专利名称：基于负载辨识的比例积分微分控制方法及其不间断电源的制作方法
技术领域：
本发明涉及电源数字控制技术，具体涉及一种基于负载辨识的比例积分微分(PID)控制方法及其控制的UPS(不间断电源)。
目前市场上的UPS产品，受数字控制技术的限制，其逆变部分的控制方法绝大多数采取模拟方式，分有效值调节和瞬时值调节。然而，就控制方式的发展方向来看，通常采用数字控制方法，由于数字控制方法能灵活地改善系统的静、动态性能指标，显著地增强系统的工作稳定性和可靠性，且可降低其硬件成本和生产成本，缩短产品开发周期，扩大产品优化空间。但就目前产品和文献中来看，现有的数字控制方法，采用数字化控制的UPS大多必须采用速度快、功能强的CPU芯片(如32位DSP)，以减小数字电路存在一些不可避免的时间延迟(如采样延迟、计算延迟、调制延迟等)对波形整形的影响。这样，由于硬件成本的限制，使得采用数字控制方法的直流/交流逆变器难以在实际UPS产品中得到广泛应用。
本发明的目的在于提供一种UPS的数字控制方法，利用这种数字控制方法的UPS，可以用较低成本的微处理器制造性能较好的逆变器，成本低、可靠性高。
本发明的另一目的在于提供一种应用上述数字控制方法的UPS，其具有成本低、可靠性高的优点。
实现本发明的目的基于这样的认识当UPS带线性负载时，若采用PID控制器，则PID控制器的比例调节器参数Kp不能太大，否则由于微处理器的限制，输出电压波形就容易抖动；当UPS带非线性负载时，若采用PID控制器，则PID控制器的比例调节器参数Kp不能太小，否则输出电压波形的失真度就不能达标(THD＜5％)。为了使控制器能同时兼容两种负载，有必要对负载类型进行辨识。由于当UPS带线性负载和非线性负载时，最明显的区别在于其输出的负载电流上，因此，可以构造一种基于负载辨识的PID控制方法，首先根据UPS负载电流来识别所带负载类型，然后依据不同负载类型调整PID的比例调节器参数Kp，实现对逆变器的输出电压波形的整形，具体地说，按照本发明提供的控制方法，包括以下步骤计算在一个工频周期T内大电流采样点数Count的值；根据不同的负载电流情况，识别出UPS负载类型，即对大电流采样点数Count与参照值A进行大小比较来识别UPS负载类型；根据识别出的UPS负载类型，调整PID的比例调节器参数Kp；计算逆变器的控制量Vi以Kp作为PID的比例调节器参数，对计算输出电压误差E进行PID调节，得出对逆变器的控制量Vi。
在按照本发明提供的方法中，所述根据不同的负载电流情况，对UPS所带负载进行区分即对大电流采样点数Count与参照值A进行大小比较，包括以下步骤如果一个工频周期的Count＞A，则计数器N＝N+1；
如果一个工频周期的Count＜＝A，则UPS所带负载为线性负载；如果持续B个工频周期，每个工频周期的大电流采样点数Count都大于A即计数器N＞＝B，则UPS所带负载为非线性负载。
以上涉及的参数A、B、X可根据具体实验确定，其中，B可以选择为3。
在本发明提供的方法中，上述计算一个工频周期T的大电流采样点数Count的值，包括以下步骤采样负载电流有效值Irms作为判断出现大电流采样点的参照值；每一中断周期采样一次负载电流，并取其绝对值Iout；比较Iout和Irms如果Iout＞X*Irms，则认为负载电流出现了一个大电流采样点，大电流采样点数Count＝Count＋1。
上述的根据UPS所带负载类型不同，调整比例调节器参数Kp，具体步骤如下如果UPS所带负载为线性负载，PID的比例调节器参数Kp取较小值；如果UPS所带负载为非线性负载，PID的比例调节器参数Kp取较大值。
本发明的另一目的是这样实现的，构造一种采用PID数字控制的UPS，这种UPS中的逆变器采用了基于负载辨识控制的PID控制器来控制输出电压波形，它包括减法器用于将参考电压Vref和输出电压Vo相减产生输出电压误差E；
负载识别单元根据不同负载的负载电流的不同，对UPS所带负载进行区分，并根据负载类型不同，调整输出的PID控制器的参数Kp；线性PID控制器将负载识别单元输出的Kp作为PID的比例调节器参数，对输入的输出电压误差E进行线性PID控制，产生逆变器的控制量Vi。
在按照本发明提供的UPS中，上述负载识别单元包括采样器用于采样负载电流的有效值Irms，作为判断出现大电流采样点的参照值；采样器用于每一中断周期采样一次负载电流，并取其绝对值Iout；比较器比较Iout和X*Irms的大小；计数器(Count)将比较器的比较结果输入计数器，如果Iout＞X*Irms，则认为负载电流出现了一个大电流采样点，Count＝Count＋1；比较器比较一个工频周期T内大电流采样点数Count和参考值A的大小a、如果一个工频周期的Count＞A，则计数器(N)N＝N＋1；b、如果一个工频周期的Count＜＝A，则UPS所带负载为线性负载；c、如果持续B个工频周期，每个工频周期的大电流采样点数Count都大于A即计数器N＞＝B，则UPS所带负载为非线性负载(参数A、B、X根据具体实验确定)；
