电子与自动控制领域闭环控制方法之双环反馈控制

双环反馈控制是电子与自动控制领域的一种闭环控制方法，由内环电流反馈和外环电压反馈构成双闭环系统。该方法通过建立逆变器模型，采用比例积分电压控制器和无差拍电流控制器，结合电流、扰动观测器补偿时延和负载扰动，主要应用于单相UPS逆变器以改善输出电压波形畸变问题，实现220V优质正弦波输出 。其技术方案包含电压外环与电流内环的串级结构，电压调节器输出作为电流调节器输入，两者均采用PI调节器提升静动态性能。MATLAB仿真显示，在100%负载扰动下系统调整时间小于2ms [2]。该技术也被应用于高频开关电源并联系统，通过五台单机并联实现72KW稳压输出 。在SPWM逆变电源中，电流环设计通过PI调节器优化系统带宽，并被引证文献应用于光伏发电、电机控制等工程领域 。

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。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。

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。

控制系统反馈的作用，在控制系统中，反馈是非常重要的一环。它的作用在于帮助系统在工作中保持稳定，提高系统的精度和可靠性。控制系统的稳定性可以通过反馈控制实现，通过测量目标值和实际值之间的误差，调节输出信号，使得系统能够快速响应和稳定控制。反馈控制还可以使得系统对外部干扰和变化保持不敏感，从而提高了系统的可靠性。

反馈控制的实现方法，反馈控制有两种方法：负反馈和正反馈。

1.负反馈

负反馈是应用最广泛的一种控制方法。它通过比较目标值和实际值之间的误差来调节输出信号，使得系统能够稳定控制。具体实现中，负反馈将输出信号和目标值之间的误差反馈回输入端，通过比较误差的大小来控制反馈信号的大小和方向。这样可以保持系统输出信号的稳定性和精度，避免产生过大或过小的偏差。

2.正反馈

正反馈是一种较少使用的控制方法，它对系统的稳定性产生不利影响。正反馈通过将输出信号和目标值之间的误差反馈回输入端，增强了原始输入信号，导致系统输出信号不断增大，直到系统失控为止。因此，在实际应用中，正反馈很少使用。

反馈控制作为控制系统中的一种重要方法，可以提高系统的精度、稳定性和可靠性。负反馈是最常用的一种反馈控制方法，能够通过测量目标值和实际值之间的误差来调节输出信号，从而使得系统能够稳定控制。与此相比，正反馈则对系统的控制不利，很少使用。

Buck电路是一种广泛使用的DC-DC转换器，它通过控制开关元件的导通和关断来降低输入电压。为了维持稳定的输出电压，反馈控制方法在Buck电路中扮演着核心角色。

Buck电路主要由四个主要部件组成：一个开关元件(通常是MOSFET)，一个电感器，一个二极管和一个电容器。开关元件控制电流流向电感器和负载，而电感器则存储能量并在开关元件关断时释放能量。二极管允许在开关元件关断时继续向负载供电，而电容器则平滑输出电压。

反馈控制是确保Buck电路输出电压稳定的关键。它通过比较期望的输出电压(参考电压)与实际输出电压，并调整开关元件的导通时间来实现。这种调整确保了输出电压即使在输入电压或负载变化时也能保持恒定。模拟反馈控制是最早的控制方法之一，它使用模拟电路来实现反馈。这种方法简单且成本较低，但可能受到温度和电源变化的影响，导致精度下降。

随着微控制器和数字信号处理器(DSP)技术的发展，数字反馈控制成为了一种流行的选择。数字控制允许更复杂的算法实现，如PID控制，它可以提供更好的动态响应和稳定性。然而，数字控制需要更多的硬件资源和处理能力。

混合反馈控制结合了模拟和数字控制的优点。它通常使用模拟电路来实现快速响应，而数字电路则用于精确控制和调整。这种方法提供了灵活性和准确性，但可能比纯模拟或纯数字控制更复杂。反馈网络，反馈网络是Buck电路中的关键部分，它包括一个电压分压器和一个比较器。电压分压器将输出电压降低到可以由比较器处理的水平，而比较器则比较参考电压和分压后的输出电压。

误差放大器，误差放大器是反馈网络的一部分，它放大参考电压和分压后的输出电压之间的差异。这个误差信号随后用于控制开关元件的导通时间。补偿网络，为了改善系统的稳定性和响应，补偿网络被用来调整反馈控制回路。这通常涉及到使用RC网络来设置系统的带宽和相位裕度。

控制策略，比例控制(P控制)，比例控制是最简单的控制策略，它直接将误差信号与开关元件的导通时间成比例地关联。这种方法简单，但可能导致输出电压的过冲和欠冲。

比例-积分控制(PI控制)，PI控制通过添加积分项来改善P控制，这有助于消除稳态误差。然而，PI控制可能会增加系统的响应时间。比例-积分-微分控制(PID控制)，PID控制是最先进的控制策略之一，它结合了比例、积分和微分项。这种方法可以提供最佳的动态响应和稳定性，但需要精确的参数调整。实际应用中的考虑，在实际应用中，选择哪种反馈控制方法取决于多种因素，包括成本、性能要求、系统复杂性和环境条件。例如，对于需要快速响应和高精度的应用，可能需要使用数字或混合反馈控制。Buck电路中的反馈控制方法对于维持稳定的输出电压至关重要。随着技术的发展，控制策略和实现方法也在不断进步。设计者需要根据具体的应用需求来选择最合适的反馈控制方法。