双自由度（2-DOF）PI控制的概念是I.M.Horotiwz在1963年提出的，并在实际应用中获得了良好的效果。所谓双自由度PI控制，就是使目标值跟踪特性为最优的PI参数和使外扰抑制特性为最优的PI参数能分别独立地进行整定，使两种特性同时达到最优的PI控制技术。双自由度PI控制器并不是由两个独立的PI控制器组成的，但它能独立地设定两组PI参数，使目标值跟踪特性和干扰抑制特性同时达到最佳。传统的PI控制系统可以称为一自由度PI控制系统，其控制结构图如图6-22所示。其中，R（s）为目标值给定输入，N（s）为系统扰动，Y（s）为系统输出，D（s）为控制器的传递函数，G（s）为被控对象的传递函数。对于该系统，可以得到针对扰动输入和给定输入的两个闭环传递函数G_yd（s）和G_yr（s）：

图6-22 一自由度PI控制系统结构图

由于被控对象的传递函数G（s）是不可改变的，G_yd（s）和G_yr（s）是由控制器传递函数D（s）决定的，因此，代表系统抗扰性能的G_yd（s）和代表系统跟踪性能的G_yr（s）是由一组控制参数决定的，不能独立地进行优化设计，所以称为一自由度PI控制。通常系统的抗扰性能和跟踪性能对控制器参数的要求是相互矛盾的，需要对两种性能的要求折衷处理。因此，一自由度PI控制系统难以保证抗扰性能和跟踪性能同时达到最优化。

双自由度PI控制可以克服传统PI控制的上述缺点。双自由度PI控制系统最常用的有目标值滤波器型、目标值前馈型、反馈补偿型和回路补偿型4种类型，如图6-23所示。其中R（s）为给定目标值、D（s）为主控制器、N（s）为外部扰动、G（s）为被控对象、F（s）为目标值滤波器。

在实际应用中需要考虑双自由度化应该结构简单、容易实现和与传统PI控制的结合性。目标值滤波器型是在原有系统上增加目标值滤波器构成的双自由度PI控制系统，具有结构简单，在现有系统上容易实现的特点。

如采用目标值滤波器型双自由度PI控制，其结构框图如图6-23所示。该系统的输出传递函数为

图6-23 双自由度控制系统的典型结构

a）目标值滤波器型 b）目标值前馈型 c）回路补偿型 d）反馈补偿型

式（6-61）由两项组成，第一项是代表跟踪性能的目标值产生的分量，第二项是代表抗扰性能的外部扰动产生的分量。显然，抗扰性能完全由控制器D（s）决定，而跟踪性能是由控制器D（s）和目标值滤波器F（s）共同决定。因此，可以根据系统对抗扰性能的要求设计控制器参数，根据系统跟踪性能指标设计目标值滤波器参数。与图6-22所示的系统相比，该系统的抗扰性能和跟踪性能是由两组独立的控制参数分别决定的，所以称为双自由度控制系统。

系统的抗扰性能完全由控制器D（s）决定，而跟随性能是由控制器D（s）和目标值滤波器F（s）共同决定。因此，可以根据逆变系统对抗扰性能指标的要求，首先确定PI控制器的参数K_P和τ。在D（s）确定后，可以通过设计目标值滤波器F（s）来改善系统的跟随性能。

在原有PI控制器的基础上施加目标值滤波器，其综合控制算法为(www.daowen.com)

式中 α——K_p的双自由度化系数；

β——τ的双自由度化系数。

目标值滤波器的结构为

由式（6-63）可知

上式表明，稳态时目标值滤波器的输入输出相等，该滤波器的引入并不会改变系统的稳态输出。

根据前面介绍的PI控制器传递函数和采用的目标值滤波器传递函数，可以得到双自由度PI控制结构框图如图6-24所示，PI控制器D（s）的主要作用是改善逆变器的抗扰性能。由于典型Ⅱ型系统具有较好的抗扰性能，可以将逆变系统设计为典型Ⅱ型系统。

图6-24 目标值滤波器型双自由度PI控制逆变系统框图

对于双自由度PI控制系统，根据系统抗扰性能的要求确定K_P和τ之后，调整双自由度化系数α和β，使系统的跟随性能满足要求。如果确定了系统的最佳抗扰性能的比例增益K_p和最佳跟随性能的比例增益K_p*，则双自由度化系数α可确定为

α=K_p*/K_p（6-65）

而β需要采用仿真或实验的方法确定。在实际应用中，可以根据工业推荐值来确定双自由度化系数：α=0.4，β=0.15。