CN116880159B - 一种电动汽车并网变换器的智能pid控制方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种电动汽车并网变换器的智能PID控制方法及装置，属于电动汽车并网变换器技术领域。所述控制方法包括：构建电动汽车的并网变换器的并网变换器模型；构建电动汽车的并网变换器的智能PID控制系统模型；采用滑模观测器对并网变换器模型中的系统扰动进行估计，获得系统扰动的观测值；将系统扰动的观测值带入所述智能PID控制系统模型，得到电动汽车的并网变换器的智能PID控制系统方程；基于所述智能PID控制系统方程对电动汽车的并网变换器进行控制。本发明通过滑模观测器对未知的系统扰动进行估计，实现对含未知扰动下的系统精确控制，并且通过设置可变的控制参数，使得并网变换器能够适应复杂多变的运行环境。
Description
技术领域
本发明涉及电动汽车并网变换器技术领域，特别是涉及一种电动汽车并网变换器的智能PID控制方法及装置。
背景技术
近年来，直流微电网在众多工业领域中得到了广泛的应用。但随着大量电动汽车接入直流微电网，其间歇性、波动性、离散性等不确定因素产生的扰动使得微电网的稳定性面临挑战。
电动汽车并网变换器具有高效率、高功率密度、可靠性强等优点，其作为源荷并网的关键设备，对维持微电网稳定性有着重要作用。因此，提升电动汽车并网变换器的稳定性至关重要。
对于电动汽车并网变换器，有学者采用传统线性PI方法进行控制；有文献提出了一种考虑损耗的线性化控制方法；有文献提出了一种线性自抗扰控制的双向变换器调节方法。然而，上述控制方法为基于小信号扰动的线性控制方法，当遇到较大扰动时，动态响应性能差，系统难以稳定。对此，学者提出基于大信号扰动的直流变换器控制策略。有文献提出了一种反步控制的复合非线性控制方法；有文献提出了一种分布式控制方法；有文献提出了一种基于大信号建模的高阶滑模控制方法。但上述现有方法对含未知扰动下的系统无法精确控制，并且控制方法中控制系数固定无法智能调节，使得并网变换器无法适应复杂多变的运行环境。
发明内容
本发明的目的是提供一种电动汽车并网变换器的智能PID控制方法及装置，以实现对含未知扰动下的系统精确控制，并使得并网变换器能够适应复杂多变的运行环境。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
本发明提供一种电动汽车并网变换器的智能PID控制方法，所述控制方法包括如下步骤：
构建电动汽车的并网变换器的并网变换器模型；
构建电动汽车的并网变换器的智能PID控制系统模型；所述智能PID控制系统模型中的调整增益可变；
采用滑模观测器对并网变换器模型中的系统扰动进行估计，获得系统扰动的观测值；
将系统扰动的观测值带入所述智能PID控制系统模型，得到电动汽车的并网变换器的智能PID控制系统方程；
基于所述智能PID控制系统方程对电动汽车的并网变换器进行控制。
可选的，构建电动汽车的并网变换器的并网变换器模型为：
；
其中，Uo为并网变换器的直流母线电压输出值，D为并网变换器的控制输入量，为控制系数，B为并网变换器模型中的系统扰动。
可选的，构建电动汽车的并网变换器的智能PID控制系统模型为：
；
其中，D为并网变换器的控制输入量，e为并网变换器的直流母线电压误差，，Uo为并网变换器的直流母线电压输出值，B为并网变换器模型中的系统扰动，Uod为并网变换器的直流母线电压参考值，/>为控制系数，/>为智能PID控制系统模型的比例调整增益。
可选的，采用滑模观测器对并网变换器模型中的系统扰动进行估计，获得系统扰动的观测值为：
；
其中，为系统扰动的观测值，/>为符号函数，/>为滑模观测器状态增益，，/>为并网变换器的直流母线电压输出值与滑模观测器的观测值之间误差。
可选的，将系统扰动的观测值带入所述智能PID控制系统模型，得到电动汽车并网变换器的智能PID控制系统方程为：
；
其中，D为并网变换器的控制输入量，e为并网变换器的直流母线电压误差，，Uo为并网变换器的直流母线电压输出值，Uod为并网变换器的直流母线电压参考值，/>为滑模观测器状态增益，/>，/>为符号函数，/>为并网变换器的直流母线电压输出值与滑模观测器的观测值之间误差，/>为控制系数，/>为智能PID控制系统模型的比例调整增益。
