一种基于二阶滤波器的控制环路性能指标测量方法技术

本发明专利技术公开一种基于二阶滤波器的控制环路性能指标测量方法，该方法采用了动态寻频的思路，将二阶带通滤波器B(s)和二阶高通滤波器H(s)以及PI调节器相结合，测量时间远小于传统的正弦扫频法，检测速度快，准确性高，而且可以适用于背景谐波丰富的交流电网中。该性能指标测量方法可以测量控制环路的截止频率与相角裕度，为控制系统的稳定性分析、闭环参数设计、在线自适应调整提供了宝贵的参考信息。在线自适应调整提供了宝贵的参考信息。在线自适应调整提供了宝贵的参考信息。

A measurement method of control loop performance index based on second-order filter

【技术实现步骤摘要】
一种基于二阶滤波器的控制环路性能指标测量方法


[0001]本专利技术属于自动控制系统
，主要实现对控制环路截止频率和相角裕度的连续快速测量，具体是一种基于二阶滤波器的控制环路性能指标测量方法。

技术介绍

[0002]在自动控制理论中，控制环路性能指标(包括截止频率和相位裕度)可以表征控制系统动态性能和稳态性能。在控制系统的设计阶段，设计者需要通过科学合理地设计控制器的参数来调整它，从而使得控制系统获得满意的静、动态性能。因此，控制环路性能指标有非常的广泛应用，如服务器/航天器电源的在线动态性能监测，级联功率变换器的稳定性分析，新能源并网稳定性分析以及控制器参数的自适应在线调整等。
[0003]通常，控制环路性能指标的获取多基于控制系统的小信号线性化模型，通过理论推导被控变量与控制量之间的传递函数得到。但是由于以下两种原因，理论推导出的结果与实际值之间存在误差：1)电气系统中存在大量的非线性设备(如弧焊机、饱和变压器、电机等)以及开关器件(如运放、开关管等)，这些强非线性、强耦合系统的线性化模型无法完全等效地表征实际的系统；2)受负载变化、状态变化、温漂、老化等多种因素的复合影响，系统参数会发生短时间尺度/长时间尺度上的变化。因此，快速准确地测量控制环路的实际性能指标信息，对于调节器的闭环优化设计，控制系统的动、静态性能保障，强时变系统的自适应控制具有极其重要的意义。
[0004]现有的测量方法一般都是基于小信号注入的方法实现，应用比较广泛的主要有两类：1)正弦扫频法；2)宽频带测量法。其中，正弦扫频法不仅本身需要逐次注入不同频率的信号，而且后续往往需要傅里叶分解处理得到精确结果，因此测量时间长达数秒。而宽频带测量法为了缩短测量时间，采用不同的宽频小信号(例如伪随机二进制序列，PRBS)作为扰动信号，仅用一次注入进行环路增益测量，测量时间成功缩短到了100毫秒(测量光谱：10Hz
‑
100kHz)。然而，在弱电网中，应尽快测量环路增益，现有的方法仍然无法满足弱电网中功率变换器自适应控制的需求。

