CN117452822A - 一种基于c语言的重复控制技术编程实现方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于C语言的重复控制技术编程实现方法，包括：构建重复控制器，获取重复控制输出；构建单相并网逆变器模型；基于单相并网逆变器模型初始化重复控制器；基于for循环语句将误差信号和重复控制输出储存到寄存器；基于for循环语句对重复控制输出进行低通滤波；将重复控制器的参数进行优化并生成。本发明基于C语言循环体实现了重复控制的递推结构，并给出了基于C语言的重复控制器稳定性分析及设计指导，为重复控制在实验及实际应用中提供了指导和新的解决方案，突破了传统Simulink代码生成的桎梏，具有可读性强、便于在线修改的优点，为需要周期信号处理能力的设备提供了高效的控制方案。
Description
技术领域
本发明属于C语言编程技术领域，特别是涉及重复控制技术C语言编程实现方法。
背景技术
随着石油、煤炭等传统一次能源的使用，全球环境问题加剧。为解决这一难题，全球大力发展新能源技术。电力电子逆变器是新能源分布式发电***和电网之间的关键接口设备，周期信号的跟踪和谐波抑制能力是评估电力电子逆变器性能的重要指标。基于内模原理的比例谐振控制(Propotional Resoant control,PR)和重复控制(RepetitiveControl,RC)，由于其优秀的周期信号处理能力而被广泛使用。RC通过构造某一周期信号的内模并将之嵌入控制回路，从而实现对该周期性信号（其中包含正弦基波及其各次谐波）的静态无差跟踪控制或扰动消除，已广泛应用于新能源电力电子逆变器。此外，对于电力电子变流器，谐波频率成分的分布有一定的特点，比如，在单相变流器中，谐波主要分布在4k±1（k=1,2,3,…）次处，而对于三相变流器中，谐波主要分布在6k±1（k=1,2,…）次处，在n（n=12,17,24,…）高压直流变流器中，谐波主要分布在nk±1（k=1,2,…）次处。在这种情况下，传统重复控制(Conventional RC,CRC)为满足其跟踪性能而牺牲了动态响应时间，没有做到较好的权衡，不能满足控制需要。鉴于此，奇数次重复控制(Odd RC,ORC)、前馈重复控制(Feedforward RC,FRC)、比例积分多谐振型重复控制(Propotional Integrator MultipleResoant type Repetitive Control,PIMR)等多种改变内模结构的RC被提出，在稳态性能和动态响应之间做到了不错的权衡，比如ORC，应用于单相***中，相对于传统重复控制的一拍延迟减小了2倍提高了动态响应，并且带宽增加一倍，***稳定性得到增强。此外，FRC，其控制带宽更宽，应对频率波动的能力也得到增强。PIMR通过并联比例项，***的动态响应得到了极大改善。
在仿真和实验时，Simulink代码生成具备快捷、简便的特点，省去了写程序代码的时间。然而，重复控制通过Simulink生成的代码，由于各部分代码的调用及生成的顺序与操作者逻辑不同，具有可读性差、更改参数复杂的缺点。过去基于代码生成的仿真实验在参数修改、快速辨析代码段功能等方面存在一些局限性和不足之处，因此，需要在该领域寻找新的技术手段，来改进现有解决方案并满足更高的需求。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于C语言的重复控制技术编程实现方法，以解决上述现有技术存在的问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种基于C语言的重复控制技术编程实现方法，包括：
构建重复控制器，获取重复控制输出；
构建单相并网逆变器模型；
基于所述单相并网逆变器模型初始化所述重复控制器；
基于for循环语句将误差信号和所述重复控制输出储存到寄存器；
基于for循环语句对所述重复控制输出进行低通滤波；
将所述重复控制器的参数进行优化并生成。
可选地，所述重复控制器的构建过程包括：
设计重复控制器内模，基于所述重复控制器内模设计内模滤波器，设计比例增益，设计相位超期补偿器和重复控制增益。
