的输入端对应连接。
3.根据权利要求1所述的双PI协同控制装置，其特征在于，所述预测误差生成器包括第二求和器、第一N单位延迟器、第二N单位延迟器，所述第二求和器的输入端与所述第一N单位延迟器、所述第二N单位延迟器对应连接，所述第二求和器的输出端与所述第二PI控制器的输入端对应连接；
所述第一N单位延迟器的输入端与所述标准输入电流
Figure DEST_PATH_IMAGE005
对应连接，所述N单位延迟器的输入端与所述协同器的输出端对应连接。
4.一种双PI协同控制方法，其特征在于，包括：
设置标准输入电流
Figure 296170DEST_PATH_IMAGE001
，n为当前时刻点；
采集实际输出的电流，记为实际输出电流
Figure DEST_PATH_IMAGE006
(n)；
将目标输出电流
Figure DEST_PATH_IMAGE007
和实际输出电流
Figure DEST_PATH_IMAGE008
(n)输入瞬时误差生成器，得到瞬时误差
Figure DEST_PATH_IMAGE009
，其中，n-1为当前时刻的上一时刻；
将目标输出电流
Figure DEST_PATH_IMAGE010
和实际输出电流
Figure 313804DEST_PATH_IMAGE011
(n)输入预测误差生成器，得到预测误差
Figure DEST_PATH_IMAGE012
，其中，N为理想输出电流和实际输出的电流的周期，n-N为上一周期的当前时刻；
将
Figure DEST_PATH_IMAGE013
输入位置式PI控制器得到第一输出误差
Figure DEST_PATH_IMAGE014
，将
Figure 214895DEST_PATH_IMAGE015
输入增量式PI控制器得到第二输出误差
Figure DEST_PATH_IMAGE016
；
将
Figure 809825DEST_PATH_IMAGE017
和
Figure DEST_PATH_IMAGE018
输入协同器得最终输出误差u(n)；
将u(n)合并入实际输出电流
Figure 25036DEST_PATH_IMAGE019
(n)作为下一时刻的输出电流，即成。
5.根据权利要求4所述的双PI协同控制装置，其特征在于，获取瞬时误差的方法如下：
将实际输出电流
Figure DEST_PATH_IMAGE020
(n)输入单位延迟器，所得输出与目标输出电流
Figure 21811DEST_PATH_IMAGE021
相加即为瞬时误差
Figure 749596DEST_PATH_IMAGE013
。
6.根据权利要求4所述的双PI协同控制装置，其特征在于，获取预测误差的方法如下：
将实际输出电流
Figure DEST_PATH_IMAGE022
(n)输入第一N单位延迟器，将目标输出电流
Figure 582554DEST_PATH_IMAGE023
输入第二N单位延迟器，将第一N单位延迟器、第二N单位延迟器的输出相加即为预测误差
Figure DEST_PATH_IMAGE024
。
7.根据权利要求4所述的双PI协同控制装置，其特征在于，所述位置式PI控制器的输入输出关系为：
Figure DEST_PATH_IMAGE025
，其中e(t)为瞬时误差，Kp为比例系数，Ki为积分系数，u(t)为输出控制量，
Figure DEST_PATH_IMAGE026
，Ti为积分时间常数。
8.根据权利要求4所述的双PI协同控制装置，其特征在于，所述增量式PI控制器的输入输出关系为：
Figure DEST_PATH_IMAGE027
。
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CN103414418B (zh) * 2013-07-26 2015-06-17 江苏科技大学 一种直流电机电流pi控制系统的控制方法
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