新型復合控制數字逆變電源研究

蔣傳榮

（海華電子企業(中國)有限公司，廣州 510656）

1 引言

PID控制方法對階躍信號可以做到無靜差跟隨，具有較快的動態響應特性和較強的魯棒性，但將其數字化后應用到正弦波逆變電源系統中，由于各種因素的影響，其穩態輸出特性差。

重復控制的思想是基于內模原理的一種控制方法。它含有正弦的內模，不管什么形式的信號，只要其頻率是基波頻率的倍數，則該輸出就會對其進行逐周期累加。既便輸入信號衰減為零，該內模仍然會逐周期輸出與上周期相同的信號。因而可以看出該重復控制與積分環節的區別在于：積分是對誤差進行連續時間的累加，而重復控制是對誤差以周期為步長的累加。重復控制雖然對周期性擾動有很好的抑制能力，但是對非周期的擾動的響應速度慢，因此，抑制能力較差。在很多情況下，如突加負載、突減負載時，擾動是階躍的、非周期的，但是重復控制器仍然將擾動周期出現的誤差在隨后的周期中試圖來糾正，但是在隨后的周期中擾動并不存在，因此導致控制錯誤。與此相反PID控制含有的積分環節1/s是描述階躍信號的數學模型，因此含有積分環節1/s的系統對階躍指令可以做到無靜差跟蹤。本文提出了一種基于重復控制與PID控制相結合的控制方法，該控制方法集成了兩種控制方法優點，既具有高質量的穩態波形，又具有對非周期負載擾動有較快的響應速度。

2 工作原理

理想的重復控制器其極點分布在虛軸上，處于臨界穩定狀態，系統的穩定性較差。為了保證穩定性，重復控制通常采用改進型內模，如圖1所示的重復控制器模塊。圖1中：S（z）為補償器，用來對功率級的特性進行補償；Q（z）重復發生器的衰減因子，通常|Q（z）|＜1用于提高系統的穩定性，克服對象模型不準確對控制穩定性的影響。則該重復控制器的傳遞函數為

圖1 重復控制器

由傳遞函數可以看出重復控制的誤差信號，在經過N個時鐘周期的延遲才會反映到輸出的控制信號上，因此其負載瞬態響應特性差。因為提高非周期擾動是重復控制必須解決的問題，根據內模原理，要完全消除階躍信號擾動，則在控制傳遞函數中必須包含1/s傳遞函數?？梢钥紤]將PID控制器或者零極點配置控制器融合到重復控制中以提高對非周期擾動的響應速度。因此，考慮采用如圖2所示的控制策略。

圖2 復合控制框圖

這樣反饋控制信號由兩種控制方法共同產生，因此，控制效果會兼有兩種控制方法的各自特點。由于控制信號始終都是由兩個控制器共同產生的，因此，在非周期擾動下重復控制器產生的錯誤的控制信號仍然會對系統產生影響。同理，我們可以想象到在周期性負載沖擊下PID控制器也會產生錯誤的控制信號，但是該錯誤信號可以在重復控制器多個周期識別后給予抵消，因此，影響相對較小。通過以上分析可知，在周期性或者非周期性兩種不同的負載擾動沖擊下，如果可以僅使其中正確的一種控制信號輸出給受控目標，則可以避免錯誤的控制信號對系統的影響，如圖3所示。這其中最關鍵的一點就是控制器對周期性和非周期性兩種擾動信號的識別問題，如果可以做到正確識別，以上的控制思想就可以實現了。

圖3 新型復合控制框圖

如圖4所示，為突加、突減負載時輸出電壓、輸出電流和控制輸出的響應波形。由圖4可以看出，擾動是非周期的、一次性的，但是重復控制器仍然將擾動周期出現的誤差在隨后的周期中試圖來糾正，但是在隨后的周期中擾動并不存在，因此，導致輸出的波形動態響應比較差。實現周期性和非周期性兩種擾動信號識別的最簡單方法是做如下判斷，即|e(n)-e(n-N)|＞emax

即當前的誤差信號與上一個周期的誤差信號的差值的絕對值是否大于給定的某個值emax，當大于emax時認為系統出現了非周期性擾動，在隨后的一個周期內采用PID控制器輸出的控制信號，同時將重復控制器的輸出信號置零；否則將PID控制器的輸出置零，僅采用重復控制器進行控制。采用本控制方法的通過仿真得出PID控制可以在短時間內將非周期擾動的影響消除，并且從檢測到非周期擾動出現隨后的一個周期內由PID控制器產生控制信號，而在此時間段內重復控制器需將以前重復積累的誤差信號清除，而僅采用PID控制的這個周期的信號開始重新積累誤差，從而完全消除了目前不存在的以前積累的誤差的影響。

通過實驗可看到輸出波形的動態響應，由圖4可以看出重復控制在負載移除后，波形需要經過多個周期調整才能恢復正常。而PID控制在短時間內就可以將擾動的影響消除，并不會影響隨后的輸出波形，但輸出波形品質較差。采用復合控制在移除負載時響應波形，從圖中可看出在瞬態時PID控制可以在短時間內（與輸出電壓的周期相比，時間很短）將非周期擾動的影響消除，在穩態時重復控制可以保證輸出高質量的正弦波形，使輸出波形達到最優效果。

3 試驗結果

根據以上分析，本文對數字PID控制、重復控制以及新型復合控制進行了一系列實驗研究。系統參數如下：輸入直流電壓380V，輸出額定功率2kVA電壓115V，400Hz，開關頻率25.6kHz，輸出濾波電感0.8mH，輸出濾波電容30μF，負載電阻7Ω?？刂菩酒捎酶咚傩盘柼幚砥鱐MS320F240。實驗波形如圖4-圖9，實驗數據見表1所示。

圖4 PID控制輸出電壓包絡

圖5 PID控制突減負載瞬態電壓波形

圖6 重復控制輸出電壓包絡

圖7 重復控制突減負載瞬態電壓波形

圖8 新型復合控制輸出電壓包絡

圖9 新型復合控制突減負載瞬態電壓波形

從實驗結果可以看出,僅有PID控制時,系統輸出電壓畸變較大,總諧波畸變率超過5%,但系統負載突變時波動較小。只有重復控制時,系統穩態輸出波形質量好,總諧波畸變率小于1%,但系統負載突變時輸出電壓波動大、調整時間長。采用新型復合控制方案后,系統同時得到了滿意的穩態輸出波形和動態效果。

4 結論

新型復合控制策略吸取了PID控制和重復控制的長處,克服了它們各自的不足,使系統得到了較為理想的穩態特性和動態特性。實驗結果證明,該控制策略是一種實用的正弦波逆變電源控制方案,可廣泛應用到各種逆變電源系統中。

[1]刁元均.基于DSP的逆變電源數字控制技術的研究.2007-西南交通大學：電力電子與電力傳動.