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三相电压型PWM整流器PI调节器参数整定的原理和方法

三相电压型

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三相电压源型 PWM 整流器

PI 调节器参数整定的原理和方法

1 引言

1.1 PID 调节器简介

在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，

简称 PID 控制，又称 PID 调节。PID 控制器问世至今已有近 70 年历史，它以其结

构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。目

前，在工业过程控制中，95%以上的控制回路具有 PID 结构。当被控对象的结构

和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型，控制理论的其它技术难以采

用时，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用 PID

控制技术最为方便。PID 控制，实际中也有 PI 和 PD 控制。PID 控制器就是根据

系统的误差，利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制的，其原理图如图

1-1 所示。

图 1-1 PID 控制系统原理图

PID 控制器传递函数常见的表达式有以下两种：

（1），Kp 代表比例增益，Ki 代表积分增益，Kd 代表

微分增益；

（2）（也有表示成），Kp 代表

比例增益，Ti 代表积分时间常数，Td 代表微分时间常数。

这两种表达式并无本质区别，在不同的仿真软件和硬件电路中也都被广泛

采用。

 比例（P，Proporon）控制

比例控制是一种最简单的控制方式，其控制器的输出与输入误差

信号成比例关系，能及时成比例地反映控制系统的偏差信号，偏差一

旦产生，调节器立即产生控制作用，以减少偏差。当仅有比例控制时

系统输出存在稳态误差（Steady-state error）。

 积分（I，Integral）控制

在积分控制中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。

对一个自动控制系统，如果在进入稳态后存在稳态误差，则称这个控

制系统是有稳态误差的或简称有差系统（ System with Steady-state

Error）。为了消除稳态误差，在控制中必须引入“积分项”。积分项对误

差取决于时间的积分，随着时间的增加，积分项会增大。这样，即便

误差很小，积分项也会随着时间的增加而加大，它推动控制器的输出

增大使稳态误差进一步减小，直到等于零。因此，比例+积分（PI）控

制器，可以使系统在进入稳态后无稳态误差。积分作用的强弱取决于

积分时间常数 Ti，Ti 越大，积分作用越弱，反之则越强。

 微分（D，Di#erenal）控制

在微分控制中，控制器的输出与输入误差信号的微分（即误差的

变化率）成正比关系。自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会

出现振荡或者失稳。其原因是在于由于存在有较大惯性组件（环节）

或有滞后（delay）组件，具有抑制误差的作用，其变化总是落后于误

差的变化。解决的办法是使抑制误差的作用“超前”，即在误差接近零时，

抑制误差的作用就应该是零。这就是说，在控制器中仅引入“比例”项往

往是不够的，比例项的作用仅是放大误差的幅值，而目前需要增加的

是“微分项”，它能预测误差变化的趋势，这样，具有比例+微分的控制

器，就能够提前使抑制误差的控制作用等于零，甚至为负值，从而避

免了被控量的严重超调。所以对有较大惯性或滞后的被控对象，比例+

微分（PD）控制器能改善系统在调节过程中的动态特性。

P 环节作为 PID 调节的灵魂，是必不可少的，I 和 D 不可能单独存在而起到

调节作用。常见的调节器有 P 调节、PI 调节、PD 调节、PID 调节，在实际应用

中，PI 调节相对于 PD、PID 调节用的更多。

PID 调节器的参数整定是控制系统设计的核心内容。它是根据被控过程的特

性确定 PID 调节器的比例增益、积分时间和微分时间的大小。PID 调节器参数整

定的方法很多，概括起来有两大类：一是理论计算整定法。它主要是依据系统

的数学模型，经过理论计算确定调节器参数。这种方法所得到的计算结果未必

可以直接用，还必须通过工程实际进行调整和修改。二是工程整定方法，它主

要依赖工程经验，直接在控制系统的试验中进行，方法简单，易于掌握，在实

际工程中被广泛采用。

1.2 柔性直流控制系统中包含的 PI 环节

电压源换流器的控制方式主要可以分为间接电流控制和直接电流控制两大

类。间接电流控制，实际上就是所谓的“电压幅值相位控制”，即通过控制换流

器交流侧输出电压基波的幅值和相位来达到控制目标。此控制方式的特点是结

构简单，但存在着交流侧电流动态响应慢、难以实现过电流控制等缺陷。目前，

占主导地位的是直接电流控制，也称为“矢量控制”，通常由外环电压控制和内

环电流控制两个环构成，具有快速的电流响应特性和很好的内在限流能力，因

此很适合应用于高压大功率场合的柔性直流系统。

在直接电流控制策略中，电压外环跟踪系统级控制器给定的参考信号，采

用实际值与参考值相比较经 PI 调节器输出电流指令，可以实现定直流电压、定

有功功率、定频率、定无功功率、定交流电压等控制目标。电流内环主要是按

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qq_38100207

2017-12-23

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