詳解單相逆變器重復(fù)控制與模糊PI控制相結(jié)合

1.引言

UPS通常用在對(duì)電源質(zhì)量要求很高的場(chǎng)合，如金融部門、醫(yī)療中心、通信系統(tǒng)、軍用設(shè)備等。一般要求UPS的輸出波形質(zhì)量好，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，抗擾能力強(qiáng)。近年來(lái)，中外學(xué)者發(fā)展出了多種逆變電源波形控制技術(shù)：PID控制，無(wú)差拍控制，滑模變結(jié)構(gòu)控制，重復(fù)控制，模糊控制等。各種控制方法均具有各自的特點(diǎn)，表現(xiàn)出優(yōu)良的特性和不足。本文針對(duì)UPS逆變電源波形不能兼顧穩(wěn)態(tài)效果和動(dòng)態(tài)效果的問題，建立了單相逆變器的數(shù)學(xué)模型，提出了基于重復(fù)控制和模糊PI控制相結(jié)合的新型控制策略。利用重復(fù)控制消除逆變器周期性干擾，提高其穩(wěn)態(tài)精度，利用模糊PI控制改善逆變器對(duì)非周期擾動(dòng)的瞬態(tài)響應(yīng)速度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，基于該控制器控制的UPS輸出波形質(zhì)量好，穩(wěn)態(tài)精度高，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快。

2.單相全橋PWM逆變器的結(jié)構(gòu)

單相全橋逆變器主電路結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖中，T1~T4為IGBT開關(guān)器件，E為直流輸入電壓，濾波電感L和濾波電容C構(gòu)成低通濾波器，電阻r與濾波電感L相串聯(lián)，它為死區(qū)效應(yīng)和各環(huán)節(jié)的損耗提供了一個(gè)小的阻尼。

選取電容C與電感L作為狀態(tài)變量，根據(jù)基爾霍夫電壓定理KVL和電流定理KCL，我們可以得到逆變器的數(shù)學(xué)模型如下：

得出單相逆變器的連續(xù)時(shí)間狀態(tài)方程：

由此狀態(tài)方程我們可以得到逆變器通用連續(xù)狀態(tài)空間模型為：

3.模糊PI控制器

模糊PI控制器主要由參數(shù)模糊化、模糊推理、解模糊和PI控制器組成，圖2示出其原理框圖。本文采用二維結(jié)構(gòu)模糊控制器，以采樣信號(hào)與參考信號(hào)的誤差e和誤差的變化率ec為輸入量，以控制量的變化為輸出量，這樣的模糊PI控制結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，動(dòng)態(tài)控制性能良好。接下來(lái)將輸入量進(jìn)行模糊化處理得到誤差E和誤差的微分量EC，控制器的輸出量為p Δk，i Δk，先找出p Δk，i Δk 與E和EC之間的模糊關(guān)系，再根據(jù)模糊控制規(guī)則進(jìn)行模糊推理，對(duì)參數(shù)進(jìn)行在線修正，將算出的參數(shù)代入下式計(jì)算：

式中0p k , 0i k 為PI參數(shù)的初始設(shè)定值，由控制系統(tǒng)的特性決定。

建立模糊規(guī)則的原則是使系統(tǒng)輸出響應(yīng)的動(dòng)靜態(tài)特性達(dá)到最佳：當(dāng)誤差大或較大時(shí)，選擇控制量以盡快消除誤差為主;當(dāng)誤差較小時(shí)，選擇控制變量要以系統(tǒng)的穩(wěn)定性為主，防止系統(tǒng)超調(diào)。因此通過仿真和實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)可得到針對(duì)p Δk , i Δk 的模糊規(guī)則表。

4.重復(fù)控制器設(shè)計(jì)

重復(fù)控制是基于內(nèi)模原理的一種控制方法，包括重復(fù)信號(hào)發(fā)生器模塊和補(bǔ)償器模塊。

它將重復(fù)信號(hào)發(fā)生器作為周期性擾動(dòng)信號(hào)植入控制系統(tǒng)中，能有效實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的無(wú)靜差跟蹤控制。本設(shè)計(jì)采用改進(jìn)型重復(fù)控制器，即在重復(fù)信號(hào)發(fā)生器內(nèi)模中附加一濾波器，如圖3所示。