一种插入式快速重复控制器及控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种插入式快速重复控制器及控制方法，用于谐波信号的无静差跟踪 或完全消除，属于工业控制的重复控制器领域。
【背景技术】
[0002] 基于内模原理的重复控制器能够无静差跟踪周期参考信号或扰动而被研究人员 广泛关注。一般的重复控制器采用延时一个基波周期T的延时环节构造基波周期信号的内 模，并将之插入到控制回路中，从而无静差跟踪或消除基波周期为T的信号或其各次谐波 信号。但是重复控制器的动态响应慢一直是研究人员解决的难题。目前由重复控制器和其 他控制器共同构成的复合控制策略是解决重复控制动态响应慢的一种方法，但是这种方法 不仅要设计重复控制器还要考虑其他控制器的设计，因此设计方法较复杂。另一种提高重 复控制器动态性的方法为采用修改内模延时时间的针对某些特定次数的谐波无静差跟踪 或消除的特殊重复控制器，但是这种重复控制器只是针对部分谐波，不能对所有次谐波起 作用，不具有通用性。因此，有必要发明一种设计方便简单，动态性好，又能够对所有次谐波 无静差跟踪或消除的重复控制技术。
【发明内容】
[0003] 本发明的目的是提出一种插入式快速重复控制器及控制方法，以消除重复控制器 中负比例项导致动态响应慢的影响，提高系统的控制带宽和动态响应速度，同时比复合控 制器设计简单，易于实现。
[0004] 为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
[0005] -种插入式快速重复控制器，包括前馈增益模块、重复控制增益模块、正反馈增益 模块、两个加法环、内模常数模块或内模低通滤波器、内模延时模块、补偿器模块，两个加法 环分别为第一加法环和第二加法环，其中，重复控制增益模块的输入端作为所述重复控制 器的输入端和前馈增益模块的输入端，重复控制增益模块的输出端接第一加法环的输入 端，第一加法环的输出端接重复控制器内模常数模块或内模低通滤波器的输入端，内模常 数模块或内模低通滤波器的输出端接内模延时模块的输入端，内模延时模块的输出端接补 偿器模块的输入端，内模延时模块的输出端同时接第一加法环的输入端，补偿器模块的输 出端接第二加法环的输入端，前馈增益模块的输出端接第二加法环的输入端，第二加法环 的输出端作为插入式快速重复控制器的输出端。
[0006] 优选地，所述补偿器模块包含整数相位超前环节或分数相位超前环节，和低通滤 波器。
[0007] 优选地，所述内模延时模块为数字延时模块。
[0008] 优选地，所述内模常数模块为小于等于1的常数，所述内模低通滤波器为零相位 低通滤波器。
[0009] 优选地，所述前馈增益模块为一比例常数，等效为比例环节。
[0010] -种插入式快速重复控制器的控制方法，所述方法如下：
[0011] 前馈增益模块：将重复控制器的输入量经前馈增益模块后输出；
[0012] 重复控制增益模块：将重复控制器的输入量经过重复控制增益得到重复控制增益 模块的输出量，通过调节重复控制增益实现调节所述重复控制器输出信号与参考信号之间 误差的收敛速度；
[0013] 第一加法环：将重复控制增益模块的输出量与内模延时模块的输出量相加得到加 法环的输出量；
[0014] 内模常数模块或内模低通滤波器：第一加法环的输出量经过内模常数模块或低通 滤波器后得到内模延时模块的输入量；
[0015] 内模延时模块：将内模常数模块或低通滤波器的输出量经过一个周期的延时后得 到补偿器的输入量；
[0016] 补偿器模块：将模延时模块的输出量经低通滤波器和整数或分数相位超前补偿后 输出，低通滤波器的参数按所要跟踪或消除的谐波次数确定，相位超前补偿模块参数按低 通滤波器和被控对象的相位滞后情况确定；
[0017] 第二加法环：将补偿器模块的输出和前馈增益环节的输出相加后作为插入式快速 重复控制器的输出。
[0018] 优选地，所述的重复控制器当内模常数为1或零相位地低通滤波器时，其在频域 内能够分解为一个负比例项，一个积分项和无穷多个谐振项，公式描述如下：
[0019]
式（1)
[0020] 其中次为重复控制增益，T。为展开式积分常数，ω。为基波频率，n为谐波次数。
[0021] 优选地，所述的前馈增益模块为一比例常数，其增益为kp αρ>-1/2)，此比例常数 可以减少式（1)中负比例项在动态响应中的负作用，并联之后构成插入式快速重复控制 器，其频域表达式为：
[0022]
[0023] 其中，式⑵右边第一项为正比例项，第二项为积分项，第三项为多谐振项，新的 重复控制器称为插入式快速重复控制器，其等效为一个比例积分多谐振控制器。
