Pi調節器實現系統及方法
2023-06-11 05:19:06
專利名稱：Pi調節器實現系統及方法
技術領域：
本發明涉及電機速度控制領域，更具體地說，涉及ー種Pi調節器實現系統及方法。
背景技術：
在電機控制領域，為了實現電機速度的快速無偏差控制通常採用PI算法作為速度閉環控制的調節器，簡稱速度PI調節器。速度PI調節器通過對速度指令和速度反饋的差值進行PI計算，得到電機控制的轉矩指令。電機根據給定的轉矩指令加速或者減速從而實現電機的速度控制。具體地，電機根據給定的轉矩指令進行加速或者減速，然後檢測電機的反饋速度送入PI調節器，如此形成了ー個速度的閉環控制。如圖I所示，在目前的電機控制中，速度PI調節器直接根據速度指令和速度反饋的差值進行I積分調節和P比例調節，得到電機控制的轉矩指令。然而，由於反饋速度的產生源於PI計算的結果，因而速度指令和速度反饋之間存在時間延遲(速度反饋滯後速度指令)。由於上述時間延遲的存在，當速度指令變化較快時PI調節器的積分項變化緩慢使得速度控制常出現較大超調的情況，如圖2所示。
發明內容
本發明要解決的技術問題在於，針對上述PI調節器在速度指令變化較快時出現較大超調的問題，提供ー種速度控制PI調節器實現系統及方法。本發明解決上述技術問題的技術方案是，提供ー種PI調節器實現系統，用於根據控制指令和反饋信息生成新的控制量；包括補償單元、比例調節單元和積分調節單元，其中所述補償単元，用於對控制指令進行積分補償；所述比例調節單元，用於將控制指令和反饋信息的差值進行比例調節；所述積分調節單元，用於將經補償單元處理的控制指令和反饋信息的差值進行積分調節。在本發明所述的PI調節器實現系統中，所述PI調節器的閉環控制的傳遞函數為
ん,I iIi ^ _|_ I^ jH(s、= ,.Iャs + ki其中，kp為PI調節器的比例増益、ki為PI調節器的積分
増益、S為拉普拉斯算子。在本發明所述的PI調節器實現系統中，所述補償単元為ー階低通濾波器且該ー階低通濾波器的傳遞函數為"(.、.)=ド、.丄丨其中τ為ー階低通濾波器的濾波時間常數。在本發明所述的PI調節器實現系統中，所述ー階低通濾波器的濾波時間常數τ滿足 T=l/wn,其中wn = yfi/在本發明所述的PI調節器實現系統中，所述控制指令為速度指令，所述反饋信息為速度反饋，所述新的控制量為轉矩指令；或者所述控制指令為電流指令，所述反饋信息為電流反饋，所述新的控制量為電壓指令。本發明還提供ー種PI調節器實現方法，用於根據控制指令和反饋信息生成新的控制量；包括以下步驟對控制指令進行積分補償，並將經過積分補償的控制指令和反饋信息的差值進行積分調節；將控制指令和反饋信息的差值進行比例調節。在本發明所述的PI調節器實現方法中，所述PI調節器的閉環控制的傳遞函數為H(S、'J:kph + ki其中，kp為PI調節器的比例増益、ki為PI調節器的積分 増益、s為拉普拉斯算子。在本發明所述的PI調節器實現方法中，所述對控制指令進行積分補償操作由一階低通濾波器實現且該ー階低通濾波器的傳遞函數為"(.、.)=ド、.丄丨其中τ為ー階低通濾波器的濾波時間常數。在本發明所述的PI調節器實現方法中，所述ー階低通濾波器的濾波時間常數τ滿足 T=l/wn,其中wn = 。在本發明所述的PI調節器實現方法中，所述控制指令為速度指令，所述反饋信息為速度反饋，所述新的控制量為轉矩指令；或者所述控制指令為電流指令，所述反饋信息為電流反饋，所述新的控制量為電壓指令。本發明的PI調節器實現系統及方法，通過引入積分補償環節，可有效抑制採用PI調節器閉環控制的反饋超調。本發明通過積分補償環節的引入，可有效地提高採用PI調節器的速度和電流閉環控制性能。
圖I是現有PI調節器的結構示意圖。圖2是現有PI調節器的速度指令及速度反饋的示意圖。圖3是本發明的PI調節器實現系統第一實施例的示意圖。圖4是圖3中的PI調節器的速度指令及速度反饋的示意圖。圖5是本發明的PI調節器實現系統第二實施例的示意圖。圖6是圖5中的PI調節器的速度指令及速度反饋的示意圖。圖7是本發明PI調節器實現方法實施例的流程示意圖。