可选地，设计内模滤波器的过程中，将内模滤波器设计为小于1的常数或零相位低通滤波器。
可选地，所述数字低通滤波器S(z)用于衰减高频信号，增强重复控制***稳定性；选取三阶巴特沃斯低通滤波器G f (z)作为低通滤波器S(z)，具体如下所示：其中，z表示被用作复平面上的变量。
可选地，采用相位超前补偿器z m ，用于补偿由被控对象和低通滤波器造成的相位滞后。相位超前补偿可以提高重复控制***的误差收敛速度和跟踪精度。
可选地，基于所述单相并网逆变器模型初始化所述重复控制器的过程包括：
基于重复控制器的参数，在所述单相并网逆变器模型的编辑器中定义内模大小、初始化误差数组、初始化输出数组，定义并赋值重复控制增益、相位补偿、内模系数、并联比例。
可选地，基于for循环语句将误差信号数据和所述重复控制输出数据储存到寄存器中，将当前时刻的重复控制输出数据赋给寄存器数组最后一个存储单元储存；当前时刻的重复控制输出等于第（N-0）前拍的重复控制输出与第（N-m）拍前的误差之和，其中N表示一个基波周期的采样个数，即寄存器数组的大小；m表示补偿***相位的超前拍数，超前选取重复控制输出信号寄存器数组第N-m拍数据，作为当前拍输出。
可选地，基于for循环语句对所述重复控制输出进行低通滤波的过程包括：
基于for循环语句写出三阶低通滤波器差分方程，将所述重复控制输出进行低通滤波。
可选地，将所述重复控制器的参数进行优化并生成的过程包括：
将重复控制器的代码部分写入S-Function编辑器中，对所述S-Function编辑器进行编译，运行代码生成或直接使用Code Composer Studio进行编写。
本发明的技术效果为：
本发明基于逆变器实验平台、计算机、TMS320F28335控制板，提出了重复控制技术的C语言编程实现方法。基于C语言循环体实现了重复控制的递推结构，并给出了基于C语言的重复控制器稳定性分析及设计指导，为重复控制在实验及实际应用中提供了指导和新的解决方案，突破了传统Simulink代码生成的桎梏，具有可读性强、便于在线修改的优点，为需要周期信号处理能力的设备提供了高效的控制方案。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：
图1为本发明实施例中的基于C语言的重复控制技术编程实现方法流程图。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。
需要说明的是，在附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机***中执行，并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。
实施例1
如图1所示，本实施例中提供一种基于C语言的重复控制技术编程实现方法，包括以下步骤：
步骤1：重复控制器同时包含多个正弦信号的内模，可以同时跟踪或抑制多频率的正弦信号。设计好重复控制器内模可以实现无差跟踪周期参考，并进行谐波抑制。CRC的内模为，T 0为参考信号的周期；离散传递函数为/>，Q(z)为内模滤波器，用于改善***的稳定性和鲁棒性；N=f s /f ref是每个周期内的采样点数，也是重复控制延迟拍数，f s和f ref分别是采样周期和参考信号频率。在代码生成后，由于代码段间的调用，如果要修改重复控制器类型，存在难于修改且操作繁琐的问题，需要重新搭建Simulink模型进行编译；
步骤2：设计内模滤波器Q(z)；Q(z)使理想重复控制器的极点由单位圆上向单位圆内移动，用来提高***的稳定性，但同时也破坏了重复控制器的无误差跟踪特性。Q(z)常有两种形式：选为小于1的常数或低通滤波器。选择小于1的常数是为了提高***的稳定范围，且控制***执行简单方便，是目前对***性能要求不高的场合的常见选择，一般可选0.95或0.98。零相位低通滤波器也是Q(z)的一种常见选择。这种情况下，截止频率以内Q(z)=1，而截止频率以外频段Q(z)幅频特性曲线快速下降，因此可以认为，这种情况下，重复控制可以对截止频率以内信号可以实现无误差跟踪；
