一種pwm整流器中參數(shù)自整定模糊pi的參數(shù)設(shè)計(jì)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于電力電子技術(shù)領(lǐng)域，涉及PWM整流器中一種模糊控制器的PI參數(shù)設(shè)計(jì) 方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著綠色能源技術(shù)的快速發(fā)展，PWM整流器技術(shù)已成為電力電子技術(shù)研宄的熱點(diǎn)。 PWM整流器可實(shí)現(xiàn)電壓可調(diào)、單位功率因素，甚至可實(shí)現(xiàn)能量雙向流動(dòng)，相對(duì)傳統(tǒng)不可控整 流器，對(duì)電網(wǎng)的無功和諧波"污染"大大減小，因而得到了廣泛的應(yīng)用。常規(guī)的基于dq坐標(biāo) 系的電壓型PWM整流器一般采用雙閉環(huán)控制方式，即電壓外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)?？刂葡到y(tǒng)的設(shè) 計(jì)對(duì)整流器性能極為重要，而控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中PI參數(shù)的設(shè)計(jì)與系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能密切相關(guān)。
[0003] 工程上PI參數(shù)一般按經(jīng)驗(yàn)調(diào)整，這樣具有極大的盲目性，很難選擇到合適的PI參 數(shù)。在PWM相關(guān)文章中，有通過建立電流內(nèi)環(huán)與電壓外環(huán)的結(jié)構(gòu)圖，并按照典型I型或典型 II型系統(tǒng)設(shè)計(jì)其各自調(diào)節(jié)器?？紤]電流內(nèi)環(huán)需獲得較快的電流跟隨性能時(shí)，常按典型I型 系統(tǒng)設(shè)計(jì)電流調(diào)節(jié)器并得到其傳遞函數(shù)。電壓外環(huán)主要作用是穩(wěn)定直流電壓，設(shè)計(jì)時(shí)著重 考慮其抗干擾性能，按典型II型系統(tǒng)設(shè)計(jì)電壓調(diào)節(jié)器并得到其傳遞函數(shù)。根據(jù)獲得的傳遞 函數(shù)及工程需求，可以分別獲得一組電壓外環(huán)和一組電流內(nèi)環(huán)PI的參數(shù)值。而由于系統(tǒng)實(shí) 際運(yùn)行情況和理論設(shè)計(jì)時(shí)所采用的線性對(duì)象具有很大差別，使得根據(jù)理論推導(dǎo)得出的數(shù)值 與實(shí)際需要的數(shù)值還有一定差距，計(jì)算得到的PI參數(shù)不能使系統(tǒng)達(dá)到最優(yōu)工作狀態(tài)。
[0004] 近年來，隨著模糊控制算法的不斷發(fā)展，已經(jīng)有較多研宄將模糊算法與PI控制器 結(jié)合起來得到參數(shù)自整定模糊PI控制器，實(shí)現(xiàn)PI參數(shù)的實(shí)時(shí)調(diào)整。由于電壓外環(huán)決定系 統(tǒng)性能，它能夠抑制或彌補(bǔ)噪聲等因素給內(nèi)環(huán)帶來的擾動(dòng)，因此只將外環(huán)PI控制器替換為 參數(shù)自整定模糊PI控制器。在系統(tǒng)工況變化時(shí)，參數(shù)自整定模糊PI控制器通過PI參數(shù)在 工況變化時(shí)的實(shí)時(shí)調(diào)整，使直流側(cè)輸出在抗干擾性能和跟隨性能上都能達(dá)到一個(gè)比較滿意 的效果。在實(shí)際操作中，參數(shù)自整定PI控制器的基準(zhǔn)值和變化范圍多根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)設(shè)置， 參數(shù)設(shè)計(jì)具有一定的盲目性，難以顯示模糊PI控制器優(yōu)越性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的就是確定參數(shù)自整定模糊PI中各個(gè)參數(shù)的設(shè)計(jì)方法，使系統(tǒng)具有 最優(yōu)的動(dòng)態(tài)性能，該方法的使用使參數(shù)自整定模糊PI控制器中各個(gè)參數(shù)的設(shè)計(jì)有據(jù)可循， 避免了參數(shù)設(shè)計(jì)的盲目性，以保證輸出能達(dá)到較優(yōu)效果。