[0024] 优选地，所述的相位超前补偿模块的超前拍数为整数或分数，则所述重复控制器 离散传递函数如下：
[0025]
[0026] 其中，U(Z)为插入式快速重复控制器的输出量，e(z)为重复控制器的输入量（控 制系统的误差量），z为离散时间系统的z变换的变量，Q(z)为小于等于1的常数或零相位 低通滤波器，N = fs/f。为整数，f s为采样频率，f。为基波频率。
[0027] 优选地，所述重复控制器的整个控制系统从参数输入到参考输出的离散传递函数 为：
[0028] CN 105159064 A ~P 3/6 页
[0029]
[0030]
[0031] 因此，系统稳定需满足以下两个条件：
[0032] ①l+kpGp(z) = 0的根在单位圆内；
[0033] ② I 1+G"(z) ·60(ζ)|〈〇;
[0034] 对于①，可以通过设计前馈增益模块系数kp满足；对于②，可以进一步推导如下：
[0036] 要满足上式，只需要满足以下不等式：
[0037]
[0038] ，选择适当的重复控制器I、补偿器S (Z)和重复控 制器内模Q(Z)可以是系统稳定。
[0039] 其中，为满足①，只需要根据被控对象Gp(z)，即可简单设计出满足系统要求的k p， 而不必为了提高系统动态响应速度而设计复合控制器中的反馈控制器，这是插入式快速重 复控制器的另一大优点。
[0040] 在实际应用中，有众多kp都满足要求①的情况下，根据①选择k p的具体值，使 Gq(Z)在低频段的增益为常数为最佳，从而保证系统动态响应速度的前提下，使整个系统具 有最大的稳定裕度。
[0041 ] 优选地，还包括减法环模块，第三加法环模块和被控对象模块，其方法如下：
[0042] 减法环模块：将参考输入与第三加法环输出相减得到系统误差，作为插入式快速 重复控制器的输入；
[0043] 第三加法环模块：将被控对象模块的输出与系统的扰动信号相加作为整个系统的 输出；
[0044] 被控对象模块：将插入式快速重复控制器的输出作为被控对象的输入，调节被控 对象的输出。
[0045] 本发明的有益效果是：
[0046] 本发明优点在于引入的前馈增益模块与传统重复控制器并联，消除了重复控制器 中负比例项导致动态响应慢的影响，提高了系统的控制带宽和动态响应速度，同时比复合 控制器设计简单，易于实现。具体为：
[0047] 1、本发明所提出的插入式快速重复控制器可以针对任意次谐波信号进行无误差 跟踪或扰动消除，具有通用性。
[0048] 2、插入式快速重复控制器的前馈增益模块在保证系统稳定的前提下，提高系统控 制带宽，增加动态响应速度。
[0049] 3、插入式快速重复控制器保留了传统复合控制方法优点的同时，只需要设计前馈 通道增益kp，减少了反馈控制器的设计，大大减少控制方法的设计复杂度。
【附图说明】
[0050] 图1为本发明的插入式快速重复控制器系统结构图。
【具体实施方式】
[0051] 下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
[0052] 如图1所示，本发明的插入式快速重复控制器包括前馈增益模块、重复控制增益 模块、正反馈增益模块、两个加法环、内模常数模块或内模低通滤波器、内模延时模块、补偿 器模块，两个加法环分别为第一加法环和第二加法环，其中，重复控制增益模块的输入端作 为重复控制器的输入端和前馈增益模块的输入端，重复控制增益模块的输出端接第一加法 环的输入端，第一加法环的输出端接重复控制器内模常数模块或内模低通滤波器的输入 端，内模常数模块或内模低通滤波器的输出端接内模延时模块的输入端，内模延时模块的 输出端接补偿器模块的输入端，内模延时模块的输出端同时接第一加法环的输入端，补偿 器模块的输出端接第二加法环的输入端，前馈增益模块的输出端接第二加法环的输入端， 第二加法环的输出端作为插入式快速重复控制器的输出端。
[0053] 补偿器模块包含整数相位超前环节或分数相位超前环节，和低通滤波器。
[0054] 内模延时模块为数字延时模块。
[0055] 内模常数模块为小于等于1的常数，所述内模低通滤波器为零相位低通滤波器。
[0056] 前馈增益模块为一比例常数，等效为比例环节。
[0057] 上述插入式快速重复控制器的控制方法为：
[0058] 前馈增益模块：将重复控制器的输入量经前馈增益模块后输出；
[0059] 重复控制增益模块：将重复控制器的输入量经过重复控制增益得到重复控制增益 模块的输出量，通过调节重复控制增益实现调节所述重复控制器输出信号与参考信号之间 误差的收敛速度；
[0060] 第一加法环：将重复控制增益模块的输出量与内模延时模块的输出量相加得到加 法环的输出量；