基于模糊自適應(yīng)控制的三相PWM整流器的研究

楊肖+方紀(jì)村+劉傳亮

摘 要：三相電壓型 PWM 整流器一般采用傳統(tǒng)雙閉環(huán)PI控制策略，而PI控制參數(shù)是在特定條件下整定的，在負(fù)載變化和擾動(dòng)較大的情況下系統(tǒng)適應(yīng)性差，難以取得良好的控制效果。結(jié)合自適應(yīng)的控制思想，在PI控制的基礎(chǔ)上，提出了一種新型的控制方法，即在電壓外環(huán)采用模糊自適應(yīng)PI控制，電流內(nèi)環(huán)采用前饋解耦的控制策略。仿真結(jié)果表明這種控制方法適應(yīng)性強(qiáng)，具有良好的動(dòng)態(tài)性能。

關(guān)鍵詞：PWM整流器；模糊自適應(yīng)；負(fù)載擾動(dòng)

中圖分類(lèi)號(hào)：TM461 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

Research on Three-phase PWM Rectifier Based on

Fuzzy Adaptive Control

YANG Xiao，F(xiàn)ANG Ji-cun，LIU Chuan-liang

（Jiangsu Automation Research Institute，Lianyungang， Jiangsu 222000，China）

Abstract：As the three-phase voltage-type PWM rectifier （VSR） using traditional PI control strategy is difficult to obtain good control effect in the case of large disturbance and load a broad range of mutations.Basis on the traditional double closed-loop PI control strategy，combined with adaptive control ideas，a new control method is proposed in this paper，which is that PI control and fuzzy control will be applied to outer loop control of the voltage，and the inner loop current control use feed forward decoupling control strategy.The simulation results show that the control method is fast response and strong adaptability， and has good dynamic and static characteristics.

Key words：PWM rectifier；fuzzy adaptive；load disturbance

1 引 言

隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展，PWM整流電路由于功率因數(shù)高，諧波含量低等優(yōu)點(diǎn)已經(jīng)逐漸取代傳統(tǒng)的不控整流電路，如二極管整流和晶閘管整流電路[1]。而具有輸入電流連續(xù)，輸出電壓穩(wěn)定可控，可單位功率因數(shù)運(yùn)行等優(yōu)點(diǎn)的三相PWM整流器更是近來(lái)研究的熱點(diǎn)[2]。一般而言，整流器想要獲得良好的性能，對(duì)其采取合適的控制才是關(guān)鍵所在。三相PWM整流器一般采用傳統(tǒng)的雙閉環(huán)PI控制器，而PI參數(shù)是在特定條件下整定的[3-5]，在負(fù)載大范圍變動(dòng)或者擾動(dòng)較大時(shí)控制精度不高，系統(tǒng)特性變差。還有學(xué)者將基于反饋線(xiàn)性化的極點(diǎn)配置方法應(yīng)用于雙閉環(huán)控制器中[6]，也取得了較好的效果，但系統(tǒng)參數(shù)發(fā)生變化時(shí)，PID參數(shù)不能適應(yīng)這些變化，使得系統(tǒng)的性能變差。文獻(xiàn)[7]采用基于零極點(diǎn)配置狀態(tài)反饋的無(wú)差拍控制方法，文獻(xiàn)[8]采用電壓外環(huán)，功率內(nèi)環(huán)的控制的控制策略，并在內(nèi)環(huán)采用滑模變功率控制，上述所提的控制策略都能在不同程度上改善整流器的性能，但是在參數(shù)發(fā)生變化時(shí)，這些方法的性能都會(huì)變差，文獻(xiàn)[9]采用模型預(yù)測(cè)控制方法設(shè)計(jì)的控制器，但在預(yù)測(cè)模型的參數(shù)不確定時(shí)，系統(tǒng)性能也將變差。