具體實施例方式為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本發明進行進ー步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發明，並不用於限定本發明。如圖3所示，是本發明PI調節器實現系統第一實施例的示意圖。該PI調節器實現系統用於根據速度指令和速度反饋生成轉矩指令(該轉矩指令用於控制電機運轉)，包括補償單元33、比例調節單元32和積分調節單元31。上述補償單元33、比例調節單元32和積分調節單元31可由硬體、軟體或其結合構成。補償單元33用於對速度指令進行積分補償。具體地，該補償単元33可採用ー階低通濾波器。比例調節單元32用於進行比例調節運算，該比例調節單元32的輸入直接採用速度指令和速度反饋的差值。積分調節單元31用於進行積分調節運算，該積分調節單元21的輸入採用經補償単元33處理的速度指令和速度反饋的差值。上述比例調節單元32和積分調節單元31的運算結果之和即為控制電機運轉的轉矩指令。由於速度指令經過積分補償後，使得PI調節器中積分調節分量最接近穩態時的轉矩指令，閉環控制的速度反饋超調得到了很大的抑制，如圖4所示。 假定上述用於速度控制的PI調節器已經進行了參數的標準化處理，所有的控制參數均為模擬量。此時PI調節器的速度閉環控制的傳遞函數可以表示為こ/Lザs + ki其中kp、ki、s分別為PI調節器的比例増益、PI調節器的
，
積分增益和拉普拉斯算子。根據以上傳遞函數，可以得到函數的帶寬wn = VI，単位rad/s。上述的補償單元33採用ー階低通濾波器，該ー階低通濾波器的傳遞函數表達式為"(.、.)=七+ 1其中τ為ー階低通濾波器的濾波時間常數。若ー階低通濾波器的濾波時間常數τ滿足T=l/wn，則補償単元33的運算可以近似地等效為ニ階速度閉環控制器的相位延遲。這種情況下，速度閉環控制的動態性能由於比例調節的存在得到了保證，速度閉環控制的穩態性能由於積分調節的存在得到了保證。與此同時，由於速度指令經過積分補償後，使得調節器中積分調節分量最接近穩態時的轉矩指令，閉環控制的速度反饋超調得到了很大的抑制。如圖5所示，是本發明PI調節器實現系統第二實施例的示意圖。該PI調節器實現系統用於根據電流指令和電流反饋生成電壓指令(該電壓指令用於控制電機運轉)，包括補償單元53、比例調節單元52和積分調節單元51。上述補償單元53、比例調節單元52和積分調節單元51可由硬體、軟體或其結合構成。補償單元53用於對電流指令進行積分補償。具體地，該補償単元53可採用ー階低通濾波器。比例調節單元52用於進行比例調節運算，該比例調節單元52的輸入直接採用電流指令和電流反饋的差值。積分調節單元51用於進行積分調節運算，該積分調節單元51的輸入採用經補償単元53處理的電流指令和電流反饋的差值。上述比例調節單元52和積分調節單元51的運算結果之和即為控制電機運轉的電壓指令。由於電流指令經過積分補償後，使得PI調節器中積分調節分量最接近穩態時的轉矩指令，閉環控制的電流反饋超調得到了很大的抑制，如圖6所示。如圖7所示，是本發明PI調節器實現方法實施例的流程示意圖，該方法用於根據控制指令和反饋信息生成新的控制量。該方法包括以下步驟步驟S71 :對控制指令進行積分補償運算。該步驟可通過ー階低通濾波器實現。步驟S72 :將經過步驟S71的積分補償運算的控制指令和反饋信息的差值進行積分調節運算。步驟S73 :將控制指令和反饋信息的差值進行比例調節運算。該步驟可與步驟S72同時執行。步驟S74 :根據上述步驟S72和步驟S73中的運算結果生成轉矩指令。在上述的PI調節器實現方法中，PI調節器的閉環控制的傳遞函數為u,、 kp'^s + ki
