UPS控制技術(shù):基于PID控制和重復控制的復合控制策略

在計算機網(wǎng)絡及其相關(guān)網(wǎng)絡通信技術(shù)迅猛發(fā)展的推動下，為確保在進行信息資源共享時所獲得的數(shù)據(jù)、文件和圖形等資料具有高度的真實可靠性、連續(xù)性和高保真度UPS(不間斷電源)正越來越廣泛地被應用到國民經(jīng)濟的各個領(lǐng)域。同時，隨著信息技術(shù)的發(fā)展，智能信息處理以及基于網(wǎng)絡的遠程監(jiān)控等新技術(shù)逐步應用于UPS中，構(gòu)成了全智能化的UPS系統(tǒng)，方便了用戶、提高了可靠性。本文著重介紹UPS控制技術(shù)，分析了UPS的PID控制技術(shù)的特性并深入分析了基于PID控制和重復控制的復合控制策略。

控制策略概述

UPS逆變器的數(shù)字控制技術(shù)成為了當前逆變器研究領(lǐng)域的一個熱點，出現(xiàn)了多種逆變器數(shù)字化控制方法，包括數(shù)字PID控制、狀態(tài)反饋控制、無差拍控制、重復控制、模糊控制等，有力地推動了UPS技術(shù)的發(fā)展。

每一種控制方案都各有其長短。某些控制方法雖然具有較好的動態(tài)響應速度，但穩(wěn)態(tài)輸出電壓諧波失真度又達不到要求；某些控制方法雖然同時具有較高的動態(tài)和穩(wěn)態(tài)精度，但它對參數(shù)變化很敏感，魯棒性不好；某些控制方法有很好的穩(wěn)態(tài)精度，但動態(tài)響應效果卻很差；某些控制方法受硬件水平的限制，目前還不能得到很好的應用。因此，一種必然的發(fā)展趨勢是各種控制方案互相滲透，相互取長補短，構(gòu)成復合的控制方案。

數(shù)字PID控制

在UPS逆變器控制中，最常用、最簡單的方法是PID控制，具體實現(xiàn)方式包括電壓瞬時值反饋控制和電壓電流雙閉環(huán)反饋控制，圖1所示為電壓瞬時值反饋控制。

電壓瞬時值反饋的控制策略優(yōu)點是只使用了一個電壓傳感器，缺點是系統(tǒng)動態(tài)響應特性不好，跟蹤特性不是很好, 波形質(zhì)量欠佳。圖2為采用此控制方法在10KVA逆變器上帶容性負載時的輸出電壓波形。從圖中可以看出波形失真度較大，難以滿足高質(zhì)量電源的要求。

改善電壓源逆變器的動態(tài)特性的方法之一是增加一個電流閉環(huán)。在這種控制策略中，濾波電容的電流（也就是輸出電壓的微分）作為一個反饋變量引入到控制系統(tǒng)中，達到改善輸出波形質(zhì)量，它必須使用一個霍爾傳感器來檢測濾波電容電流，增加了系統(tǒng)的復雜性和成本。



基于PID控制和重復控制的復合控制

逆變器控制器是一個參考給定呈正弦變化的調(diào)節(jié)系統(tǒng)，而不是一個恒值給定的調(diào)節(jié)系統(tǒng)。同時，系統(tǒng)的擾動即負載電流，也不是一個恒值擾動，當接線性負載時，負載電流呈正弦變化；而當帶非線性負載時，電流按非正弦規(guī)律變化。針對正弦指令的無靜差跟蹤問題，可以在控制器中植入一個與參考給定同頻的正弦信號模型。

前饋控制的目的是改善數(shù)字PID控制器的控制效果，進一步減小動態(tài)過程中輸出電壓的波動和波形畸變，改善數(shù)字PID控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性。離散重復控制器,用來消除系統(tǒng)的周期性跟蹤誤差，減小UPS逆變器帶非線性整流負載時的輸出電壓波形畸變。數(shù)字PID控制器，作用是對輸出電壓跟蹤誤差進行實時調(diào)整，減小系統(tǒng)受到干擾時的輸出電壓波動和畸變?？刂瓶驁D如圖3所示。圖中主要環(huán)節(jié)介紹如下：

1）z－N ：周期延遲環(huán)節(jié)，使本周期誤差信息從下一周期開始影響矯正量。

2）Q(z) ：為克服對象模型不精確，增強系統(tǒng)穩(wěn)定性而設置的。可取一個小于1的常數(shù)。

3）S(z) ：補償環(huán)節(jié)，用于改造對象特性。

4）zk ：相位補償，滿足系統(tǒng)頻率響應要求。

5）a ：比例因子。用來維持系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

實驗結(jié)果

依照上述模型，用simulink仿真可初步確定控制器的參數(shù)，開始用較保守的參數(shù)在10KVA的逆變模塊上試驗.，調(diào)整參數(shù)使系統(tǒng)達到較好的靜動態(tài)特性。系統(tǒng)參數(shù)為：輸入直流電壓為200V、輸出頻率50HZ、開關(guān)頻率19.6HZ、濾波電感120uH、濾波電容15uF。圖4左為帶阻性負載，電流為36A時的電壓電流波形；右為帶整流性負載，電流為20A時的電壓電流波形。

從以上兩圖可以看出，基于PID控制和重復控制的復合控制策略具有較好的波形控制效果，特別是對非線性整流負載具有很好的諧波抑制效果，同時系統(tǒng)還具有較好的動態(tài)響應特性。因此，本文介紹的基于PID控制和重復控制的復合控制策略具有較高的應用價值。