[0006] 本發(fā)明提出的解決方案：
[0007] 一種PWM整流器中模糊PI控制器參數(shù)設(shè)計(jì)方法，用于在電壓、電流雙閉環(huán)控制策 略中對(duì)PWM整流器中模糊PI控制器參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，避免參數(shù)設(shè)計(jì)的盲目性，使輸出能達(dá)到 較優(yōu)效果，具體步驟包括：
[0008] a、按照常規(guī)方法建立三相PWM整流器在dq坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型，以此得到電壓外 環(huán)控制結(jié)構(gòu)圖，并按典型II型系統(tǒng)設(shè)計(jì)電壓調(diào)節(jié)器，獲得電壓外環(huán)開環(huán)傳遞函數(shù)，計(jì)算得到 電壓外環(huán)PI調(diào)節(jié)器控制參數(shù)KUP、Kul;
[0009] b、以步驟（a)獲得的電壓外環(huán)參數(shù)KUP、Kul為中心，按等差序列選取多組同數(shù)量 級(jí)PI參數(shù)，將選定的多組PI參數(shù)代入系統(tǒng)進(jìn)行仿真，記錄系統(tǒng)在各組參數(shù)下仿真的動(dòng)態(tài)性 能，即記錄調(diào)節(jié)時(shí)間和超調(diào)量，并繪制調(diào)節(jié)時(shí)間與PI參數(shù)的關(guān)系曲線，超調(diào)量與PI參數(shù)的 關(guān)系曲線；根據(jù)調(diào)整時(shí)間、超調(diào)量與PI參數(shù)曲線特征，選取PI調(diào)節(jié)器K p參數(shù)變化最大值Kp _及K #數(shù)變化最大值Ki max;
[0010] C、采用兩輸入兩輸出模糊控制器，以實(shí)時(shí)檢測(cè)的電壓誤差量e及電壓誤差量變化 率ec乘以合適的比例系數(shù)后作為模糊控制輸入量，在有效變化范圍[-K p max/2, Kp max/2]、 [_Ki max/2，Ki max/2]內(nèi)經(jīng)過模糊控制算法獲得PI參數(shù)的實(shí)時(shí)修正量ΛΚρ、AKi;
[0011] d、以步驟（b)獲得的系統(tǒng)臨界參數(shù)Kp max、Ki max-半，即K ρ max/2和Ki max/2作為模 糊PI控制器的基準(zhǔn)值Kptl和K i(l，疊加上步驟（c)獲得的PI參數(shù)的修正量Λ Κρ、Λ Ki，得到 模糊PI控制器實(shí)際值Kp= K Ρ(ι+ Λ Kp，Ki= K i(l+ Λ Ki，實(shí)現(xiàn)PI參數(shù)的實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)。
[0012] 這樣，在PWM整流器電壓外環(huán)模糊控制器參數(shù)設(shè)計(jì)時(shí)，首先按常規(guī)PI控制器設(shè)計(jì) 方法計(jì)算得到電壓外環(huán)PI參數(shù)。以此為基礎(chǔ)按等差序列選取同數(shù)量級(jí)多組PI參數(shù)，將選取 的多組參數(shù)代入系統(tǒng)進(jìn)行仿真，記錄在各組PI參數(shù)下系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能仿真結(jié)果。由仿真結(jié)果 曲線特征確定出PI調(diào)節(jié)器K p參數(shù)變化最大值K P _及K i參數(shù)變化最大值K imax。