可选的，基于所述智能PID控制系统方程对电动汽车的并网变换器进行控制，具体包括：
实时获取并网变换器的直流母线电压误差；
将实时获取的并网变换器的直流母线电压误差带入智能PID控制系统方程，获取并网变换器的控制输入量；
基于并网变换器的控制输入量对电动汽车并网变换器进行实时控制。
一种电动汽车并网变换器的智能PID控制装置，所述控制装置应用上述的控制方法，所述控制装置包括：
并网变换器模型构建模块，用于构建电动汽车的并网变换器的并网变换器模型；
智能PID控制系统模型构建模块，用于构建电动汽车的并网变换器的智能PID控制系统模型；所述智能PID控制系统模型中的调整增益可变；
系统扰动估计模块，用于采用滑模观测器对并网变换器模型中的系统扰动进行估计，获得系统扰动的观测值；
智能PID控制系统方程获取模块，用于将系统扰动的观测值带入所述智能PID控制系统模型，得到电动汽车并网变换器的智能PID控制系统方程；
控制模块，用于基于所述智能PID控制系统方程对电动汽车的并网变换器进行控制。
一种电子设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述的控制方法。
一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被执行时实现上述的控制方法。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明实施例提供一种电动汽车并网变换器的智能PID控制方法及装置，所述控制方法包括如下步骤：构建电动汽车的并网变换器的并网变换器模型；所述并网变换器模型中的调整增益可变；构建电动汽车的并网变换器的智能PID控制系统模型；采用滑模观测器对并网变换器模型中的系统扰动进行估计，获得系统扰动的观测值；将系统扰动的观测值带入所述智能PID控制系统模型，得到电动汽车的并网变换器的智能PID控制系统方程；基于所述智能PID控制系统方程对电动汽车的并网变换器进行控制。本发明通过滑模观测器对未知的系统扰动进行估计，实现对含未知扰动下的系统精确控制，并且通过设置可变的控制参数，使得并网变换器能够适应复杂多变的运行环境。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的一种电动汽车并网变换器的智能PID控制方法的流程图；
图2为本发明实施例提供的智能PID控制系统方程的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种电动汽车并网变换器的智能PID控制方法及装置，以实现对含未知扰动下的系统精确控制，并使得并网变换器能够适应复杂多变的运行环境。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
实施例1
本发明实施例提供一种电动汽车并网变换器的智能PID控制方法，如图1所示，所述控制方法包括如下步骤：
步骤101，构建电动汽车的并网变换器的并网变换器模型。
并网变换器为基于单个控制变量和单输出变量的单输入单输出系统，系统中不确定扰动（即系统扰动）用一个可变参数描述，则并网变换器模型可表达为
(1)
其中，Uo为并网变换器的直流母线电压输出值，D为并网变换器的控制输入量，为控制系数，B为并网变换器模型中的系统扰动。
步骤102，构建电动汽车的并网变换器的智能PID控制系统模型。所述智能PID控制系统模型中的调整增益可变。
定义并网变换器的直流母线电压误差e为：
(2)
式中，Uo为并网变换器的直流母线电压输出值，Uod为并网变换器的直流母线电压参考值。
根据智能比例积分微分（iPID）控制，确定并网变换器的控制输入量D的表达式为：
(3)
式中：KP为智能PID控制系统模型的比例调整增益，为控制系数。
步骤103，采用滑模观测器对并网变换器模型中的系统扰动进行估计，获得系统扰动的观测值。
采用滑模观测器对式(1)中未知项（即并网变换器模型中的系统扰动B）进行精确估计。
根据式(1)，设计滑模观测器为：
(4)
式中：为符号函数；k1>0，为滑模观测器状态增益；/>为滑模观测器的观测值。
定义滑模面为：
(5)