在分析三相PWM整流器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，提出了一種新型的控制策略，結(jié)合傳統(tǒng)PI控制和模糊自適應(yīng)控制各自的優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用于電壓外環(huán)控制中，電流內(nèi)環(huán)則采用前饋線(xiàn)性解耦控制。考慮到整流器運(yùn)行過(guò)程中負(fù)載等電路參數(shù)會(huì)隨運(yùn)行情況變化而變化，這種控制策略能根據(jù)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)的調(diào)整控制參數(shù)，不僅能提高直流側(cè)的電壓精度以及抗擾動(dòng)能力，而且在負(fù)載變化時(shí)，具有更好的適應(yīng)性。

2 三相PWM整流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及數(shù)學(xué)模型

三相PWM整流器的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示，其中ea、eb、ec為三相電源電壓，Udc為輸出直流電壓，Ls為交流輸入濾波電感，R為交流側(cè)的等效電阻，C為輸出濾波電容以及直流側(cè)負(fù)載RL。

Si（i=a，b，c）表示三相PWM整流器的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，其中Sa=1表示a相上橋臂V1導(dǎo)通而下橋臂V4關(guān)斷，Sa=0表示開(kāi)關(guān)管V1關(guān)斷而V4導(dǎo)通。

三相PWM整流器在abc靜止坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型為：

Ldiadt=ea-Ria-Sa-13∑i=a，b，cSiUdcLdibdt=eb-Rib-Sb-13∑i=a，b，cSiUdcLdicdt=ec-Ric-Sc-13∑i=a，b，cSiUdcCdudcdt=Saia+Sbib+Scic-UdcRL（1）

對(duì)（1）式進(jìn)行Clark變換得到兩相靜止（α，β）的坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型如下：

Ldiαdt=eα-Riα-SαUdcLdiβdt=eβ-Riβ-SβUdcCdudcdt=32Sαiα+Sβiβ-UdcRL（2）

對(duì)（2）式進(jìn)行Park變換得到同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)（d，q）下的數(shù)學(xué)模型得：

Ldiddt=ed-Rid-SdUdc+ωLiqLdiqdt=eq-Riq-SqUdc-ωLidCdudcdt=32Sdid+Sqiq-UdcRL（3）endprint

其中ed、eq為三相電網(wǎng)電壓矢量的dq軸分量，id、iq是輸入側(cè)電流的dq軸分量，ω為輸入電壓信號(hào)角速度（ω=2πf），Sd、Sq為開(kāi)關(guān)函數(shù)在dq軸上的分量。

三相PWM整流器在靜止坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型直觀(guān)清晰，但是系統(tǒng)的各個(gè)參數(shù)都是時(shí)變交流量，變量之間存在強(qiáng)耦合，難以設(shè)計(jì)合適的控制器。通過(guò)將三相靜止坐標(biāo)系中的系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行同步旋轉(zhuǎn)變換到dq坐標(biāo)系中，使得輸入側(cè)的交流信號(hào)換算成直流分量，可以消除電流跟蹤穩(wěn)態(tài)誤差，同時(shí)可以很方便的引入電流狀態(tài)反饋，實(shí)現(xiàn)dq軸電流的解耦控制。

3 三相PWM整流器的控制策略

采用電壓外環(huán)、電流內(nèi)環(huán)雙閉環(huán)控制策略，電壓外環(huán)為模糊自適應(yīng)PI控制，電流內(nèi)流為前饋線(xiàn)性解耦控制。這種新型的控制方法能實(shí)現(xiàn)交流側(cè)電流的正弦化，直流側(cè)電壓的穩(wěn)定可控，且在負(fù)載切換或干擾較大時(shí)仍能快速跟隨給定值，具有良好的動(dòng)態(tài)性能和魯棒性?？刂瓶驁D如圖2所示。

3.1 電流內(nèi)環(huán)控制器的設(shè)計(jì)

根據(jù)（3）式dq坐標(biāo)系下三相PWM整流器的數(shù)學(xué)模型，得電流內(nèi)環(huán)方程如下

Ldiddt=ed-Rid+ωLiq-UrdLdiqdt=eq-Riq-ωLid-Urq（4）

其中Urd=SdUdc，Urq=SqUdc為電流內(nèi)環(huán)控制量，由控制量可知，電流環(huán)方程之間存在非線(xiàn)性強(qiáng)耦合，通過(guò)前饋解耦的思想設(shè)計(jì)內(nèi)化控制器如下：