設(shè)置模糊PI 控制器中基準(zhǔn)值KpQ、Kitl為K P max/2、Ki max/2,并基于有效變化范圍：[_KP max/2, KP max/2]、[-Ki+ max/2, Ki max/2]求得PI參數(shù)修正量Λ Κρ、Λ Ki，從而得到模糊PI控制器參數(shù)：Kp= K Ρ(ι+ Λ Kp、 Ki= K i(l+ Λ Ki，實(shí)現(xiàn)PI參數(shù)實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)。這樣，實(shí)際KpKi參數(shù)按照模糊控制原理實(shí)時(shí)根據(jù)系 統(tǒng)偏差e和偏差變化率ec調(diào)整，且PI參數(shù)由系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能仿真曲線特征獲得，避免了參數(shù) 的盲目選擇，可以使系統(tǒng)獲得更快的響應(yīng)速度和更小的超調(diào)。
[0013] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)：
[0014] 本發(fā)明提供了一種針對(duì)PWM整流器的模糊PI參數(shù)確定方法。相對(duì)于以往通過經(jīng) 驗(yàn)估測(cè)設(shè)定模糊PI參數(shù)，在采用了本文提出的方法后，參數(shù)自整定模糊PI的各個(gè)參數(shù)是在 計(jì)算值的基礎(chǔ)上進(jìn)行了多組參數(shù)系統(tǒng)仿真優(yōu)化，并給出了模糊參數(shù)變化可行范圍，避免了 參數(shù)設(shè)計(jì)的盲目性。
[0015] 此方法設(shè)計(jì)的模糊PI控制器中實(shí)際PI參數(shù)隨系統(tǒng)運(yùn)行工況自動(dòng)調(diào)節(jié)，且參數(shù)范 圍限定在系統(tǒng)穩(wěn)定區(qū)間內(nèi)，在系統(tǒng)輸出電壓參考值改變或者負(fù)載大小變化時(shí)，能在保證系 統(tǒng)穩(wěn)定工作的前提下，使系統(tǒng)調(diào)節(jié)時(shí)間短，超調(diào)量較小。
【附圖說明】
[0016] 圖1三相PWM整流器電路拓?fù)鋱D
[0017] 圖2三相PWM整流器控制框圖
[0018] 圖3電壓外環(huán)簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)圖
[0019] 圖4模糊PI下直流側(cè)輸出電壓波形
[0020] 圖5調(diào)節(jié)時(shí)間隨PI參數(shù)變化趨勢(shì)：（a)參考電壓80V變?yōu)?20V(b)負(fù)載由100Ω 變?yōu)?0Ω
[0021] 圖6電壓超調(diào)量隨PI參數(shù)變化趨勢(shì)：（a)參考電壓80V變?yōu)?20V(b)負(fù)載由100Ω 變?yōu)?0Ω
[0022] 圖7電壓外環(huán)模糊控制原理框圖
【具體實(shí)施方式】
[0023] 本發(fā)明針對(duì)以往研宄的電壓外環(huán)的參數(shù)自整定模糊PI控制器，提出一種模糊控 制器參數(shù)設(shè)計(jì)方法，以達(dá)到優(yōu)化PWM整流器直流側(cè)輸出動(dòng)態(tài)性能的目的。由PWM整流器的 控制結(jié)構(gòu)入手，本方法的具體的步驟如下：
[0024] a、三相PWM整流器拓?fù)淙鐖D1所示，由其圖2所示dq解耦控制框圖，得圖3所示電 壓外環(huán)簡(jiǎn)化控制框圖。并按典II型系統(tǒng)設(shè)計(jì)電壓調(diào)節(jié)器，得到校正后的開環(huán)傳遞函數(shù)為：
[0025]
