摘 要： 針對(duì)三相電壓型PWM整流器的雙閉環(huán)控制系統(tǒng)直流母線電壓超調(diào)較大、對(duì)擾動(dòng)克服能力不強(qiáng),、魯棒性差等問題,，本文對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn)，在電壓外環(huán)設(shè)計(jì)一種基于內(nèi)模原理的控制器以取代傳統(tǒng)PI控制器,，并對(duì)內(nèi)?？刂?/a>器中濾波器部分的參數(shù)設(shè)計(jì)進(jìn)行分析,，最后使用MATLAB/SIMULINK進(jìn)行仿真研究，并與電壓外環(huán)采用PI控制器的系統(tǒng)性能進(jìn)行比較,。仿真結(jié)果表明,，在電壓環(huán)采用內(nèi)模控制器,，可以有效降低直流母線電壓超調(diào),，快速抑制擾動(dòng)，具有良好的魯棒性,，性能優(yōu)于傳統(tǒng)PI調(diào)節(jié)器,。
關(guān)鍵詞： PWM整流器；內(nèi)?？刂?；魯棒性
本文以北京科技大學(xué)350 mm熱軋機(jī)主傳動(dòng)改造項(xiàng)目為背景。該項(xiàng)目擬將原有110 kW直流主傳動(dòng)系統(tǒng)擴(kuò)容為200 kW交流調(diào)速系統(tǒng),。目前整流側(cè)使用的是電壓型PWM整流器,，采用雙閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)，電流內(nèi)環(huán)與電壓外環(huán)均采用PI控制器,。但直流母線電壓超調(diào)較大,，對(duì)擾動(dòng)克服能力不強(qiáng)，致使逆變側(cè)控制受到影響,，整個(gè)交流變頻調(diào)速系統(tǒng)性能較差[1],。
內(nèi)?？刂破骶哂性O(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、跟蹤性能好,、魯棒性強(qiáng),、能消除不可測(cè)干擾的影響等優(yōu)點(diǎn)，基于以上因素本文在電壓環(huán)設(shè)計(jì)內(nèi)?？刂破鱽砀纳普鱾?cè)控制系統(tǒng)性能,。最后使用MATLAB/SIMULINK進(jìn)行仿真研究。仿真結(jié)果表明,，電壓環(huán)采用內(nèi)?？刂破骱螅绷髂妇€電壓超調(diào)減小,，對(duì)擾動(dòng)克服能力加強(qiáng),，系統(tǒng)具有良好的魯棒性。
1 理論基礎(chǔ)
1.1 內(nèi)?？刂?br />
內(nèi)?？刂平Y(jié)構(gòu)圖如圖1所示。這種結(jié)構(gòu)中,，控制器的輸出同時(shí)作用到控制對(duì)象和內(nèi)部模型,，系統(tǒng)的實(shí)際輸出與內(nèi)部模型的輸出之差經(jīng)過反饋回路與設(shè)定值比較后作為控制器的輸入。圖1中虛線框內(nèi)是整個(gè)內(nèi)?？刂葡到y(tǒng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu),。該結(jié)構(gòu)中除了有控制器以外，還包含了過程模型^Ｇ,，內(nèi)模控制因此而得名[2],。
1.2 PWM整流器
目前通用的整流電路大部分采用二極管或晶閘管整流,，功率因數(shù)低并且諧波污染嚴(yán)重。PWM整流技術(shù)具備功率因數(shù)可調(diào),、理想無低次諧波,、能量雙向流動(dòng)、輸出直流電壓可調(diào)且無紋波等優(yōu)點(diǎn),，具有廣闊的發(fā)展前景[3-4],。
PWM整流器可以分類成電壓型和電流型兩大類。相比于電流型PWM整流器,，電壓型PWM整流器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,、損耗較低、控制方便等優(yōu)點(diǎn),，因此應(yīng)用較為廣泛,。本系統(tǒng)中亦采用電壓型PWM整流器,。
2 電壓外環(huán)內(nèi)模控制器的設(shè)計(jì)
在三相電壓型PWM整流器控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中,，通常采用電壓外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)控制結(jié)構(gòu),。電壓外環(huán)的主要作用是控制三相電壓型PWM整流器直流側(cè)電壓；電流內(nèi)環(huán)的主要作用是按電壓外環(huán)輸出的電流指令進(jìn)行電流控制,，實(shí)現(xiàn)整流器網(wǎng)側(cè)單位功率因數(shù)正弦波電流控制,。
本文電流內(nèi)環(huán)控制器的設(shè)計(jì)采用參考文獻(xiàn)[4]中典型I型系統(tǒng)電流調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)方法。按照此種方法設(shè)計(jì)時(shí),，電流內(nèi)環(huán)具有較快的動(dòng)態(tài)響應(yīng),，對(duì)指令電流的跟隨性能較好[4]。
根據(jù)參考文獻(xiàn)[4],，電流內(nèi)環(huán)PI控制器的參數(shù)分別為：
由上兩式可得：
圖中,，τv為電壓外環(huán)采樣小慣性時(shí)間常數(shù)。
2.2 電壓外環(huán)內(nèi)?？刂破鞯脑O(shè)計(jì)