Urd=ed+ωLiq-kip+kilsid*-idUrq=eq-ωLid-kip+kilsiq*-iq（5）

電流內(nèi)環(huán)通過(guò)前饋解耦，使得電流能夠線(xiàn)性控制，而且由于id、iq結(jié)構(gòu)一樣，只需要kip、kil兩個(gè)控制參數(shù)，方便實(shí)現(xiàn)數(shù)字化。

3.2 電壓外環(huán)控制策略設(shè)計(jì)

圖3a給出了三相電壓型PWM整流器的外環(huán)控制框圖。在進(jìn)行外環(huán)控制參數(shù)設(shè)計(jì)時(shí)，由于內(nèi)環(huán)響應(yīng)快，假設(shè)電流已經(jīng)跟隨給定值，其中Wci（s）為電流內(nèi)環(huán)簡(jiǎn)化傳遞函數(shù)，其簡(jiǎn)化模型等效為一個(gè)慣性環(huán)節(jié)，即Wcis=1/（Tis+1），Ti為電流內(nèi)環(huán)調(diào)節(jié)時(shí)間。電壓采樣時(shí)間為T(mén)u，Kp、Ki是電壓外環(huán)控制器的控制參數(shù)，Idc為直流側(cè)的電流，IL為負(fù)載擾動(dòng)。對(duì)電壓外環(huán)進(jìn)行高頻小慣性環(huán)節(jié)近似處理后得到簡(jiǎn)化的控制框圖如圖3b所示。

由于電壓外環(huán)的主要作用是穩(wěn)定直流側(cè)的電壓，使其快速跟隨給定值，所以外環(huán)參數(shù)設(shè)計(jì)時(shí)要考慮負(fù)載變換的影響。而三相PWM整流裝置在運(yùn)行過(guò)程中，負(fù)載等電路參數(shù)會(huì)隨運(yùn)行情況而變化，為了適應(yīng)這種變化，外環(huán)控制設(shè)計(jì)采用模糊自適應(yīng)控制，能夠根據(jù)負(fù)載電流的需要實(shí)時(shí)調(diào)整系統(tǒng)的控制參數(shù)，以提高直流側(cè)控制電壓的精度，獲得良好的動(dòng)態(tài)性能。

3.3 模糊自適應(yīng)PI控制原理

模糊自適應(yīng)PI 控制器的原理是通過(guò)設(shè)計(jì)的模糊規(guī)則實(shí)時(shí)的修改PI控制參數(shù)，結(jié)構(gòu)如圖4所示，以外環(huán)電壓的誤差e和誤差變化率ec作為模糊控制器的輸入，應(yīng)用模糊規(guī)則對(duì)PI參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，實(shí)現(xiàn)外環(huán)電壓的快速跟隨及穩(wěn)定可控。

模糊自適應(yīng)控制的實(shí)現(xiàn)過(guò)程是，找出P、I兩個(gè)參數(shù)與誤差e和誤差變化率ec之間的模糊關(guān)系，其中kp的作用是加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度，提高系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度，ki的作用是消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差，在運(yùn)行過(guò)程中不斷檢測(cè)e和ec，根據(jù)模糊控制原理對(duì)PI參數(shù)進(jìn)行在線(xiàn)修改，而使被控對(duì)象有良好的動(dòng)靜態(tài)性能。計(jì)算當(dāng)前的誤差e和ec，進(jìn)行模糊化處理，將輸入變量從基本論域中轉(zhuǎn)換到對(duì)應(yīng)的語(yǔ)音變量模糊集論域中，利用模糊規(guī)則進(jìn)行模糊推理。將系統(tǒng)誤差e和誤差變化率ec定義為模糊集上的論域e，ec=-3，-2，-1，0，1，2，3，其語(yǔ)言變量集為e，ec={NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}，子集中的元素分別表示為負(fù)大，負(fù)中，負(fù)小，零，正小，正中，正大。為方便計(jì)算，他們的隸屬度函數(shù)均為三角形函數(shù)。選取控制量的原則是：當(dāng)誤差大或較大時(shí)，控制參數(shù)設(shè)計(jì)以盡快消除誤差為主；當(dāng)誤差較小時(shí)，參數(shù)設(shè)計(jì)要以系統(tǒng)的穩(wěn)定性為主，防止系統(tǒng)超調(diào)。按照上述分析建立模糊控制器的控制規(guī)則，如表1，表2所示。

