[發明專利]一種基于二階濾波器的控制環路性能指標測量方法

在審

• 申請號: 202210438424.0
• 申請日: 2022-04-21
• 公開（公告）號: CN114740827A
• 公開（公告）日: 2022-07-12
• 發明（設計）人: 王嘉晨;劉青;侯琪;曾祥辰;黃山
• 申請（專利權）人: 河北工業大學
• 主分類號: G05B23/02
• 分類號: G05B23/02
• 代理公司: 天津翰林知識產權代理事務所(普通合伙) 12210
• 代理人: 張國榮

本發明公開一種基于二階濾波器的控制環路性能指標測量方法，該方法采用了動態尋頻的思路，將二階帶通濾波器B(s)和二階高通濾波器H(s)以及PI調節器相結合，測量時間遠小于傳統的正弦掃頻法，檢測速度快，準確性高，而且可以適用于背景諧波豐富的交流電網中。該性能指標測量方法可以測量控制環路的截止頻率與相角裕度，為控制系統的穩定性分析、閉環參數設計、在線自適應調整提供了寶貴的參考信息。

技術領域

本發明屬于自動控制系統技術領域，主要實現對控制環路截止頻率和相角裕度的連續快速測量，具體是一種基于二階濾波器的控制環路性能指標測量方法。

背景技術

在自動控制理論中，控制環路性能指標(包括截止頻率和相位裕度)可以表征控制系統動態性能和穩態性能。在控制系統的設計階段，設計者需要通過科學合理地設計控制器的參數來調整它，從而使得控制系統獲得滿意的靜、動態性能。因此，控制環路性能指標有非常的廣泛應用，如服務器/航天器電源的在線動態性能監測，級聯功率變換器的穩定性分析，新能源并網穩定性分析以及控制器參數的自適應在線調整等。

通常，控制環路性能指標的獲取多基于控制系統的小信號線性化模型，通過理論推導被控變量與控制量之間的傳遞函數得到。但是由于以下兩種原因，理論推導出的結果與實際值之間存在誤差：1)電氣系統中存在大量的非線性設備(如弧焊機、飽和變壓器、電機等)以及開關器件(如運放、開關管等)，這些強非線性、強耦合系統的線性化模型無法完全等效地表征實際的系統；2)受負載變化、狀態變化、溫漂、老化等多種因素的復合影響，系統參數會發生短時間尺度/長時間尺度上的變化。因此，快速準確地測量控制環路的實際性能指標信息，對于調節器的閉環優化設計，控制系統的動、靜態性能保障，強時變系統的自適應控制具有極其重要的意義。

現有的測量方法一般都是基于小信號注入的方法實現，應用比較廣泛的主要有兩類：1)正弦掃頻法；2)寬頻帶測量法。其中，正弦掃頻法不僅本身需要逐次注入不同頻率的信號，而且后續往往需要傅里葉分解處理得到精確結果，因此測量時間長達數秒。而寬頻帶測量法為了縮短測量時間，采用不同的寬頻小信號(例如偽隨機二進制序列，PRBS)作為擾動信號，僅用一次注入進行環路增益測量，測量時間成功縮短到了100毫秒(測量光譜：10Hz-100kHz)。然而，在弱電網中，應盡快測量環路增益，現有的方法仍然無法滿足弱電網中功率變換器自適應控制的需求。

發明內容

針對現有技術的不足，為了進一步縮短測量時間，更好的滿足微電網這種受阻抗影響環路增益變化較快的場景，本發明旨在提出一種基于二階濾波器的控制環路性能指標測量方法，以實現幾毫秒內完成控制環路截止頻率與相角裕度的測量，為控制系統調節器的閉環優化設計提供重要的信息支撐，從而保障控制系統在參數擾動情況下的動、靜態性能。同時，它還提供了滿足諧波衰減的額外優勢，這在背景諧波豐富的交流微電網應用中很有價值。

本發明解決所述技術問題的技術方案是：設計一種基于二階濾波器的控制環路性能指標測量方法，該方法包括如下步驟：

(1)注入小信號

往被測控制環路中注入一個角頻率可變的正弦波小信號(x_p)，其表達式為其中，A為正弦波小信號(x_p)的幅值，為正弦波小信號(x_p)的角頻率；

(2)提取檢測信號

在控制環路的信號注入點的左右兩側設置有檢測信號接口，分別用于實時檢測信號注入點左側檢測信號與右側檢測信號左側檢測信號與右側檢測信號均分別通過二階帶通濾波器B(s)和二階高通濾波器H(s)進行處理，分別得到此時檢測信號在當前角頻率下的左側正弦信號(x_in)與右側正弦信號(x_out)的實部和虛部，表示左側正弦信號(x_in)的實部與虛部，表示右側正弦信號(x_out)的實部與虛部；利用得到左側待測信號(x_in)與右側待測信號(x_out)的幅值與相角；