基于NCD與優化函數結合的整流控制系統設計

吳連波，張小龍，劉華青，許孔孔

（1.西安航天動力測控技術研究所，陜西 西安 710025；2.空軍裝備部駐西安地區第八軍事代表室，陜西 西安 710025）

0 引 言

晶閘管整流技術在通信系統、交通運輸、電力系統以及工業等領域有著廣泛應用[1,2]。傳統的模擬觸發電路控制線路復雜，不易調試，可靠性低，且觸發信號精度不高，與預期波形相差較大。本文采用STM32F429微控制器作為數字化控制器，通過軟件調節觸發角，為晶閘管智能控制模塊提供控制信號，具有較高的精度。為更快、更好地實現對調節器的設計，引入參考文獻[3]中介紹的調節器工程設計方法。該方法通過合理的近似化簡方法，降低系統階次，以降低調節器的復雜程度。通過運算放大器或數字化控制器實現精確的控制規律，進而將系統校正為幾種特定的低階系統[4-9]。再結合總結的公式和圖表計算調節器參數，可快速實現控制系統調節器結構參數的設計[10]。

1 系統建模

系統由整流、濾波、負載、采樣以及控制等多個環節組成，建立控制系統的數學模型是分析和設計控制系統的首要工作。現主要對晶閘管整流裝置和控制系統的建模過程進行分析。

1.1 晶閘管整流裝置特性分析與建模

晶閘管整流裝置傳遞函數當做一階慣性環節處理后，能通過線性控制理論對其進行分析和設計。

1.2 控制器設計建模

為降低設計的難度，根據設計過程中的規律，利用MATLAB中的非線性最小平方函數，按照最小平方指標J=∫e2dt進行PID參數尋優，得到較優的PID參數kp(比例)、ki（積分）、kd（微分），并在此基礎上再進行NCD優化，得到最終的kp、ki、kd。其中最小平方函數為：

1.3 基于NCD優化仿真模型設計

結合上述方法對電壓電流反饋控制方式的晶閘管整流系統的設計，采用Simulink工具箱建立控制系統仿真模型，如圖1所示。

圖1 電壓電流反饋控制晶閘管整流系統仿真模型

對NCD Output模塊按照表1進行參數設置，定義階躍響應性能指標、調整變量及相關參數、變量允許誤差。約束允許誤差，通過菜單中“Edit”下“Axes Properties”命令定義優化時間和響應范圍。設置優化時間（X軸）為0～100 s，階躍響應范圍（Y軸）為0～ 1.2。

表1 參數設定指標

2 電壓電流反饋控制晶閘管整流系統仿真

ua、ub和uc構成系統三相交流電源，每相電壓有效值為220 V。三相變壓器采用Y-Δ聯結組，變比為1.482，一次側電壓值為380 V，二次側電壓值為256 V。Universal Bridge為晶閘管構成的三相全控整流橋，保持默認設置不變。根據設計的電壓調節器傳遞函數，搭建了如圖2所示的電壓調節器（Automatic Voltage Regulator，AVR）仿真模型。

圖2 AVR子系統仿真結構

根據設計的電流調節器傳遞函數，搭建如圖3所示的電流調節器（Automatic Current Regulator，ACR）仿真模型。

圖3 ACR系統仿真結構

為驗證仿真系統在電壓發生波動時的控制效果，t=1.2 s時將ua、ub、uc三相交流電源的電壓有效值增加為230 V，當t=1.8 s時將三相交流電源的電壓有效值恢復到220 V，獲得如下仿真結果。

負載兩端電壓Ud的波形如圖4所示，電壓波動及穩定時的波形如圖5和圖6所示，與電壓反饋控制方式的晶閘管整流系統相比系統超調量很小，但調節時間更長。

圖4 負載兩端的電壓波形

圖5 電壓波動波形

圖6 穩定時電壓波形

晶閘管整流橋的輸出電流Id如圖7所示，穩定時的細節如圖8所示。此時系統電流最大值為14 A，在系統允許范圍內，電流反饋對晶閘管整流橋輸出電流起到明顯的調節作用。

圖7 輸出電流Id的波形

圖8 穩定時Id波形細節

3 系統硬件平臺驗證

對系統反饋環節和觸發環節進行校準后，測試實際系統的控制效果。測試時所選負載的阻值為45 Ω，受其額定電流限制，測試時設定輸出直流電壓為150 V。系統穩定時，觸發角α=13°，獲得如圖9和圖10所示的結果。

圖9 電壓波形

圖10 穩定時電壓波形

由圖10可知，輸出電壓最大值與最小值之差ΔUd=6.92 V。

穩定時Id波形細節如圖11所示，電壓波動時Ud波形如圖12所示，閉環控制系統對電源電壓波動有較好的抑制效果，反饋控制可使被反饋量穩定在期望值附近。

圖11 穩定時Id波形細節

圖12 電壓波動時Ud波形

4 結 論

本文在仿真環境下建立了NCD與優化函數結合的整流控制系統仿真模型，并進行了仿真。而后介紹了實際系統的調試過程，并對電壓反饋方式的控制效果進行了測試。通過分析仿真和測試結果得出以下結論，即電壓、電流雙閉環控制系統對電流超調起到起到抑制作用，使晶閘管整流橋輸出電流Id在系統允許范圍內。