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種PWM整流器中模糊PI控制器參數(shù)設(shè)計(jì)方法，用于在電壓、電流雙閉環(huán)控制策略 中對(duì)PWM整流器中模糊PI控制器參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，避免參數(shù)設(shè)計(jì)的盲目性，使輸出能達(dá)到較 優(yōu)效果，具體步驟包括： a、 按照常規(guī)方法建立三相PWM整流器在dq坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型，以此得到電壓外環(huán)控 制結(jié)構(gòu)圖，并按典型II型系統(tǒng)設(shè)計(jì)電壓調(diào)節(jié)器，獲得電壓外環(huán)開環(huán)傳遞函數(shù)，計(jì)算得到電壓 外環(huán)PI調(diào)節(jié)器控制參數(shù)KUP、Kul; b、 以步驟（a)獲得的電壓外環(huán)參數(shù)KUP、KUI為中心，按等差序列選取多組同數(shù)量級(jí)PI參 數(shù)，將選定的多組PI參數(shù)代入系統(tǒng)進(jìn)行仿真，記錄系統(tǒng)在各組參數(shù)下仿真的動(dòng)態(tài)性能，即 記錄調(diào)節(jié)時(shí)間和超調(diào)量，并繪制調(diào)節(jié)時(shí)間與PI參數(shù)的關(guān)系曲線，超調(diào)量與PI參數(shù)的關(guān)系曲 線；根據(jù)調(diào)整時(shí)間、超調(diào)量與PI參數(shù)曲線特征，選取PI調(diào)節(jié)器Kp參數(shù)變化最大值Kp_及 1參數(shù)變化最大值Kimax; c、 采用兩輸入兩輸出模糊控制器，以實(shí)時(shí)檢測(cè)的電壓誤差量e及電壓誤差量變化率 ec乘以合適的比例系數(shù)后作為模糊控制輸入量，在有效變化范圍[-Kpmax/2,Kpmax/2]、[-Ki max/2，Kimax/2]內(nèi)經(jīng)過模糊控制算法獲得PI參數(shù)的實(shí)時(shí)修正量AKp、AKi; d、 以步驟（b)獲得的系統(tǒng)臨界參數(shù)Kpmax、Kimax-半，即Kpmax/2和Kimax/2作為模糊PI控制器的基準(zhǔn)值Kptl和Ki(l，疊加上步驟（c)獲得的PI參數(shù)的修正量AKp、AKi,得到模糊PI 控制器實(shí)際值Kp=Kpc^AKpKi=K^AKi,實(shí)現(xiàn)PI參數(shù)的實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種PWM整流器模糊PI控制器參數(shù)設(shè)計(jì)方法。在PWM整流器電壓外環(huán)模糊控制器參數(shù)設(shè)計(jì)時(shí)，首先按常規(guī)PI控制器設(shè)計(jì)方法計(jì)算得到電壓外環(huán)PI參數(shù)。以此為基礎(chǔ)按等差序列選取同數(shù)量級(jí)多組PI參數(shù)，將選取的多組參數(shù)代入系統(tǒng)進(jìn)行仿真，記錄在各組PI參數(shù)下系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能仿真結(jié)果。由仿真結(jié)果曲線特征確定出PI調(diào)節(jié)器KP參數(shù)變化最大值KP_max及KI參數(shù)變化最大值Ki_max。實(shí)際Kp、Ki參數(shù)按照模糊控制原理實(shí)時(shí)根據(jù)系統(tǒng)偏差e和偏差變化率ec調(diào)整，且PI參數(shù)由系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能仿真曲線特征獲得，避免了參數(shù)的盲目選擇，在系統(tǒng)穩(wěn)定工作前提下，使系統(tǒng)調(diào)節(jié)時(shí)間短，超調(diào)量較小。
【IPC分類】H02M7-219
【公開號(hào)】CN104796020
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510181003
【發(fā)明人】何曉瓊, 李乾勇, 陳亞軍, 柳明, 舒澤亮
【申請(qǐng)人】西南交通大學(xué)
【公開日】2015年7月22日
【申請(qǐng)日】2015年4月17日