基于模糊PI控制的PWM整流器設(shè)計(jì)

邵澤龍， 石明全， 韓震峰(中國科學(xué)院重慶綠色智能技術(shù)研究院，重慶400714)

基于模糊PI控制的PWM整流器設(shè)計(jì)

邵澤龍， 石明全， 韓震峰
(中國科學(xué)院重慶綠色智能技術(shù)研究院，重慶400714)

針對(duì)雙閉環(huán)矢量控制的三相電壓型PWM整流器難以用準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型描述、以及通過其簡化的數(shù)學(xué)模型求得的PI參數(shù)需要實(shí)驗(yàn)整定的問題，提出了基于模糊PI控制器的新型智能化控制方法。與傳統(tǒng)的PI控制方法相比，該方法不僅實(shí)現(xiàn)了PI參數(shù)的自整定，還使系統(tǒng)具有更好的響應(yīng)性能、更高的穩(wěn)定性及魯棒性。利用Matlab/Simulink工具箱建立了基于模糊PI控制器的整流器仿真模型，并通過仿真實(shí)例對(duì)此設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

PWM整流器；雙閉環(huán)控制；模糊PI控制；參數(shù)整定；仿真

三相電壓型PWM整流器具有功率因數(shù)高、電流畸變小、能量雙向流動(dòng)等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于電機(jī)驅(qū)動(dòng)、蓄電池充放電和風(fēng)力發(fā)電等場(chǎng)合，其控制方法多種多樣，有電壓控制、電流控制、功率控制等。在各種控制方式中，以電壓反饋?zhàn)魍猸h(huán)加上電流反饋?zhàn)鲀?nèi)環(huán)的雙閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)最為普遍[1]。此種控制方案具有控制結(jié)構(gòu)較為簡單、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、控制精度高、對(duì)網(wǎng)側(cè)參數(shù)不敏感等優(yōu)點(diǎn)[2]。但是，整流器的內(nèi)部電壓、電流轉(zhuǎn)換過程難以用精確的數(shù)學(xué)模型表達(dá)。而一些文獻(xiàn)通過整流器的簡化數(shù)學(xué)模型得到的理論P(yáng)I參數(shù)值在實(shí)際應(yīng)用中并不能得到理想的實(shí)驗(yàn)結(jié)果[3]。

模糊控制是一種新型智能控制策略，它不要求精確掌握被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型，而是根據(jù)實(shí)驗(yàn)人員的操作經(jīng)驗(yàn)形成控制規(guī)則，在線實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)控制對(duì)象以達(dá)到良好的輸出響應(yīng)[4]，不僅具有常規(guī)PI控制精度高、速度快的特點(diǎn)，也具有適應(yīng)性強(qiáng)、魯棒性高的特點(diǎn)。

本文簡要介紹了三相電壓型PWM整流器的工作原理，概括了控制器PI參數(shù)的理論計(jì)算方法，結(jié)合模糊控制與常規(guī)PI控制建立了基于模糊PI控制的整流器仿真模型，通過仿真實(shí)例驗(yàn)證了該設(shè)計(jì)方法的正確性和有效性。

1 PWM整流器的原理與設(shè)計(jì)

1.1整流器的電路結(jié)構(gòu)和控制原理

本文所研究的PWM整流器電路結(jié)構(gòu)如圖1所示，其工作原理為通過對(duì)6個(gè)開關(guān)管進(jìn)行控制，改變Ua、Ub、Uc的波形和相位，從而改變輸入電流的相位，以達(dá)到高功率因數(shù)整流的目的[5]。

圖1　PWM整流器主電路

由圖1所示的電路結(jié)構(gòu)，建立采用開關(guān)函數(shù)描述的數(shù)學(xué)模型如式(1)所示[6]。此模型中，由于交流側(cè)電量為時(shí)變交流量，控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)十分困難。若將三相對(duì)稱靜止坐標(biāo)系(a、b、c)通過PARK變換到同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系(d、q)中，則原來的交流正弦變量變?yōu)橹绷髯兞俊?/p>

式中：Sa、Sb、Sc為橋臂上通下斷或上斷下通的二值邏輯開關(guān)函數(shù)。

通過PARK變換后系統(tǒng)d、q軸變量相互耦合，對(duì)控制器的設(shè)計(jì)產(chǎn)生不利影響。此時(shí)若采用前饋解耦控制策略，urd、urq的控制方程變?yōu)椋?/p>