其中，s1为滑模观测器中滑模面，为并网变换器的直流母线电压输出值与滑模观测器的观测值之间误差。
求导式(5)可得：
(6)
将式(1)和式(4)代入式(6)可得：
(7)
将式(6)代入式(7)可得：
(8)
系统扰动的观测值为：
(9)
步骤104，将系统扰动的观测值带入所述智能PID控制系统模型，得到电动汽车的并网变换器的智能PID控制系统方程。
将式(9)代入式(3)，可得并网变换器的智能PID控制系统方程为：
(10)
步骤105，基于所述智能PID控制系统方程对电动汽车的并网变换器进行控制。
本发明实施例中的智能PID控制系统方程的结构框图如图2所示，如图2中，Uo为并网变换器的直流母线电压输出值；Uod为并网变换器的直流母线电压参考值；d/dt为Uod微分值；e为并网变换器的直流母线电压误差；KP为智能PID控制系统模型的比例调整增益；为控制系数；D为并网变换器的控制输入量；随机扰动为电动汽车投切后对直流母线电压造成的扰动；/>为并网变换器的直流母线电压输出值与滑模观测器的观测值/>之间误差；sgn()为符号函数；k1为滑模观测器状态增益；/>为系统扰动的观测值。本发明实施例通过将实时的并网变换器的直流母线电压输出值Uo与并网变换器的直流母线电压参考值Uod相比较，可得并网变换器的直流母线电压误差e，再经过智能PID控制器和滑模观测器实时计算，得到并网变换器的控制输入量D，进而保证快速平稳地调节直流母线电压，维持直流微电网的稳定性。
其详细控制流程如下：首先，通过滑模观测器将采集得到的并网变换器的直流母线电压输出值Uo与并网变换器的直流母线电压参考值Uod作差得到滑模面s1，再根据式(9)经过sgn()及k1计算后得到系统扰动的观测值；具体的，根据式(1)—式(9)，通过智能PID控制器将并网变换器的直流母线电压参考值Uod与并网变换器的直流母线电压输出值Uo作差得到并网变换器的直流母线电压误差e，再将KP与e相乘值与Uod的微分值和系统扰动的观测值/>运算后，根据式(10)可得到控制律D，根据D=TP/T设计每个开关管PWM信号的移相时间，进而快速平稳地调节直流母线电压，维持直流微电网的稳定性，其中，TP为开关管PWM信号的移相时间，T为并网变换器的开关管的开关周期，。
实施例2
本发明实施例2提供一种电动汽车并网变换器的智能PID控制装置，所述控制装置应用上述的控制方法，所述控制装置包括：
并网变换器模型构建模块，用于构建电动汽车的并网变换器的并网变换器模型。
智能PID控制系统模型构建模块，用于构建电动汽车的并网变换器的智能PID控制系统模型，所述智能PID控制系统模型中的调整增益可变。
系统扰动估计模块，用于采用滑模观测器对并网变换器模型中的系统扰动进行估计，获得系统扰动的观测值。
智能PID控制系统方程获取模块，用于将系统扰动的观测值带入所述智能PID控制系统模型，得到电动汽车并网变换器的智能PID控制系统方程；
控制模块，用于基于所述智能PID控制系统方程对电动汽车的并网变换器进行控制。
实施例3
本发明实施例3提供一种电子设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述的控制方法。
实施例4
本发明实施例4提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被执行时实现上述的控制方法。
综上，实施本发明的实施例，具有如下的有益效果：
本发明解决了传统方法含未知扰动下的系统无法精确控制，并且控制方法无法智能调节，使得并网变换器无法适应复杂多变的运行环境的问题。本发明采用基于滑模观测器的智能PID控制方法来对电动汽车并网变换器进行控制。引入滑模观测器估计智能PID控制中的未知项（即并网变换器模型中的系统扰动），提升控制效果；根据电动汽车并网变换器输入输出状态设计智能PID控制系统模型，增强电动汽车并网变换器的适应能力，保障其输出电压的稳定性，实现电动汽车并网变换器的自适应和稳定性。
本发明适用于并网变换器，具有良好的技术经济性，具体效果如下：
1.本发明实施例使用的智能PID控制方法可以根据并网变换器的工作状态自适应调节，有效的提高了变换器的效率和自适应能力。
2.本发明实施例使用的滑模观测精确估计系统中的未知不确定扰动，有效提升控制效果。
