[发明专利]一种通用的分数阶多周期特征谐波重复控制器设计方法及控制器

说明书

本发明公开了一种通用的分数阶多周期特征谐波重复控制器设计方法及控制器，可用于含有多个不相关基波频率分量的周期性信号实施精确控制。本发明针对控制对象选取并设计出一种常规反馈控制器以得到稳定的反馈控制系统；然后设计出分数阶多周期特征重复控制器并插入到稳定的反馈控制回路中，特别针对所插入的分数阶多周期特征谐波重复控制器，给出了完整设计方案，包括：提出了该重复控制器的零相位补偿方法，用于补偿常规反馈控制系统所包含的各种延迟；给出了基于零相位补偿的该重复控制器增益的选取范围，以确保插入了该重复控制器的系统能够稳定；提出了该重复控制器的增益整定方法，以实现系统控制误差的快速一致收敛。

技术领域

本发明属于工业控制领域，特别涉及一种通用的分数阶多周期特征谐波重复控制器设计方法及控制器，用于可编程交流电源、电力变换器、伺服电机等装置对含有多个不相关基波频率分量的周期性信号实施精确控制，这些不相关的基波频率分量中任意两个分量的周期比值均不是整数。

背景技术

对各种基于电力电子变换器的电源以及电机驱动装置而言，其控制系统对周期性信号的控制性能很大程度上决定了其系统的控制性能。当可编程交流电源、电机驱动等装置采用由n个变流开关管组成的电力电子变换器时，其实际的输出的交流周期性电压/电流信号往往主要由nk±r(其中k＝0,1,2,…；r＝0,1,…,n-1)次特征谐波组成，尤其是nk±1次谐波。例如，采用4个开关管的单相H桥变换器，其特征谐波为奇次谐波，即4k±1次谐波；而采用6个开关管的三相桥变换器其特征谐波为6k±1次谐波。基于内模原理的重复控制可以对任何频率已知的任意波形的单一基波频率的周期性信号实施零误差跟踪或抑制。然而当采用常规重复控制器对主要由特征谐波所组成的电压、电流信号实施控制时，往往存在重复控制器所占用的内存空间大且响应速度慢等控制低效问题；而特征谐波重复控制器为主要由特征电力谐波所组成的电压/电流信号的控制提供了一种量身定制的高效控制手段，它能够在保证良好控制精确度的同时，将所占用的内存空间大大减少，而其动态响应速度可达常规重复控制器的n/2倍。当可编程交流电源等设备用于产生所需的含有多个不相关基波频率分量的电压/电流时，可将相应的各个特征谐波重复控制器简单地并联形成多周期特征谐波重复控制器，则可对该类多周期信号实施精确控制。

然而实际应用当中，每个特征谐波重复控制器包含相应的延迟单元z^-Ni/n，其中N_i等于所对应信号的周期与系统采样周期的比值。在实际应用当中，N_i/n必须是整数才能物理上实现相应的延迟单元z^-Ni/n；并且，若将多周期特征谐波重复控制器用于跟踪或消除含有多个不相关基波频率分量的多周期信号(即任意两个基波分量的频率之比为非整数)时，则无论是采用可变的系统采样率还是固定的系统采样率，都无法做到让所有N_i/n(i＝1,2,…)均为整数，亦即无法准确地跟踪或消除此类多周期信号。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述背景技术存在的不足，而提出的一种通用的分数阶多周期特征谐波重复控制器设计方法及控制器，可为采用由n个变流开关管组成的电力电子变换器的多种工业装置跟踪或消除此类多周期信号或扰动提供一种简便高效的高性能控制解决方案。

为实现上述目的，本发明所设计的一种通用的分数阶多周期特征谐波重复控制器设计方法，其特殊之处在于，所述方法包括如下步骤：

1)针对控制对象G_p(z)设计出一种常规反馈控制器G_c(z)，得到该反馈控制系统的传递函数H(z)

其中，y₀(z)为反馈控制器G_c(z)控制下的系统输出，r(z)为系统的参考输入量，令系统传递函数H(z)的特征方程1+G_c(z)G_p(z)＝0的所有根均在以原点为中心的单位圆内，以得到稳定的闭环反馈控制系统；