式中：id*、iq*為id、iq的電流指令值；urd、urq為交流側(cè)電壓矢量的d、q軸分量。

如此，PWM整流器電流內(nèi)環(huán)實(shí)現(xiàn)了解耦控制，再加上外環(huán)的電壓控制就構(gòu)成雙閉環(huán)矢量控制的整流器系統(tǒng)，其控制原理如圖2所示。

圖2　整流器控制原理

1.2PI參數(shù)的理論選取

雙閉環(huán)整流器含有3個(gè)PI控制器，這3個(gè)控制器的參數(shù)需要協(xié)調(diào)配合才能獲得良好的控制效果。其中，電流環(huán)d、q軸的兩個(gè)PI調(diào)節(jié)器參數(shù)相同。因此，實(shí)際工程應(yīng)用只需要確定兩組PI參數(shù)，即電流環(huán)的Kip、Kii和電壓環(huán)的Kup、Kui。

PI參數(shù)的選擇方法多種多樣。文獻(xiàn)[2]參照雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[7]，電流內(nèi)環(huán)采用了典型Ⅰ型系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，電壓外環(huán)采用了典型Ⅱ型系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。文獻(xiàn)[8]則根據(jù)“ITAE性能最佳準(zhǔn)則”給出了能夠滿足系統(tǒng)電流內(nèi)環(huán)及電壓外環(huán)響應(yīng)特性的PI參數(shù)設(shè)計(jì)方法。文獻(xiàn)[9]則基于d、q坐標(biāo)系的線性解耦小信號(hào)動(dòng)態(tài)模型，給出了能兼顧系統(tǒng)穩(wěn)定性和抗擾動(dòng)性的PI參數(shù)設(shè)計(jì)方法。其參數(shù)取值如式(3)所示。

式中：ωc為電流內(nèi)環(huán)的截止頻率；ωcu為電壓外環(huán)的截止頻率；Ts為PWM的開關(guān)周期；Dd為電壓系數(shù)，其值為Ed/Udc；Tu為電壓外環(huán)的等效時(shí)間常數(shù)，其值可以通過下式求得：

式中：Qu為電壓外環(huán)的品質(zhì)因數(shù)；h為電壓外環(huán)中頻帶寬系數(shù)。

這些理論參數(shù)的計(jì)算方法雖然折中考慮了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)和穩(wěn)態(tài)性能，理論上已經(jīng)十分理想，但是，理論推導(dǎo)過程中所采用的數(shù)學(xué)模型與系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行情況存在較大差距，理想的PI參數(shù)值仍然需要通過實(shí)驗(yàn)整定得出。而重復(fù)不斷的參數(shù)實(shí)驗(yàn)整定過程會(huì)消耗研究人員極大的精力和時(shí)間，而采用基于模糊PI控制器的整流器可以使得系統(tǒng)根據(jù)操作人員的經(jīng)驗(yàn)，自動(dòng)在線整定PI參數(shù)。從而，給予了實(shí)驗(yàn)人員極大的便利。

2 模糊PI控制器的設(shè)計(jì)

2.1模糊PI控制器的結(jié)構(gòu)

傳統(tǒng)的PI調(diào)節(jié)器雖然動(dòng)態(tài)響應(yīng)良好，但對(duì)于整流器這一多變量、非線性系統(tǒng)，很難獲得理想的控制效果[10]。模糊PI控制器是在傳統(tǒng)PI控制器的基礎(chǔ)上，應(yīng)用模糊集合理論建立PI參數(shù)Kp、Ki與偏差e、偏差變化率ec之間的函數(shù)關(guān)系。并根據(jù)e 和ec的不同，實(shí)時(shí)改變PI參數(shù)的控制系統(tǒng)，其原理如圖3所示。

圖3　模糊PI控制原理

2.2模糊PI控制器的仿真模型

利用Matlab/Simulink工具箱，結(jié)合常規(guī)PI控制算法與模糊控制模塊[11]，建立了模糊PI控制器的仿真模型，如圖4所示。其中，偏差e和偏差變化率ec需要經(jīng)過數(shù)學(xué)運(yùn)算后量化到模糊語言論域上，才能輸入到模糊控制模塊。PI參數(shù)Kp、Ki的取值也需要根據(jù)工程實(shí)驗(yàn)人員的操作經(jīng)驗(yàn)，將模糊控制模塊的輸出經(jīng)過數(shù)學(xué)運(yùn)算后得到。