3.本发明实施例使用的基于滑模观测器的电动汽车并网变换器的智能PID控制方法可以在各种扰动下均可使直流母线电压均具有良好的稳定性及鲁棒性。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (8)
1.一种电动汽车并网变换器的智能PID控制方法，其特征在于，所述控制方法包括如下步骤：
构建电动汽车的并网变换器的并网变换器模型；
构建电动汽车的并网变换器的智能PID控制系统模型；所述智能PID控制系统模型中的调整增益可变；
采用滑模观测器对并网变换器模型中的系统扰动进行估计，获得系统扰动的观测值；
将系统扰动的观测值带入所述智能PID控制系统模型，得到电动汽车的并网变换器的智能PID控制系统方程为：
其中，D为并网变换器的控制输入量，e为并网变换器的直流母线电压误差，e＝Uod-Uo，Uo为并网变换器的直流母线电压输出值，Uod为并网变换器的直流母线电压参考值，k1为滑模观测器状态增益，k1＞0，sgn()为符号函数，为并网变换器的直流母线电压输出值与滑模观测器的观测值之间误差，a为控制系数，KP为智能PID控制系统模型的比例调整增益；
基于所述智能PID控制系统方程对电动汽车的并网变换器进行控制。
2.根据权利要求1所述的电动汽车并网变换器的智能PID控制方法，其特征在于，构建电动汽车的并网变换器的并网变换器模型为：
其中，Uo为并网变换器的直流母线电压输出值，D为并网变换器的控制输入量，a为控制系数，B为并网变换器模型中的系统扰动。
3.根据权利要求1所述的电动汽车并网变换器的智能PID控制方法，其特征在于，构建电动汽车的并网变换器的智能PID控制系统模型为：
其中，D为并网变换器的控制输入量，e为并网变换器的直流母线电压误差，e＝Uod-Uo，Uo为并网变换器的直流母线电压输出值，B为并网变换器模型中的系统扰动，Uod为并网变换器的直流母线电压参考值，a为控制系数，KP为智能PID控制系统模型的比例调整增益。
4.根据权利要求1所述的电动汽车并网变换器的智能PID控制方法，其特征在于，采用滑模观测器对并网变换器模型中的系统扰动进行估计，获得系统扰动的观测值为：
其中，为系统扰动的观测值，sgn()为符号函数，k1为滑模观测器状态增益，k1＞0，为并网变换器的直流母线电压输出值与滑模观测器的观测值之间误差。
5.根据权利要求1所述的电动汽车并网变换器的智能PID控制方法，其特征在于，基于所述智能PID控制系统方程对电动汽车的并网变换器进行控制，具体包括：
实时获取并网变换器的直流母线电压误差；
将实时获取的并网变换器的直流母线电压误差带入智能PID控制系统方程，获取并网变换器的控制输入量；
基于并网变换器的控制输入量对电动汽车并网变换器进行实时控制。
6.一种电动汽车并网变换器的智能PID控制装置，其特征在于，所述控制装置应用权利要求1-5任一项所述的控制方法，所述控制装置包括：
并网变换器模型构建模块，用于构建电动汽车的并网变换器的并网变换器模型；
智能PID控制系统模型构建模块，用于构建电动汽车的并网变换器的智能PID控制系统模型；所述智能PID控制系统模型中的调整增益可变；
系统扰动估计模块，用于采用滑模观测器对并网变换器模型中的系统扰动进行估计，获得系统扰动的观测值；
智能PID控制系统方程获取模块，用于将系统扰动的观测值带入所述智能PID控制系统模型，得到电动汽车并网变换器的智能PID控制系统方程；
控制模块，用于基于所述智能PID控制系统方程对电动汽车的并网变换器进行控制。
7.一种电子设备，其特征在于，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现如权利要求1至5中任一项所述的控制方法。
8.一种计算机可读存储介质，其特征在于，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被执行时实现如权利要求1至5中任一项所述的控制方法。
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN116880159A (zh) | 2023-10-13 |
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