詳解單相逆變器重復控制與模糊PI控制相結(jié)合

1.引言

UPS通常用在對電源質(zhì)量要求很高的場合，如金融部門、醫(yī)療中心、通信系統(tǒng)、軍用設備等。一般要求UPS的輸出波形質(zhì)量好，動態(tài)響應快，抗擾能力強。近年來，中外學者發(fā)展出了多種逆變電源波形控制技術：PID控制，無差拍控制，滑模變結(jié)構(gòu)控制，重復控制，模糊控制等。各種控制方法均具有各自的特點，表現(xiàn)出優(yōu)良的特性和不足。本文針對UPS逆變電源波形不能兼顧穩(wěn)態(tài)效果和動態(tài)效果的問題，建立了單相逆變器的數(shù)學模型，提出了基于重復控制和模糊PI控制相結(jié)合的新型控制策略。利用重復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控制改善逆變器對非周期擾動的瞬態(tài)響應速度。實驗結(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，動態(tài)響應快。

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)效應和各環(huán)節(jié)的損耗提供了一個小的阻尼。

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)學模型如下：

得出單相逆變器的連續(xù)時間狀態(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，以采樣信號與參考信號的誤差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)簡單，動態(tài)控制性能良好。接下來將輸入量進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之間的模糊關系，再根據(jù)模糊控制規(guī)則進行模糊推理，對參數(shù)進行在線修正，將算出的參數(shù)代入下式計算：

式中0p k , 0i k 為PI參數(shù)的初始設定值，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)輸出響應的動靜態(tài)特性達到最佳：當誤差大或較大時，選擇控制量以盡快消除誤差為主;當誤差較小時，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)。因此通過仿真和實驗設計可得到針對p Δk , i Δk 的模糊規(guī)則表。

4.重復控制器設計

重復控制是基于內(nèi)模原理的一種控制方法，包括重復信號發(fā)生器模塊和補償器模塊。

它將重復信號發(fā)生器作為周期性擾動信號植入控制系統(tǒng)中，能有效實現(xiàn)系統(tǒng)的無靜差跟蹤控制。本設計采用改進型重復控制器，即在重復信號發(fā)生器內(nèi)模中附加一濾波器，如圖3所示。