CN113359410B - 一种数字变pi控制器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种数字变PI控制器，包括：变PI控制单元和PI控制器；所述变PI控制单元通过检测目标量与反馈量之间的偏差，将系统状态划分为稳态区间和动态区间；所述PI控制器根据当前系统状态，输出预设的PI参数。本发明能够完全兼顾系统的动态性和稳态性，明显提升系统的性能。相比于现有技术，一方面由于稳态区间的设置，无需担心发散问题，所以可以在动态区间设置较大的PI参数来抑制被控对象的超调；另一方面从动态区间切换到稳态区间时调节量连续变化，所以被控对象不会发生扰动，动态调节过程更为平滑。
Description
技术领域
本发明涉及自动控制领域，尤其涉及一种数字变PI控制器。
背景技术
PI控制器具有优良的动态特性和稳态特性，广泛应用于电力电子领域的闭环控制。但是在性能要求较高的场合，单纯采用固定的PI控制器难以满足要求，由于数字控制器的灵活性，可以采用变PI控制器。常规的数字变PI控制器采用多级PI参数，这种方案一般能兼顾动态性和稳态性，但是在PI参数切换暂态，调节量会产生突变，从而使被控对象也产生较大的扰动。并且PI参数分级越少，切换瞬间产生的扰动就越大；PI参数分级越多，虽然会减小切换瞬间的扰动，但是分级多一方面控制器的设计相对复杂，另一方面分级多会导致每级之间的判断条件比较接近，可能引起误判断导致系统进一步发散。
发明内容
有鉴于此，针对以上技术问题，本发明提供了一种数字变PI控制器。本发明。
本发明提供的一种数字变PI控制器，具体包括以下：
变PI控制单元和PI控制器；
所述变PI控制单元通过检测目标量与反馈量之间的偏差，将系统状态划分为稳态区间和动态区间；
所述PI控制器根据当前系统状态，输出预设的PI参数。
进一步地，当检测目标量与反馈量之间的偏差超出预设的边界范围时，系统进入动态区间。
进一步地，当检测目标量与反馈量之间的偏差从动态区间反向过0时，系统进入稳态区间。
进一步地，当系统处于稳态区间时，所述PI控制器增益G v 为1。
当系统处于动态区间时，所述PI控制器的增益G v 为：
其中k为变PI增益的斜率；U border 为稳态区间的边界；U error 为检测目标量与反馈量之间的偏差。
本发明提供的有益效果是：能够完全兼顾系统的动态性和稳态性，能够明显提升系统的性能。相比于现有技术，一方面由于稳态区间的设置，无需担心发散问题，所以可以在动态区间设置较大的PI参数来抑制被控对象的超调；另一方面从动态区间切换到稳态区间时调节量连续变化，所以被控对象不会发生扰动，调节过程更为平滑。
附图说明
图1是本发明一种数字变PI控制器的区间切换示意图；
图2是单相PFC稳态时输出电压示意图；
图3为突加满载时输出电压与变PI增益的对应关系图；
图4是本发明一种数字变PI控制器的控制方法流程图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地描述。
一种数字变PI控制器，包括以下：
变PI控制单元和PI控制器；
所述变PI控制单元通过检测目标量与反馈量之间的偏差，将系统状态划分为稳态区间和动态区间；
所述PI控制器根据当前系统状态，输出预设的PI参数。
请参考图1，图1是数字变PI控制器区间切换示意图；当检测目标量与反馈量之间的偏差超出预设的边界范围时，系统进入动态区间。
当检测目标量与反馈量之间的偏差从动态区间反向过0时，系统进入稳态区间。
处于稳态区间，采用较小的PI参数以满足系统的稳态性能，比如输出电压纹波。动态区间，采用较大的PI参数以满足系统的动态性能，比如输出电压超调。
下面，本申请以单相PFC为例，对本申请的内容进一步解释说明；
请参考图2，图2是单相PFC稳态时输出电压示意图；图2中，目标电压为水平直线；BUS电压为含交流分量的正弦曲线；
单相PFC由于其输出电容由于体积和成本的限制容量不可能无限大，所以稳态时输出电压存在一定的纹波。为了避免电压环引入较大的3次谐波到电流环，电压环的带宽一般设计较小，而为了保证系统的动态性，电压环的带宽需要设计较大，为了解决以上矛盾，可采用变PI控制器。
为了保证动态时的电流波形质量，稳态区间的边界U border 必须大于ΔU bus ，并留一定的裕量，稳态区间中变PI增益G v 为1。
动态区间中，变PI增益由系统的动态要求决定，G v 由以下公式计算得到：
其中U error 为电压环的偏差，k和b分别为变PI增益的斜率和截距。
为了保证PI参数变化的连续性，在稳态区间的边界U border 处对应G v 为1，由此计算得到：
结合上面两式计算得到：
实际中可根据系统对动态响应的要求调节k值即可。
k值越大，系统的动态响应速度越快，U border 越大，系统的稳定性越好。请参考图3，图3为突加满载时输出电压与变PI增益的对应关系图，图3中，最上面的波形图，目标电压为水平直线，BUS电压为曲线；当输出电压跌落时，变PI增益G v 迅速增大并快速抑制输出电压的进一步跌落。
请参考图4，图4是本发明一种数字变PI控制器的控制方法流程图；
控制开始后，变PI控制单元获取目标量与反馈量之间的偏差，若偏差超过设定窗口，则系统切换到动态区间，根据动态区间变PI的公式计算出G v 参数；若偏差反向过零，则系统切换到稳态区间，强制G v 等于1。变PI控制单元输出的变增益G v 用于修正PI控制器的比例和积分参数，然后执行PI运算，最终计算得到被控对象的调节量。
本发明的有益效果是：能够完全兼顾系统的动态性和稳态性，能够明显提升系统的性能。相比于现有技术，一方面由于稳态区间的设置，无需担心发散问题，所以可以在动态区间设置较大的PI参数来抑制被控对象的超调；另一方面从动态区间切换到稳态区间时调节量连续变化，所以被控对象不会发生扰动，调节过程更为平滑。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，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、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种数字变PI控制器，其特征在于：包括：
变PI控制单元和PI控制器；
所述变PI控制单元通过检测目标量与反馈量之间的偏差，将系统状态划分为稳态区间和动态区间；
所述PI控制器根据当前系统状态，输出预设的PI参数；
当系统处于动态区间时，所述PI控制器的增益G v 为：
G v =1＋k*(U error －U border )
其中k为变PI增益的斜率；U border 为稳态区间的边界；U error 为检测目标量与反馈量之间的偏差。
2.如权利要求1所述的一种数字变PI控制器，其特征在于：系统从稳态区间切换到动态区间的判断条件为：当检测目标量与反馈量之间的偏差超出预设的边界范围时，系统进入动态区间。
3.如权利要求1所述的一种数字变PI控制器，其特征在于：系统从动态区间切换到稳态区间的判断条件为：当检测目标量与反馈量之间的偏差从动态区间反向过0时，系统进入稳态区间。
4.如权利要求1所述的一种数字变PI控制器，其特征在于：当系统处于稳态区间时，所述PI控制器增益G v 为1。
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