技术实现思路

[0005]针对现有技术的不足，为了进一步缩短测量时间，更好的满足微电网这种受阻抗影响环路增益变化较快的场景，本专利技术旨在提出一种基于二阶滤波器的控制环路性能指标测量方法，以实现几毫秒内完成控制环路截止频率与相角裕度的测量，为控制系统调节器的闭环优化设计提供重要的信息支撑，从而保障控制系统在参数扰动情况下的动、静态性能。同时，它还提供了满足谐波衰减的额外优势，这在背景谐波丰富的交流微电网应用中很有价值。
[0006]本专利技术解决所述技术问题的技术方案是：设计一种基于二阶滤波器的控制环路性能指标测量方法，该方法包括如下步骤：
[0007](1)注入小信号
[0008]往被测控制环路中注入一个角频率可变的正弦波小信号(x
p
)，其表达式为其中，A为正弦波小信号(x
p
)的幅值，为正弦波小信号(x
p
)的角频率；
[0009](2)提取检测信号
[0010]在控制环路的信号注入点的左右两侧设置有检测信号接口，分别用于实时检测信号注入点左侧检测信号与右侧检测信号左侧检测信号与右侧检测信号均分别通过二阶带通滤波器B(s)和二阶高通滤波器H(s)进行处理，分别得到此时检测信号在当前角频率下的左侧正弦信号(x
in
)与右侧正弦信号(x
out
)的实部和虚部，表示左侧正弦信号(x
in
)的实部与虚部，表示右侧正弦信号(x
out
)的实部与虚部；利用)的实部与虚部；利用得到左侧待测信号(x
in
)与右侧待测信号(x
out
)的幅值与相角；
[0011](3)动态寻频
[0012]待测控制环路开环传递函数(T
m
)与横坐标的交点(ω
c
)就是期望得到的截止频率；由于即在角频率下，满足|T
m
|＝|x
out
|/|x
in
|；令e
|x|
＝|x
out
|
‑
|x
in
|，将步骤(2)中得到左侧待测信号(x
in
)与右侧待测信号(x
out
)的幅值代入到该公式中，即可依据e
|x|
与0的大小关系来判断此时注入频率与截止频率的大小关系；
[0013]当e
|x|
＝0时，即时，当前角频率即为控制环路的截止频率(ω
c
)；截止频率(ω
c
)即为控制环路的带宽；
[0014]当e
|x|
≠1时，则在当前角频率下，将减去得到的值输入到一个PI调节器，将PI调节器的输出加上当前角频率即可得到注入信号(x
p
)的新的角频率然后将注入信号(x
p
)中的调整为继续执行步骤(2)的提取检测信号过程，并将在新的角频率下的左侧正弦信号(x
in
)与右侧正弦信号(x
out
)的幅值代入e
|x|
＝|x
out
|
‑
|x
in
|，若此时仍然e
|x|
≠1，不断重复上述过程，不断调整角频率，直至e
|x|
＝0，实现动态寻频；
[0015](4)相角裕度计算
[0016]根据步骤(3)得到的截止频率(ω
c
)，将该角频率下的左侧正弦信号(x
in
)与右侧正弦信号(x
out
)的相角将其代入公式PM＝∠x
out
‑
∠x
in
，得到被测控制环路的相角裕度。
[0017]与现有技术相比，本专利技术的有益效果为：本专利技术提出的控制环路性能指标测量方法采用了动态寻频的思路，将二阶高通滤波器H(s)和二阶带通滤波器B(s)以及PI调节器相结合，测量时间(10ms内)远小于传统的正弦扫频法，检测速度快，准确性高，而且可以适用于背景谐波丰富的交流电网中。该性能指标测量方法可以测量控制环路的截止频率与相角
裕度，为控制系统的稳定性分析、闭环参数设计、在线自适应调整提供了宝贵的参考信息。
附图说明
[0018]图1为本专利技术一种基于二阶滤波器的控制环路性能指标测量方法一种实施例的控制环路结构图。
[0019]图2为本专利技术一种基于二阶滤波器的控制环路性能指标测量方法的带宽测量原理示意图。
[0020]图3为本专利技术一种基于二阶滤波器的控制环路性能指标测量方法一种实施例的测量原理框图。
[0021]图4为采用本专利技术一种基于二阶滤波器的控制环路性能指标测量方法对图1中的控制环路i
G
环在多次改变单相并网逆变器(含有本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于二阶滤波器的控制环路性能指标测量方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：(1)注入小信号往被测控制环路中注入一个角频率可变的正弦波小信号(x
p
)，其表达式为其中，A为正弦波小信号(x
p
)的幅值，为正弦波小信号(x
p
)的角频率；(2)提取检测信号在控制环路的信号注入点的左右两侧设置有检测信号接口，分别用于实时检测信号注入点左侧检测信号与右侧检测信号左侧检测信号与右侧检测信号均分别通过二阶带通滤波器B(s)和二阶高通滤波器H(s)进行处理，分别得到此时检测信号在当前角频率下的左侧正弦信号(x
in
)与右侧正弦信号(x
out
)的实部和虚部，表示左侧正弦信号(x
in
)的实部与虚部，表示右侧正弦信号(x
out
)的实部与虚部；利用)的实部与虚部；利用得到左侧正弦信号(x
in
)与右侧正弦信号(x
out
)的幅值与相角；(3)动态寻频待测控制环路开环传递函数(T
m
)与横坐标的交点(ω
c
)就是期望得到的截止频率；由于即在角频率下，满足|T
m
|＝|x
out
|/|x
in
|；令e
|x|
＝|x
out
|
‑
|x
in
|，将步骤(2)中得到左侧待测信号(x
...

【专利技术属性】
技术研发人员：王嘉晨，刘青，侯琪，曾祥辰，黄山，
申请(专利权)人：河北工业大学，
类型：发明
国别省市：