重復控制器中一個參數(shù)對系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差和收斂速度的影響

1、重復控制器中一個參數(shù)對系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差和收斂速度的影響    摘要：介紹了重復控制器的基本原理，詳述了重復控制器中一個關鍵參數(shù)對系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差和收斂速度的影響，總結設計該參數(shù)的兩個方法。通過仿真分析，解釋該參數(shù)的不同選擇方案引起系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)精度不同的原因，提出了一些該參數(shù)的改進方法。1引言在逆變器中，采用SPWM技術,雖然控制方法簡單，且易實現(xiàn),但是同時也帶來了很大的諧波成分。為了使逆變器輸出在任何負載下都能夠保證很高的精度，降低THD，提高系統(tǒng)的動態(tài)響應，一些復雜的控制思摘要：介紹了重復控制器的基本原理，詳述了重復控制器中一個關鍵參數(shù)對系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差和收斂速度的影

2、響，總結設計該參數(shù)的兩個方法。通過仿真分析，解釋該參數(shù)的不同選擇方案引起系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)精度不同的原因，提出了一些該參數(shù)的改進方法。1引言在逆變器中，采用SPWM技術,雖然控制方法簡單，且易實現(xiàn),但是同時也帶來了很大的諧波成分。為了使逆變器輸出在任何負載下都能夠保證很高的精度，降低THD，提高系統(tǒng)的動態(tài)響應，一些復雜的控制思想已在逆變器的控制系統(tǒng)中得以應用，如滑模變結構控制1、極點配置2、模糊控制3等。重復控制策略最初是用于機械運動領域，但近年來其在逆變器中應用的優(yōu)勢越來越受到關注。這是由于在逆變器中，因非線性負載等眾多因素引起的干擾一般都為高頻且具有周期性，最終這種性質(zhì)的干擾將導致輸出波形的失真并具

3、有重復性，所以利用重復控制器的特殊性質(zhì)，能夠大大消除輸出波形的諧波。本文通過仿真研究，也進一步證明了利用重復控制技術來抑制諧波，降低THD，效果極佳。但是關于重復控制器中補償器的設計，通常采用試湊法，尚未總結出一個普遍規(guī)律。本文試圖通過進一步探討補償器的選擇對誤差的收斂精度和收斂速度的影響，總結其設計方案，并通過Matlab仿真證明，給出結論。2重復控制器原理及參數(shù)選取分析重復控制器能夠特別有效地矯正周期性畸變的輸出波形,保證輸出波形精確跟蹤給定。仿真中，給定為220V,50Hz的參考波，逆變器未加重復控制器前，輸出波形參見圖1（由于周期性擾動），加了重復控制器后，穩(wěn)態(tài)時的輸出波形參見圖2。經(jīng)

4、對比，重復控制的優(yōu)點顯而易見。重復控制器的基本框圖參見圖3，它是基于控制理論中的內(nèi)模原理2，即如果希望控制系統(tǒng)對某一參考指令實現(xiàn)無靜差跟蹤,那么產(chǎn)生該參考指令的模型必須包含在穩(wěn)定的閉環(huán)控制系統(tǒng)內(nèi)部。它把當前時刻t0輸出與給定的誤差e0不僅傳到A（見圖3），而且記憶下來，過了一個周期T后，把t0T誤差e1與e0相迭加后，傳遞到控制對象中進行控制，如此反復，即便輸出與給定的誤差e=0，A處仍有信號。'圖3中虛線框中為重復控制器的內(nèi)模，它實現(xiàn)了誤差的記憶功能；N為一個周期內(nèi)采樣的次數(shù)，P(z)為逆變器的輸出與輸入的離散傳函，可以通過測繪輸出響應曲線獲得5，或者建立系統(tǒng)狀態(tài)方程獲得6；S(z)

5、須自行設計，用來修飾P(z)的參數(shù)，它的作用就是在中低頻內(nèi)與P(z)對消，而在高頻內(nèi)使P(z)增益急劇衰減6；Q存在于重復控制器的內(nèi)模之中，它是影響系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)精度與誤差收斂速度的關鍵參數(shù)，是本文主要討論的對象；zk是用來彌補系統(tǒng)相位差的一個量。若不考慮擾動d,把圖3進行變形，如圖4所示。得若不考慮給定r,把圖3進行變形，如圖5所示。得欲使系統(tǒng)穩(wěn)定，特征方程則系統(tǒng)穩(wěn)定，且H越小，系統(tǒng)穩(wěn)定裕度越大，收斂速度越快。若|H|=0，則就可以在一拍之內(nèi)，使系統(tǒng)達到穩(wěn)定。由式（1）可得：Q=1，當zN=1（穩(wěn)態(tài)時），則u=r,即無靜差。但若Q=1，則欲使|H|盡量小就相當苛刻，這是因為P參數(shù)難以精確獲得，找到