圖4　模糊PI控制器

3 PWM整流器仿真實(shí)驗(yàn)

3.1PWM整流器仿真模型

Matlab是電力電子仿真的理想工具，不僅關(guān)注器件的外特性，且易于和控制系統(tǒng)相連接[12]。三相電壓整流器的仿真模型如圖5所示，主要由主電路模塊、測(cè)量模塊和控制模塊三部分組成。其主電路模塊由交流電源、三相整流橋、直流負(fù)載、電阻電感等基礎(chǔ)電路元件組成；測(cè)量模塊主要由示波器和數(shù)學(xué)運(yùn)算模塊組成；而其控制模塊比較復(fù)雜，涉及到電壓和電流的雙閉環(huán)反饋控制。

圖5　整流器仿真模型

為了簡化其控制模塊的設(shè)計(jì)，采用Simulink支持的S-函數(shù)，用C語言編寫需要的函數(shù)模塊[13]。S-函數(shù)即system function，其采用特定的調(diào)用語法，使得用戶編寫的運(yùn)算模塊可以與Simulink解法器相連接，從而廣泛應(yīng)用于連續(xù)、離散、混合等各類控制系統(tǒng)。其控制模塊如圖6所示。

3.2PWM整流器仿真實(shí)例

圖6　控制器仿真模型

本文通過一個(gè)工程應(yīng)用實(shí)例來簡要說明三相電壓型PWM整流器的設(shè)計(jì)過程，并通過此實(shí)例分別應(yīng)用常規(guī)PI控制器和模糊PI控制器時(shí)系統(tǒng)響應(yīng)的不同，來驗(yàn)證模糊PI控制器的性能。

算例為：三相交流電輸入em=311 V，f=50 Hz；直流側(cè)負(fù)載電阻RL=20 Ω；開關(guān)管的開關(guān)頻率fs=10 kHz。調(diào)制方法采用SVPWM方式。

根據(jù)式 (3)，可以求得：Kup=0.5，Kui=6.4，Kip=0.013，Kii= 2.72。

當(dāng)控制器采用常規(guī)PI控制，PI參數(shù)分別取上述理論計(jì)算值和實(shí)驗(yàn)整定后得到的理想?yún)?shù)時(shí)，得到的直流電壓輸出如圖7所示。圖7中波形(a)為PI參數(shù)取為理論計(jì)算值時(shí)的電壓輸出，此時(shí)輸出結(jié)果不理想，存在較大的超調(diào)量，調(diào)整時(shí)間也較長。而通過實(shí)驗(yàn)整定，直流電壓輸出可以變得更理想，如圖7中波形(b)所示。

圖7　參數(shù)整定前后的電壓輸出

3.3模糊PI控制與常規(guī)PI控制的比較

當(dāng)控制器分別采用常規(guī)PI模塊和模糊PI控制器時(shí)，直流電壓輸出如圖8中(a)、(b)所示。通過比較得，采用模糊PI控制時(shí)，系統(tǒng)超調(diào)量變小，調(diào)整時(shí)間變小，具有更好的響應(yīng)性能。

圖8　PI控制方式不同時(shí)電壓輸出

當(dāng)系統(tǒng)遇到負(fù)載突變等外部擾動(dòng)時(shí)，采用常規(guī)PI模塊和采用模糊PI控制器的電壓輸出分別如圖9中(a)、(b)所示。由圖9可得，采用模糊PI控制器的系統(tǒng)具有更高的穩(wěn)定性和魯棒性。

圖9　負(fù)載突變時(shí)電壓輸出

4 結(jié)論

本文提出了一種基于模糊PI控制的整流器設(shè)計(jì)方案，可以實(shí)現(xiàn)在線實(shí)時(shí)地調(diào)整PI參數(shù)，從而使得系統(tǒng)獲得更好的響應(yīng)性能，且此方案設(shè)計(jì)簡單，易于數(shù)字化實(shí)現(xiàn)。利用Matlab仿真對(duì)該設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果表明本文的設(shè)計(jì)方法是正確的、有效的。

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Design of PWM rectifier based on fuzzy PI controller

SHAO Ze-long,SHI Ming-quan,HAN Zhen-feng
(Chongqing Institute of Green and Intelligent Technology,Chinese Academy of Science,Chongqing 400714,China)

An effective control method for three-phase voltage source PWM rectifier based on fuzzy controller was proposed to solve the problem,which PI parameters obtained by some simple mathematical model of the PWM Rectifier were uncoordinated to achieve a good system response performance.Compared with conventional PI control method,PI parameters could be automatically changed and the system was made better in response performance and in stability and robustness ability.Finally,a simulation model of the rectifier was built by the Matlab/ Simulink toolbox to prove the reasonable of the above design method.

PWM rectifier;double closed-loop control;fuzzy PI control;parameter setting;simulation

TM 461

A

1002-087 X(2016)01-0177-03

2015-06-12

邵澤龍(1989—)，男，山東省人，碩士，主要研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。