步骤3：设计比例增益k p；比例增益对稳定性的影响很大，一个合适的比例增益可以使得被控对象低频段幅频响应曲线保持常数，这是重复控制器最希望的被控对象的频率特性，在***稳定的范围内，k p值越大，相频特性在1kHz以内的滞后越小，越有利于***相位补偿；
步骤4：设计补偿环节S(z)、相位超期补偿器z m和重复控制增益K r；需要设计补偿器S(z) 进一步衰减高频开环增益，并使被控对象在截止频率以内的幅频特性曲线保持0 dB。通常补偿环节S(z) 选二阶低通滤波器或低阶巴特沃斯低通滤波器。综合考虑低通滤波器对高频信号的高衰减特性及计算的复杂度，选择三阶巴特沃斯（4-th butter-worthfilter）低通滤波器G f (z)作为补偿器S(z)。截止频率为1 kHz的三阶低通滤波器为：
相位超前补偿器可以补偿由被控对象和补偿环节造成的相位滞后，特别是高频区域的相位滞后。相位超前补偿器z m 可以提供一个角度为θ=m(ω/ω N)180°的超前角度。由于重复控制器存在一个周期的相位滞后，因此，相位超前补偿是可以实现的。相位超前补偿不仅可以使***提高***的稳定性，而且具有较大的控制增益k r，进而使***具有更快的卷积速度和更小的稳态误差，但是稳定裕度变小；
步骤5：为了验证所设计的PIMR控制器C编程实现方法的有效性，建立了基于MATLAB/Simulink的单相并网逆变器模型；控制器部分使用S-Function编辑器，可实现重复控制进行C语言编程；
步骤6：根据设计的重复控制器参数，在编辑器中进行定义：内模大小=采样频率/工频、初始化误差数组、初始化输出数组，定义并赋值重复控制增益、相位补偿、内模系数、并联比例项，初始化重复控制器；
步骤7：利用for循环语句,将误差信号和重复控制器输出储存到寄存器中，其中，当前时刻重复控制输出赋给寄存器数组最后一个储存。重复控制当前时刻的输出等于第(N-0)前拍的重复输出与第(N-m)拍前的误差之和；
步骤8：同理，利用for循环，写出三阶ButterWorth低通滤波器差分方程，将重复控制输出进行低通滤波。当前ButterWorth低通滤波器输出值与当前误差值通过比例项累加，得到PIMR输出，进而调制PWM波形，控制开关器件动作；
步骤9：考虑到建模误差，将上述步骤得到的参数进行优化。将重复控制代码部分写入S-Function编辑器中，其中包括PIMR、锁相环、低通滤波器等C语言代码，对该编辑器进行编译，然后运行Simulink代码生成，或直接使用CCS（Code Composer Studio）编写。控制代码方便在进行试验时快速调试参数、定位功能代码段位置、更改实验条件等，而在传统代码生成中这些操作需要复杂地重新更改Simulink模块参数并进行编译。
本发明提供的重复控制（Repetitive Control）在C语言中实现有以下几个优点，并对应了一些技术点：
如步骤一所述对于正弦周期信号，基于内模原理的重复控制可以通过周期性补偿来减小***输出的周期性误差，从而提高控制***的精度。多种重复控制被广泛提出（前馈重复控制、奇次重复控制、双模重复控制等），所提出的重复控制C语言实现方法，为现已有的各种重复控制策略提供了一个新的平台。
本发明将重复控制代码部分写入S-Function编辑器中，其中包括PIMR、锁相环、低通滤波器等C语言代码，对该编辑器进行编译，然后运行Simulink代码生成，或直接使用CCS（Code Composer Studio）编写。控制代码方便在进行试验时快速调试参数、定位功能代码段位置、更改实验条件等，而在传统代码生成中这些操作需要复杂地重新更改Simulink模块参数并进行编译。
本发明所提方案对***参数变化鲁棒性强：重复控制对于***参数的变化具有一定的鲁棒性，能够适应一定范围内的***参数变化。这种鲁棒性源于以下技术点：通过设计Q(z)可以调整谐振频率处带宽，对频率波动有一定自适应能力。此外所提的C语言编程方式，方便增加自适应算法和参数调整策略，可以对重复控制器的参数进行实时调整。
本发明提出了优化的重复控制，通过设计少量的参数就可以完成复杂的重复控制器设计，C语言作为一种高效的编程语言，在实时***中实现重复控制具有较高的计算效率，能够满足实时性要求。这种高效性来源于以下技术点：