針對(duì)不同的輸入情況，根據(jù)模糊規(guī)則表推理輸出結(jié)果Δkp、Δki，然后與初始PI參數(shù)相加，完成對(duì)PI參數(shù)的在線(xiàn)自校正。

kp=kp0+Δkpki=ki0+Δki（6）

式中，kp、ki為調(diào)整后的輸出參數(shù)，kp0、ki0是按照工程方法整定的初始參數(shù)，Δkp、Δki是模糊規(guī)則控制的調(diào)整參數(shù)。

4 仿真結(jié)果分析

根據(jù)以上分析，運(yùn)用matlab/simulink模塊搭建了整個(gè)系統(tǒng)的仿真模型，系統(tǒng)仿真結(jié)構(gòu)模型如圖5所示，主要由主電路結(jié)構(gòu)（圖中的上部分），電壓電流坐標(biāo)變換電路（3R/2S模塊），電壓/電流雙閉環(huán)調(diào)節(jié)電路（fuzzy adaptive control 模塊 ），SVPWM電路構(gòu)成。

其中仿真所用的參數(shù)如下：三相輸入電壓有效值220 V，交流側(cè)輸入濾波電感L=4 mH，電感等效電阻Rs=0.5 Ω，直流側(cè)濾波電容C=2 200 uF，開(kāi)關(guān)頻率為10 kHz，三相輸輸入電源頻率為50 Hz，輸出直流電壓Udc=650 V，額定功率10 kW。

為驗(yàn)證所選控制方案的性能，將模糊自適應(yīng)控制與一般的PI控制進(jìn)行比較研究，對(duì)仿真結(jié)果分析如下。

圖6（a）是傳統(tǒng)PI控制策略的直流側(cè)電壓?jiǎn)?dòng)波形，（b）是模糊自適應(yīng)控制的啟動(dòng)波形。傳統(tǒng)的雙閉環(huán)PI控制也能達(dá)到一定的效果，直流側(cè)電壓在0.2 s左右達(dá)到穩(wěn)態(tài)值650 V，啟動(dòng)時(shí)有超調(diào)（約15 V）。相比較而言，本文采取的新型控制策略，輸出側(cè)直流電壓響應(yīng)更快，在0.15 s處達(dá)到穩(wěn)態(tài)值，而且沒(méi)有超調(diào)。

為進(jìn)一步驗(yàn)證本文電壓環(huán)自適應(yīng)控制方法快速適應(yīng)負(fù)載變化的能力，在0.35 s處負(fù)載由半載切換到滿(mǎn)載的仿真圖形如圖7所示。在相同負(fù)載變化下，模糊自適應(yīng)PI控制的恢復(fù)時(shí)間更快，動(dòng)態(tài)效果更好，相比于傳統(tǒng)PI控制，恢復(fù)時(shí)間減少35%，而且輸出電壓的最大偏差也減少50%。endprint

5 結(jié)束語(yǔ)

由于三相PWM整流器負(fù)載是隨運(yùn)行情況而變化的，為了適應(yīng)這種負(fù)載大范圍突變，本文提出電壓外環(huán)采用模糊自適應(yīng)控制，電流內(nèi)環(huán)線(xiàn)性解耦的雙閉環(huán)控制策略，可很大程度上改善整流器的動(dòng)態(tài)性能，提高直流側(cè)輸出電壓的控制精度。與傳統(tǒng)PI調(diào)節(jié)相比，輸出電壓波動(dòng)小，響應(yīng)更快，魯棒性更好。

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