由圖1可知,，當(dāng)模型完全準(zhǔn)確，即G(s)=^G(s),，且沒有外界擾動(dòng),，即^D(s)=0時(shí)，可得出模型的輸出與過程的輸出相等,，此時(shí)反饋信號(hào)為零,。這樣，在無模型不確定性和無未知輸入的條件下,，內(nèi)?？刂葡到y(tǒng)具有開環(huán)結(jié)構(gòu)。對(duì)于開環(huán)穩(wěn)定的過程,，反饋的目的就是克服過程的不確定性,。在工業(yè)過程控制中，模型不確定性是難免的,。此時(shí),，內(nèi)模控制結(jié)構(gòu)中的反饋信號(hào)就反映了過程模型的不確定性和擾動(dòng)的影響,，構(gòu)成了閉環(huán)控制結(jié)構(gòu),。
對(duì)于三相電壓型PWM整流器雙閉環(huán)控制系統(tǒng)，GIMC(s)分子多項(xiàng)式的系數(shù)大于分母多項(xiàng)式的系數(shù),，為保證控制器的可實(shí)現(xiàn)性及系統(tǒng)的穩(wěn)定性和魯棒性,，需加一個(gè)低通濾波器
中，分子多項(xiàng)式的次數(shù)比分母多項(xiàng)式次數(shù)大2，可知γ=2即可保證內(nèi)?？刂破鞯挠欣硇?。因此ε為整個(gè)內(nèi)模控制系統(tǒng)唯一需要調(diào)節(jié)的參數(shù)[5],。
3 仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果
基于以上的控制方法進(jìn)行軟件仿真試驗(yàn),。在MATLAB/SIMULINK中建立仿真模型，仿真模型參數(shù)取自硬件系統(tǒng)的實(shí)際參數(shù),。交流電源電壓幅值為 311 V,，頻率50 Hz，交流側(cè)電感L＝1.6 mH,，寄生電阻R＝0.02 Ω,，直流側(cè)電容C＝3 600 μF；開關(guān)頻率為10 kHz,，負(fù)載電阻RL＝30 Ω,。在0.1 s時(shí)加入+50 V的電壓擾動(dòng)。
圖3為采用內(nèi)?？刂破鞯碾妷和猸h(huán)控制結(jié)構(gòu)圖,。
ε的選擇要根據(jù)電壓信號(hào)采集系統(tǒng)所需低通濾波器的帶寬來決定?？闪頰=1/ε,，a的數(shù)值首先應(yīng)小于電壓基波成分頻率，其次a應(yīng)大于PWM整流器開關(guān)頻率,。在具體調(diào)節(jié)?著的過程中發(fā)現(xiàn),，當(dāng)選擇ε較小時(shí)，系統(tǒng)延遲較小,，抗干擾性能較差,；當(dāng)選擇ε較大時(shí)，內(nèi)環(huán)抗干擾性能較強(qiáng),。
仿真過程中,，電壓外環(huán)分別采用PI控制器和內(nèi)模控制器,。二者比較的曲線如圖4所示。采用PI調(diào)節(jié)器時(shí),，電壓超調(diào)接近20%,而采用內(nèi)?？刂破鞯南到y(tǒng)電壓超調(diào)小于10%。在0.1 s加入擾動(dòng)時(shí),，內(nèi)?？刂葡到y(tǒng)的抗擾性能更強(qiáng)。但采用內(nèi)模控制器時(shí),，系統(tǒng)具有一定延遲[5],。
采用內(nèi)模控制器的系統(tǒng),，交流側(cè)輸入電壓與輸入電流波形如圖5所示,，能量回饋時(shí)交流側(cè)輸入電壓與輸入電流波形如圖6所示。由仿真圖可見輸入電流正弦度很好,，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的單位功率因數(shù)運(yùn)行和能量的雙向流動(dòng),。
本文建立了基于內(nèi)模控制的改進(jìn)型雙閉環(huán)PWM整流器的模型,，在MATLAB/SIMULINK環(huán)境下進(jìn)行仿真研究,。仿真結(jié)果表明，采用內(nèi)?？刂破骱?，直流母線電壓超調(diào)減小，抑制擾動(dòng)能力加強(qiáng),，并且網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)接近于1,，減少了對(duì)電網(wǎng)的污染，實(shí)現(xiàn)了整流器的能量雙向流動(dòng)以及高功率因數(shù)運(yùn)行,；證實(shí)了本設(shè)計(jì)硬件結(jié)構(gòu)合理,，參數(shù)調(diào)節(jié)適當(dāng)，具有實(shí)際工程應(yīng)用價(jià)值,。
參考文獻(xiàn)
[1] 李曉東,，王京，張勇軍,，等.VME總線嵌入式交流調(diào)速控制系統(tǒng)[J].電氣傳動(dòng),，2007，37(11).
[2] 趙輝.基于內(nèi)?？刂圃淼腜ID控制器設(shè)計(jì)[D].天津：天 津大學(xué),，2005.
[3] ZHOU Ke Liang，WANG Dan Wei,，XU Guang Yan.Repetitive controlled three-phase reversible PWM rectifierPower[C]. American Control Conference.2000.Proceedings of the 2000. June 28-30,，2000.Chicago，IL,，USA.vol.1：125-129.
[4] 張崇巍,，張興.PWM整流器及其控制[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2003.
[5] 周淵深.感應(yīng)電動(dòng)機(jī)交-交變頻調(diào)速系統(tǒng)的內(nèi)?？刂萍?術(shù)[M].北京：電子工業(yè)出版社,，2005.
[6] SKOGESTAD S.Simple analytic rules for model reduction and PID controller tuning[J].Journal of Process Control， 2003(13)：291-309