[科普中国]-双环反馈控制

反馈控制是指在某一行动和任务完成之后，将实际结果进行比较，从而对下一步行动的进行产生影响，起到控制作用。

专业释义

电子、通信与自动控制技术。

双环反馈控制的单相UPS逆变器的控制算法针对单相UPS逆变器输出电压、电流波形不稳定和畸变的问题，设计了双环反馈控制算法。分析并建立了单相UPS逆变器控制系统的模型，构建了系统输出电压、电流的反馈环路，分别在开环、单环反馈和双环反馈控制方式下进行仿真，并对比了逆变器输出的电压、电流波形。通过仿真和实验证明该双环反馈控制算法应用在单相UPS逆变器中较开环和单环反馈控制算法具有更好的控制效果。1

开环控制在开环控制下的仿真输出波形中的实线波形为负载两端的电压波形曲线，虚线波形为流过负载Load1的电流波形曲线，可以看到在仿真开始的0.1s内电压、电流的波动都比较大，整个仿真过程中，逆变器输出电压、电流的波形都表现出不稳定和畸变的情况。1

环反馈控制为了解决输出电压、电流波形不稳定和畸变的问题，在控制器中引入反馈量，通常的做法是把输出电容电压或者输出电感电流作为反馈量，来实现系统的闭环控制。由于电感电流滞后于电压，且电容电压超前于电流，所以，把电容电压作为反馈量是比较合适的。在电压闭环控制系统下的仿真输出波形中可以看到输出电压明显比开环控制系统下的更加稳定，但是仿真的前0.1s内输出的电压和电流波形畸变依然比较严重。1

双环反馈控制的逆变器在电压闭环反馈控制的基础上，再引入电感电流作为反馈量，在这里把电感电流作为内环反馈，电容电压作为外环反馈，以实现双环反馈控制。在双环反馈控制系统下的仿真输出波形中可以看到在整个仿真过程中逆变器输出的电压、电流波形都非常稳定且基本无畸变，解决了逆变器输出电压、电流波形不稳定和畸变的问题。1

双环反馈控制ups逆变电路的设计与仿真抽象ups实际电路建立被控对象模型，利用电压电流双环反馈控制策略，构造双闭环反馈控制系统；设计电流、扰动观测器以补偿时延和扰动，推导无差拍电流控制器；电压控制器采用比例积分控制器；利用MATLAB软件仿真电路，分析性能。2

具有双环反馈的UPS在采用内电流环外电压环的双环反馈控制策略。外电压环是利用输出电压反馈构成闭环，在外电压环中包含有一个利用滤波电容器B的电流反馈构成的内电流环，内电流环的主要作用是为了增加电压控制系统的稳定性并能精确控制电容器B的电流。由此，可以得到双环控制系统。其中，D(s)是电流控制器、E(s)是电压控制器。PWM逆变器可以看成是由比例增益Ka、采样电路和零阶保持器组成。负载电流iL以及参数变化是系统的扰动量。

其中，时延F(s)=exp(-Tds)，零阶保持器H(s)={1-exp(-tsis)}/s，Kct、KT为传感器增益，Ka为比例增益，Fai、Fse为电流、电压采样频率。2

外电压环仿真对外电压环控制的外电压环进行 ;MATLAB仿真，当输入信号为阶跃信号时，仿真结果如输入为阶跃信号时外电压环仿真结果。

由输入为阶跃信号时外电压环仿真结果可以看出，当选取最佳阻尼比ζ=0.707，在此设计的电压控制器E(z)的作用下，此二阶系统暂态响应的调整时间ts=0.3ms，但是由于闭环传递函数中存在分子零点的影响，使得阶跃响应输出的最大超调量Mp比较大。

为了解决Mp比较大的问题，在以上设计的基础上对PI比例积分进行细调，选取kp=1.2×10-4,K1=0.4×10-6。在输入为阶跃信号时外电压环仿真结果阶跃输入信号的作用下，可得到阶跃输入信号下的输出电压波形的输出电压波形。

由内电流环、双环反馈UPS的仿真结果可见，利用双环反馈控制策略控制UPS逆变电路，即使在加入100%负载扰动的情况下，内电流环在电流控制器以及电流、扰动观测器的共同作用下，仍可以实现无差拍的精确电流控制，并能补偿时延和扰动的影响；最终在逆变电路的输出端得到220V的优质正弦波。由阶跃输入信号下的输出电压波形还可以进一步看出，此二阶系统能得到暂态响应比较好的综合性能指标，调整时间ts〈2ms，最大超调量Mp=1.5V。2

本词条内容贡献者为:

王沛 - 副教授、副研究员 - 中国科学院工程热物理研究所