计数器(N)如果持续B个工频周期，每个工频周期的大电流采样点数Count＞A即N＞＝B，则UPS所带负载为非线性负载；调节器根据UPS所带负载类型，调整负载识别控制比例调节器参数Kp，如果UPS所带负载为非线性负载，控制比例调节器参数Kp取较大值，如果UPS所带负载为线性负载，控制比例调节器参数Kp取较小值。上面涉及到的参数A、B、X，可根据具体实验确定，其中B可取为3。
实施本发明的控制方法及其控制的UPS，由于采用基于负载识别的PID控制技术，当负载为线性负载时，能有效控制比例调节器参数Kp不至于太大；当负载为非线性负载时，能有效控制比例调节器参数Kp不至于太小。因此，当UPS带线性负载时，输出电压不易出现抖动；当UPS为非线性负载时，输出电压波形能够满足失真度的要求(THD＜5％)，即使在带功率因数较低(小于0.7)、电流峰制值比较高(大于3∶1)的额定整流性负载时亦可获得较好的输出电压波形。由于负载识别PID控制方法可以在价格比较低廉的CPU(如单片机、16位定点DSP)上得到实现，这样可以有效地减低UPS系统的硬件成本，增强中小容量在线式UPS的市场竞争力。此外，采用负载识别的PID控制技术的UPS输出电流波形也比较稳定。
下面结合附图和具体实施例，对本发明作进一步说明，附图中
图1是采用负载识别PID控制的UPS的逆变器控制原理示意图；图2是负载识别及PID系数调整流程图；图3是计算大电流采样点数的流程图。
如图1所示，在按照本发明提供的基于负载辩识的PID控制方法控制的UPS中，包括一个减法器10用于将参考电压Vref和输出电压Vo相减产生输出电压误差E，一个负载识别单元40用于根据不同负载的负载电流的不同，对UPS所带负载进行区分，并根据负载类型不同，调整输出的PID控制器的参数Kp；一个线性PID控制器20用于将来自负载识别单元40(调节器5)的Kp作为PID的比例调节器参数，对输入的输出电压误差E进行线性PID控制，产生逆变器的控制量Vi提供给逆变器30。在图中以虚线框表示负载识别单元40包括一个采样器1用于采样负载电流的有效值Irms，作为判断出现大电流采样点的参照值；一个采样器2用于每一中断周期采样一次负载电流，并取其绝对值Iout；一个比较器3，用于比较Iout和X*Irms的大小；一个计数器(Count)6将比较器3的比较结果输入计数器3，如果Iout＞X*Irms，则认为负载电流出现了一个大电流采样点，Count＝Count＋1；一个比较器4，用于比较一个工频周期T内大电流采样点数Count和参考值A的大小具体包括以下功能a、如果一个工频周期的Count＞A，则计数器(N)N＝N＋1；b、如果一个工频周期的Count＜＝A，则UPS所带负载为线性负载；c、如果持续B个工频周期，每个工频周期的大电流采样点数Count都大于A即计数器N＞＝B，则UPS所带负载为非线性负载；一个计数器(N)7，如果持续B个工频周期，每个工频周期的大电流采样点数Count＞A即N＞＝B，则UPS所带负载为非线性负载；一个调节器5用于根据UPS所带负载类型，调整负载识别控制比例调节器参数Kp，如果UPS所带负载为非线性负载，控制比例调节器参数Kp取较大值，如果UPS所带负载为线性负载，控制比例调节器参数Kp取较小值。上面涉及到的参数A、B、X，可根据具体实验确定，其中B可取为3。
如图2所示，负载识别及PID系数调整的方法，包括以下步骤，其中，参数A、B、X可根据具体实验确定，B可以是3。
1、比较大电流采样点数Count与参照值A的大小(框101)，其中大电流采样点数Count的计算取得如图3所示；a、如果一个工频周期内Count＞A，则对满足Count＞A条件的连续工频周期数进行计数N＝N＋1(框102)；b、如果一个工频周期的Count＜＝A，则将N置零(框106)，UPS所带负载为线性负载，Kp取较小值(框107)。
2、判断N＞＝3是否成立(框103)a、如果持续3个工频周期，每个工频周期的大电流采样点数Count都大于A，即计数器N＞＝3，则令N＝3(框104)，UPS所带负载为非线性负载，Kp取较大值(框105)；b、如果不满足持续3个工频周期，每个工频周期的大电流采样点数Count都大于A，即计数器N＜3，则UPS所带负载为线性负载，Kp取较小值(框107)。
如图3所示，计算大电流采样点数的方法，具体有以下环节1、计算上一工频周期负载电流有效值Irms，将Irms作为判断出现大电流采样点的参照值(框201)；2、计算每一中断周期一次负载电流的绝对值Iout(框202)；
