UPS逆变器的重复控制器参数的仿真分析

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摘要:介绍了重复控制器的基本原理,详述了重复控制器中一个关键参数对系统稳态误差和收敛速度的影响,总结设计该参数的两个方法。通过仿真分析,解释该参数的不同选择方案引起系统稳态精度不同的原因,提出了一些该参数的改进方法。
 

1引言 
在逆变器中,采用SPWM技术,虽然控制方法简单,且易实现,但是同时也带来了很大的谐波成分。为了使逆变器输出在任何负载下都能够保证很高的精度,降低THD,提高系统的动态响应,一些复杂的控制思想已在逆变器的控制系统中得以应用,如滑模变结构控制[1]、极点配置[2]、模糊控制[3]等。重复控制策略最初是用于机械运动领域,但近年来其在逆变器中应用的优势越来越受到关注。这是由于在逆变器中,因非线性负载等众多因素引起的干扰一般都为高频且具有周期性,最终这种性质的干扰将导致输出波形的失真并具有重复性,所以利用重复控制器的特殊性质,能够大大消除输出波形的谐波。本文通过仿真研究,也进一步证明了利用重复控制技术来抑制谐波,降低THD,效果极佳。但是关于重复控制器中补偿器的设计,通常采用试凑法,尚未总结出一个普遍规律。本文试图通过进一步探讨补偿器的选择对误差的收敛精度和收敛速度的影响,总结其设计方案,并通过Matlab仿真证明,给出结论。  

2重复控制器原理及参数选取分析 
重复控制器能够特别有效地矫正周期性畸变的输出波形,保证输出波形精确跟踪给定。仿真中,给定为220V,50Hz的参考波,逆变器未加重复控制器前,输出波形参见图1(由于周期性扰动),加了重复控制器后,稳态时的输出波形参见图2。经对比,重复控制的优点显而易见。
重复控制器的基本框图参见图3,它是基于控制理论中的内模原理[2],即如果希望控制系统对某一参考指令实现无静差跟踪,那么产生该参考指令的模型必须包含在稳定的闭环控制系统内部。它把当前时刻t0输出与给定的误差e0不仅传到A(见图3),而且记忆下来,过了一个周期T后,把t0+T误差e1与e0相迭加后,传递到控制对象中进行控制,如此反复,即便输出与给定的误差e=0,A处仍有信号。

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图3中虚线框中为重复控制器的内模,它实现了误差的记忆功能;N为一个周期内采样的次数,P(z)为逆变器的输出与输入的离散传函,可以通过测绘输出响应曲线获得[5],或者建立系统状态方程获得[6];S(z)须自行设计,用来修饰P(z)的参数,它的作用就是在中低频内与P(z)对消,而在高频内使P(z)增益急剧衰减[6];Q存在于重复控制器的内模之中,它是影响系统稳态精度与误差收敛速度的关键参数,是本文主要讨论的对象;zk是用来弥补系统相位差的一个量。
若不考虑扰动d,把图3进行变形,如图4所示。



若不考虑给定r,把图3进行变形,如图5所示。



欲使系统稳定,特征方程 

则系统稳定,且H越小,系统稳定裕度越大,收敛速度越快。若|H|=0,则就可以在一拍之内,使系统达到稳定。
由式(1)可得:Q=1,当zN=1(稳态时),则u=r,即无静差。但若Q=1,则欲使|H|尽量小就相当苛刻,这是因为P参数难以精确获得,找到与P完全对消的函数就很难。究竟该如何取Q值,由式(2)可以发现:当zN=1(稳态时),
观察式(4)分子,若此时Q为一个接近于1的数,那么就可以减小扰动d所带来的误差;同时,观察式(4)分母,如果使Q接近于krzkPS,也有助于减少误差。理想状态取S为P的倒数,然而P参数的不精确性,导致设计S也颇费一番功夫[5]。由上述分析可知:在满足稳定域条件式(3)的前提下,越小,则稳态误差也越变小。