6、與P完全對消的函數(shù)就很難。究竟該如何取Q值，由式（2）可以發(fā)現(xiàn)：當zN=1（穩(wěn)態(tài)時），觀察式（4）分子，若此時Q為一個接近于1的數(shù)，那么就可以減小擾動d所帶來的誤差；同時，觀察式（4）分母，如果使Q接近于krzkPS，也有助于減少誤差。理想狀態(tài)取S為P的倒數(shù)，然而P參數(shù)的不精確性，導致設計S也頗費一番功夫5。由上述分析可知：在滿足穩(wěn)定域條件式（3）的前提下，越小，則穩(wěn)態(tài)誤差也越變小。.3仿真分析Q的選取經(jīng)上述分析，Q應為接近于1的數(shù)，而且與krzkPS的變化關系密切。為了滿足穩(wěn)定判據(jù)式（3），若以Q的軌跡為中心畫一單位圓，那么僅當krzkPS在該單位圓內(nèi)，系統(tǒng)才穩(wěn)定(參見圖6)45。經(jīng)設計，最

7、終做到了S與P在中低頻對消，而放棄了它們在高頻的對消，描繪出krzkPS的幅相頻曲線如圖7所示。krzkPS在低頻段接近于1，而在高頻段逐漸向平面左側移動，且幅值迅速減小?？梢园l(fā)現(xiàn)重復控制器中，Q是一個關鍵的設計參數(shù)。取Q的方法有兩種245：1)取Q為一個小于且接近于1的常數(shù)，這是為了保證krzkPS在高頻時仍在以Q為圓心的單位圓內(nèi)。2)取Q為一個低通濾波器，則在krzkPS往左半平面移的時候，Q跟著往左移?？梢詫φ請D7，圖8（低通Q的幅相頻曲線）看出來。31Q取常數(shù)在仿真中，已設計好的模型取Q為一組常數(shù)，其穩(wěn)態(tài)誤差與收斂時間列于表1。研究對比Q=0.95，0.9的穩(wěn)態(tài)誤差及收斂時間可知：由于

8、Q=0.9的H值小于Q=0.95的H值(見圖9)，所以Q=0.9的收斂速度略大于Q=0.95的收斂速度。但是穩(wěn)態(tài)誤差的大小卻決定于的波特圖（見圖10），Q=0.9532Q取低通濾波器當Q取作低通濾波器時，若設Q的分子為num(Q)，分母為den(Q)，所以Q為一實數(shù),其相位在0與之間跳變，但在設計中，應把Q設為恒正量，這樣就無須對它進行額外的相位補償；且在中低頻時，Q的增益略大于1，同時它的幅頻曲線周期性地出現(xiàn)一個波谷，這個波谷所對應的頻率的位置，可人為地通過改變各項系數(shù)加以調(diào)整，設計中把第一個波谷設在高頻處，并與krzkPS迅速衰減處的高頻相對應。.的位置在=/T處。通過仿真實驗發(fā)現(xiàn)依照這種

9、方法選取的Q，其輸出穩(wěn)態(tài)誤差比Q取作常數(shù)時更小得多(參見圖11)，這是因為低通Q實現(xiàn)了更好的跟蹤krzkPS軌跡的效果，尤其是在高頻的時候。比較圖13,圖14中H的幅相頻曲線上可以很清楚 地反映不同Q跟蹤krzkPS的過程。當適當調(diào)整den(Q)，系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差也跟著變動，而且調(diào)到適當位置，穩(wěn)態(tài)誤差將被降得很小。圖11中den(Q)=18，圖12中den(Q)=17.4時，而穩(wěn)態(tài)誤差圖12明顯小于圖11。繪出den(Q)=17.4，18時的的波特圖（見圖15），雖然den(Q)=18在中低頻段比den(Q)=17.4的幅值小，但den(Q)=17.4在103104間有一個波谷，在該處的幅值比den(Q)=18小得多，所以其總體效果要比den(Q)=18好。4結語根據(jù)前面的討論