3、比较Iout和Irms(框203)如果Iout＞X*Irms，则认为负载电流出现了一个大电流采样点，大电流采样点数Count＝Count＋1(框204)，否则直接跳至判断工频周期T是否结束(框205)；4、判断工频周期T是否结束(框205)，如果工频周期T已结束，则输出大电流采样点数Count(框206)，结束本子程序；如果工频周期T未结束，则开始下一中断周期一次负载电流的绝对值Iout的计算，即转至(框202)。
权利要求
1.一种基于负载辨识的PID控制方法，其特征在于，包括以下步骤计算一个工频周期T内大电流采样点数Count的值比较大电流采样点数Count与参照值A，对UPS所带负载进行识别区分；根据UPS所带负载类型不同，调整负载识别控制PID的比例调节器参数Kp；计算逆变器的控制量Vi以Kp作为PID的比例调节器参数，对计算输出电压误差E进行PID调节，得出控制量Vi。
2根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述比较大电流采样点数Count与参照值A，对UPS所带负载进行识别识别区分，包括以下步骤a、如果一个工频周期的Count＞A，则计数器N＝N＋1；b、如果一个工频周期的Count＜＝A，则UPS所带负载为线性负载；c、如果持续B个工频周期，每个工频周期的大电流采样点数Count都大于A即计数器N＞＝B，则UPS所带负载为非线性负载。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述参数B可以是3。
4.根据权利要求1所述方法，其特征在于，计算一个工频周期T内大电流采样点数Count的值包括以下步骤采样负载电流有效值Inns作为判断出现大电流采样点的参照值；每隔一段时间采样一次负载电流，并取其绝对值Iout；比较Iout和Irms如果Iout＞X*Irms，则认为负载电流出现了一个大电流采样点，大电流采样点数Count＝Count＋1。
5.根据权利要求1所述方法，其特征在于，根据UPS所带负载类型不同，调整PID控制器的比例调节器参数Kp，具体步骤如下如果UPS所带负载为非线性负载，控制比例调节器参数Kp取较大值；如果UPS所带负载为线性负载，控制比例调节器参数Kp取较小值。
6.一种不间断电源，其特征在于所述UPS中的逆变器采用基于负载辨识控制的PID控制方法控制输出电压波形，它包括减法器用于将参考电压Vref和输出电压Vo相减产生输出电压误差E；负载识别单元根据不同负载的负载电流的不同，对UPS所带负载进行区分，并根据负载类型不同，调整比例调节器参数Kp；线性PID控制器将调节器5输出的Kp作为PID的比例调节器参数，对输入的输出电压误差E进行线性PID控制，产生逆变器的控制量Vi。
7.根据权利要求6所述UPS，其特征在于，所述负载识别单元包括采样器(1)用于采样负载电流的有效值Irms，作为判断出现大电流采样点的参照值；采样器(2)用于每隔一段时间采样一次负载电流，并取其绝对值Iout；比较器(3)用于比较Iout和X*Irms的大小；计数器(Count)将比较器(3)的比较结果输入计数器，如果Iout＞xIrms，则认为负载电流出现了一个大电流采样点，Count＝Count＋1；比较器(4)比较一个工频周期T内大电流采样点数Count和参考值A的大小a、如果一个工频周期的Count＞A，则计数器(N)N＝N＋1；b、如果一个工频周期的Count＜＝A，则UPS所带负载为线性负载；c、如果持续B个工频周期，每个工频周期的大电流采样点数Count都大于A即计数器N＞＝B，则UPS所带负载为非线性负载，其中，参数A、B、X根据具体实验确定。计数器(N)如果持续B个工频周期，每个工频周期的大电流采样点数Count＞A即N＞＝B，则UPS所带负载为非线性负载；调节器(5)根据UPS所带负载类型，调整负载识别控制比例调节器参数Kp，如果UPS所带负载为非线性负载，控制比例调节器参数Kp取较大值，如果UPS所带负载为线性负载，控制比例调节器参数Kp取较小值。
8.根据权利要求7所述UPS，其特征在于，参数B可以是3。
9.根据权利要求7所述UPS，其特征在于，所述采样器(1)、采样器(2)、比较器(3)、计数器(Count)、比较器(4)、计数器(N)、调节器(5)可以包含在一个CPU中。
全文摘要
一种基于负载辨识的UPS控制方法及其控制UPS,通过计算一个工频周期T内大电流采样点数Count的值并将之与参照值A比较来识别UPS负载类型,再据此调整PID比例调节器参数Kp,即非线性UPS负载,Kp取较大值;线性UPS负载,Kp取较小值。从而实现对逆变器的输出电压波形的控制,使应用这种数字控制方法控制的UPS具有成本低、可靠性高的优点。
文档编号H02M7/00GK1329390SQ0011718
公开日2002年1月2日 申请日期2000年6月15日 优先权日2000年6月15日
发明者孙文焕, 周党生, 张云祥 申请人:深圳市华为电气技术有限公司