优化重复控制实现：如步骤2、3、4所示对重复控制参数进行优化，提高重复控制的动态性应性能和鲁棒性。通过采用这种可以等效为比例多谐振的并联比例重复控制，只需要优化五个参数就可以完成复杂的重复控制器设计，可以最大限度地减少计算复杂度，提高实时计算效率。
特定硬件加速：在某些情况下，可以使用特定的硬件加速技术，如DSP（TMS320F28335控制板）、FPGA（运算速度比DSP更快），进一步提高计算速度。
以上所述，仅为本申请较佳的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
Claims (9)
1.一种基于C语言的重复控制技术编程实现方法，其特征在于，包括以下步骤：
构建重复控制器，获取重复控制输出；
构建单相并网逆变器模型；
基于所述单相并网逆变器模型初始化所述重复控制器；
基于for循环语句将误差信号和所述重复控制输出储存到寄存器；
基于for循环语句对所述重复控制输出进行低通滤波；
将所述重复控制器的参数进行优化并生成。
2.根据权利要求1所述的基于C语言的重复控制技术编程实现方法，其特征在于，所述重复控制器的构建过程包括：
设计重复控制器内模，基于所述重复控制器内模设计内模滤波器，设计比例增益，设计相位超期补偿器和重复控制增益。
3.根据权利要求2所述的基于C语言的重复控制技术编程实现方法，其特征在于，设计内模滤波器的过程中，将内模滤波器设计为小于1的常数或零相位低通滤波器。
4.根据权利要求2所述的基于C语言的重复控制技术编程实现方法，其特征在于，所述数字低通滤波器S(z)用于衰减高频信号，增强重复控制***稳定性；选取三阶巴特沃斯低通滤波器G f (z)作为低通滤波器S(z)，具体如下所示：
其中，z表示被用作复平面上的变量。
5.根据权利要求2所述的基于C语言的重复控制技术编程实现方法，其特征在于，采用相位超前补偿器z m ，用于补偿由被控对象和低通滤波器造成的相位滞后。相位超前补偿可以提高重复控制***的误差收敛速度和跟踪精度。
6.根据权利要求1所述的基于C语言的重复控制技术编程实现方法，其特征在于，基于所述单相并网逆变器模型初始化所述重复控制器的过程包括：
基于重复控制器的参数，在所述单相并网逆变器模型的编辑器中定义内模大小、初始化误差数组、初始化输出数组，定义并赋值重复控制增益、相位补偿、内模系数、并联比例。
7.根据权利要求1所述的基于C语言的重复控制技术编程实现方法，其特征在于，基于for循环语句将误差信号数据和所述重复控制输出数据储存到寄存器中，将当前时刻的重复控制输出数据赋给寄存器数组最后一个存储单元储存；当前时刻的重复控制输出等于第（N-0）前拍的重复控制输出与第（N-m）拍前的误差之和，其中N表示一个基波周期的采样个数，即寄存器数组的大小；m表示补偿***相位的超前拍数，超前选取重复控制输出信号寄存器数组第N-m拍数据，作为当前拍输出。
8.根据权利要求1所述的基于C语言的重复控制技术编程实现方法，其特征在于，基于for循环语句对所述重复控制输出进行低通滤波的过程包括：
基于for循环语句写出三阶低通滤波器差分方程，将所述重复控制输出进行低通滤波。
9.根据权利要求1所述的基于C语言的重复控制技术编程实现方法，其特征在于，将所述重复控制器的参数进行优化并生成的过程包括：
将重复控制器的代码部分写入S-Function编辑器中，对所述S-Function编辑器进行编译，运行代码生成或直接使用Code Composer Studio进行编写。
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Non-Patent Citations (3)
| Title |
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN117452822B (zh) | 2024-06-14 |
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