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分数相位超前迭代学习控制和重复控制的算法研究及应用

作　者: 潘雪
导　师: 叶永强
学　校: 南京航空航天大学
专　业: 控制理论与控制工程
关键词: 分数相位超前迭代学习控制跟踪精度低采样率重复控制稳定性谐波抑制
分类号: TP13
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

相位超前迭代学习控制（Phase Lead-Iterative Learning Control, PL-ILC）和重复控制（Repetitive Control, RC）都是高精度的学习控制。这两种控制算法有一个共同的关键环节，即相位超前环节。受到数字采样率的限制，传统的相位超前环节的超前拍次只能取整数，以至于控制系统性能受限甚至出现不稳定现象。本文将相位超前环节进行扩展，把超前拍次从传统的整数域扩展到分数域，并通过拉格朗日插值近似实现。这种改进改善了传统相位超前迭代学习控制和重复控制的不足，同时赋予了控制系统新的意义。对于迭代学习控制，相位超前环节用于补偿系统的相位滞后，提高可学习带宽和信号跟踪精度。但是传统整数相位超前的超前拍次在整数域，不能够连续无级调节，因而无法使控制系统性能达到最优。文中提出的分数线性相位超前迭代学习控制扩大了超前拍次的取值范围，因而利于系统性能的优化。这种分数域的超前拍次利用拉格朗日FIR滤波器进行近似实现。和传统的相位超前迭代学习控制类似，论文依据频域误差收敛条件以及模型不确定性，给出超前拍次及学习增益的选择范围。通过连续调节超前拍次来提高系统的可学习带宽，以达到更高的跟踪精度。并以机械臂为被控对象对整数与分数的相位超前补偿效果进行比较。仿真结果表明分数线性相位超前比整数线性相位超前更能提高系统的可学习带宽及跟踪精度。对于传统的重复控制，虽然能够很好的解决逆变器输出谐波问题，但在低采样率时，控制系统不容易稳定。事实上，在大功率逆变器应用场合，功率器件的开关频率一般较低，因此控制系统的采样频率也相应较低。此时，传统的重复控制的应用将出现困难。本文提出将重复控制中的相位补偿环节进行改进，而分数相位超前重复控制方案不仅扩大了系统的稳定裕度，还减小了稳态误差。文中依据逆变器的频率特性给出了三个主要参数——陷波器、低通滤波器和超前环节的设计步骤，并搭建了基于SimPowerSystems的逆变器重复控制仿真平台和基于Quanser半物理仿真的实验平台。仿真及实验结果表明，分数相位超前重复控制具有更好的稳定性与谐波抑制效果。

全文目录

摘要  4-5
ABSTRACT  5-15
第一章绪论  15-24
  1.1 迭代学习控制  15-18
    1.1.1 迭代学习控制的研究背景与研究现状  15-17
    1.1.2 相位超前迭代学习控制  17
    1.1.3 分数相位超前迭代学习控制  17-18
  1.2 重复控制  18-22
    1.2.1 重复控制的研究背景  18-19
    1.2.2 重复控制的研究现状及逆变器控制  19-21
    1.2.3 分数相位超前重复控制  21-22
  1.3 相位超前环节在迭代学习控制和重复控制中的作用  22
  1.4 本文的主要研究内容  22-24
第二章相位超前迭代学习控制的基本原理  24-31
  2.1 迭代学习控制的基本描述  24-26
  2.2 相位超前迭代学习控制  26-27
  2.3 传统相位超前迭代学习控制的不足与解决方案  27-28
  2.4 分数相位超前迭代学习控制的原理  28-29
  2.5 本章小结  29-31
第三章分数相位超前迭代学习控制的实现与仿真验证  31-48
  3.1 分数相位超前环节的实现  31-37
    3.1.1 离散域延迟的滤波器实现  31-32
    3.1.2 分数延迟的理想滤波器实现  32-33
    3.1.3 基于 FIR 滤波器实现的分数相位延迟  33-34
    3.1.4 拉格朗日插值法 FIR 实现的分数线性相位超前  34-37
  3.2 分数相位超前迭代学习控制的设计  37-42
    3.2.1 超前拍次的确定  38-40
    3.2.2 学习增益的确定  40-41
    3.2.3 学习带宽的确定  41
    3.2.4 分数相位超前的验证  41-42
  3.3 仿真与分析  42-47
    3.3.1 仿真结果  43-44
    3.3.2 稳态误差分析  44-46
    3.3.3 动态响应分析  46-47
  3.4 本章小结  47-48
第四章重复控制的基本原理  48-62
  4.1 内模原理及改进  48-55
    4.1.1 内模原理  48-51
    4.1.2 内模的改进  51-53
    4.1.3 控制对象的补偿  53-55
  4.2 重复控制的性能分析  55-57
    4.2.1 稳定性分析  55
    4.2.2 抗谐波干扰性分析  55-56
    4.2.3 抗谐波干扰分析  56-57
  4.3 低采样率下传统重复控制器存在的问题  57-58
  4.4 分数相位超前重复控制的原理  58-60
  4.5 本章小结  60-62
第五章分数相位超前重复控制在逆变器中的应用  62-85
  5.1 逆变器原理  62-64
  5.2 分数相位超前重复控制的设计  64-71
    5.2.1 陷波器的设计  65-66
    5.2.2 低通滤波器的设计  66-67
    5.2.3 超前拍次 m 和内模参数 Q 的选取  67-70
    5.2.4 分数超前拍次 m 的实现  70-71
  5.3 仿真及结果分析  71-77
    5.3.1 基于 MATLAB 的重复控制快速建模  71-73
    5.3.2 逆变系统及重复控制的 SimPowerSystems 建模  73-77
  5.4 实验及结果分析  77-80
    5.4.1 实验硬件电路  77-78
    5.4.2 实验软件环境  78-79
    5.4.3 实验结果  79-80
  5.5 无差拍控制和分数相位超前重复控制相结合的复合控制  80-84
    5.5.1 无差拍控制建模  80-83
    5.5.2 采用无差拍控制的逆变器仿真  83
    5.5.3 无差拍控制和分数相位超前重复控制策略  83-84
  5.6 本章小结  84-85
第六章总结与展望  85-87
  6.1 本文的主要工作  85
  6.2 进一步的工作展望  85-87
参考文献  87-92
致谢  92-93
攻读硕士学位期间发表的学术论文  93

分数相位超前迭代学习控制和重复控制的算法研究及应用

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