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控制与算法
★ 5.0
基于预测扰动观测器的鲁棒重复控制在时滞系统中的应用——以恒压恒频逆变器为例
Robust Predictive Disturbance Observer-Based Repetitive Control for Time-Delay Systems With Application to CVCF Inverters
| 作者 | Wei Xiong · Zuo Wang · Jing Na · Baoyong Zhang · Shihua Li |
| 期刊 | IEEE Transactions on Industrial Electronics |
| 出版日期 | 2024年7月 |
| 技术分类 | 控制与算法 |
| 相关度评分 | ★★★★★ 5.0 / 5.0 |
| 关键词 | 复合重复控制 预测干扰观测器 时滞系统 周期参考跟踪 直流-交流逆变器 |
语言:
中文摘要
本文针对存在不匹配扰动的时滞系统,通过预测扰动观测器(PDO)提出了一种复合重复控制(RC)方法。重复控制框架由一个内部正反馈回路和一个外部反馈回路组成。在内环中,利用系统模型和固有时间延迟构建周期性参考信号的内模。在外环中,设计了一个简单的控制器来稳定闭环系统。时滞波动和模型不确定性会在提出的内模中引入扰动,这些扰动可能同时包含周期性和非周期性成分。为解决这一问题,在内模中引入了一种新型预测扰动观测器来估计这些扰动。因此,可在存在时滞的情况下实现一种用于周期性参考跟踪的鲁棒控制方案,即PDO - RC。严格的数学分析表明,这种新提出的方法可以同时保证跟踪精度和扰动抑制。最后,将所提出的控制方案应用于调节恒压恒频(CVCF)脉宽调制(PWM)直流 - 交流逆变器的输出电压。实验结果表明,与重复控制和比例谐振微分(PRD)控制相比,该方法实现了更小的电压畸变和更低的总谐波失真(THD)。
English Abstract
This article presents a composite repetitive control (RC) approach for time-delay systems subjected to mismatched disturbances via a predictive disturbance observer (PDO). The RC framework consists of an inner positive feedback loop and an outer feedback loop. In the inner loop, the internal model of the periodic reference is constructed by taking advantage of the system model and the inherent time-delay. In the outer loop, a straightforward controller is designed to stabilize the closed-loop system. Fluctuations in time-delay and model uncertainties would introduce disturbances in the proposed internal model, which may include both periodic and aperiodic components. To address this issue, a novel PDO is introduced in the internal model to estimate these disturbances. As a result, a robust control scheme for periodic reference tracking can be achieved in the presence of time-delay, named PDO-RC. This newly proposed method can simultaneously ensure tracking accuracy and disturbance attenuation, as demonstrated by rigorous mathematical analysis. Finally, the proposed control scheme is applied to regulate the output voltage of a constant-voltage constant-frequency (CVCF) pulse-width-modulation (PWM) dc–ac inverter. Experimental results show that the proposed method achieves smaller voltage distortion and lower total harmonic distortion (THD) compared to RC and proportional resonant differential (PRD) control.
S
SunView 深度解读
从阳光电源的业务视角来看,这项基于预测扰动观测器的鲁棒重复控制技术对我司光伏逆变器和储能系统产品具有重要应用价值。该技术针对恒压恒频(CVCF)PWM逆变器的输出电压调节问题,通过创新性地将预测扰动观测器(PDO)融入重复控制(RC)框架,有效解决了时滞系统中周期性参考跟踪的难题。
技术价值方面,该方案直击我司逆变器产品的核心痛点。在光伏并网逆变器和储能变流器应用中,输出电压的波形质量直接影响系统效率和电能质量。论文实验证明,相比传统RC和比例谐振微分(PRD)控制,该方法能显著降低电压畸变率和总谐波失真(THD),这对提升我司产品在复杂电网环境下的适应性具有实际意义,特别是在弱电网接入、微电网孤岛运行等苛刻工况下。
从技术成熟度评估,该方法已通过CVCF逆变器的实验验证,具备较强的工程化基础。其内环采用正反馈构建周期参考内模,外环实现闭环稳定,架构清晰且易于数字化实现。PDO的引入能同时处理周期性和非周期性扰动,这对应对实际应用中的时滞波动和模型不确定性尤为关键。
技术挑战主要在于参数整定复杂度和计算资源需求。时滞系统的鲁棒性设计需要精确的模型辨识,而PDO的实时预测可能增加DSP或FPGA的计算负荷。但这也为我司提供了差异化竞争机遇:通过将该技术集成到新一代高性能控制平台,可在高端储能变流器和特种电源市场建立技术壁垒,特别是在数据中心UPS、轨道交通供电等对电能质量要求极高的场景中开拓增量市场。