"⑴=,Ιφ^, 其中，kp為PI調節器的比例増益、ki為PI調節器的積分増益、s為拉普拉斯算子。根據以上傳遞函數，可以得到函數的帶寬wn= #，單位rad/s。相應地，步驟S71中積分補償運算的傳遞函數為ガレ)=其中τ為ー階低通濾波
器的濾波時間常數。若ー階低通濾波器的濾波時間常數τ滿足τ=1/￥η，那麼積分補償環節可以近似地等效為ニ階速度閉環控制器的相位延遲。在上述方法可應用於速度控制，此時控制指令為速度指令，反饋信息為速度反饋，新的控制量為轉矩指令。此外，上述方法也可應用於電流控制，此時控制指令為電流指令，反饋信息為電流反饋，新的控制量為電壓指令。以上所述，僅為本發明較佳的具體實施方式
，但本發明的保護範圍並不局限於此，任何熟悉本技術領域的技術人員在本發明揭露的技術範圍內，可輕易想到的變化或替換，都應涵蓋在本發明的保護範圍之內。因此，本發明的保護範圍應該以權利要求的保護範圍為準。
權利要求
1.一種PI調節器實現系統，用於根據控制指令和反饋信息生成新的控制量；其特徵在於包括補償單元、比例調節單元和積分調節單元，其中所述補償單元，用於對控制指令進行積分補償；所述比例調節單元，用於將控制指令和反饋信息的差值進行比例調節；所述積分調節單元，用於將經補償單元處理的控制指令和反饋信息的差值進行積分調節。
2.根據權利要求I所述的PI調節器實現系統，其特徵在於所述PI調節器的閉環控制的傳遞函數為 ，其中，kP為PI調節器的比例增益、ki為PI調節器的積分增益、s為拉普拉斯算子。
3.根據權利要求2所述的PI調節器實現系統，其特徵在於所述補償單元為一階低通濾波器且該一階低通濾波器的傳遞函數為 其中T為一階低通濾波器的濾波時間常數。
4.根據權利要求3所述的PI調節器實現系統，其特徵在於所述一階低通濾波器的濾波時間常數T滿足T = 1/wn,其中wn = 。
5.根據權利要求1-4中任一項所述的PI調節器實現系統，其特徵在於所述控制指令為速度指令，所述反饋信息為速度反饋，所述新的控制量為轉矩指令；或者所述控制指令為電流指令，所述反饋信息為電流反饋，所述新的控制量為電壓指令。
6.一種PI調節器實現方法，用於根據控制指令和反饋信息生成新的控制量；其特徵在於包括以下步驟 對控制指令進行積分補償，並將經過積分補償的控制指令和反饋信息的差值進行積分調節； 將控制指令和反饋信息的差值進行比例調節。
7.根據權利要求6所述的PI調節器實現方法，其特徵在於所述PI調節器的閉環控制的傳遞函數為 ，其中，kp為PI調節器的比例增益、ki為PI調節器的積分增益、S為拉普拉斯算子。
8.根據權利要求7所述的PI調節器實現方法，其特徵在於所述對控制指令進行積分補償操作由一階低通濾波器實現且該一階低通濾波器的傳遞函數為 ，其中T為一階低通濾波器的濾波時間常數。
9.根據權利要求8所述的PI調節器實現方法，其特徵在於所述一階低通濾波器的濾波時間常數T滿足T = 1/wn,其中
10.根據權利要求6-9中任一項所述的PI調節器實現方法，其特徵在於所述控制指令為速度指令，所述反饋信息為速度反饋，所述新的控制量為轉矩指令；或者所述控制指令為電流指令，所述反饋信息為電流反饋，所述新的控制量為電壓指令。
全文摘要
本發明提供了一種PI調節器實現系統，用於根據控制指令和反饋信息生成新的控制量；包括補償單元、比例調節單元和積分調節單元，其中所述補償單元，用於對控制指令進行積分補償；所述比例調節單元，用於將控制指令和反饋信息的差值進行比例調節；所述積分調節單元，用於將經補償單元處理的控制指令和反饋信息的差值進行積分調節。本發明還提供了一種對應的方法。本發明通過引入積分補償環節，可有效抑制採用PI調節器閉環控制的反饋超調。
文檔編號H02P21/00GK102811014SQ201210270299
公開日2012年12月5日 申請日期2012年7月31日 優先權日2012年7月31日
發明者何俊輝 申請人:深圳市匯川技術股份有限公司, 蘇州匯川技術有限公司, 蘇州默納克控制技術有限公司