CN103840678B - 一种矩阵整流器的模糊滑模控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种矩阵整流器的模糊滑模控制方法，该方法运用滑模变结构控制，具有鲁棒性强、对内部参数变化及外加扰动不敏感、动态性能好等优点。而为了柔化滑模控制过程中状态轨迹到达滑模面后所呈现的“抖振”现象，本发明在滑模控制中引入了模糊控制，在保留滑模控制的优良特性的条件下，利用模糊逻辑结合知识经验设计出模糊控制器，优化控制过程，有效地抑制了“抖振”现象，得到了良好的控制效果。

Description

一种矩阵整流器的模糊滑模控制方法

技术领域

本发明涉及矩阵整流器控制方法技术领域，具体涉及一种应用于矩阵式整流器的模糊滑模控制方法。

背景技术

常见矩阵整流器使用的控制方法有：滞环比较跟踪控制、PI电流环控制、PI电压环控制等，这些控制方法鲁棒性较差，而且在外部参数急剧变化时动态响应慢，同时会产生超调现象。为了提高控制系统的鲁棒性和提高动态性能，引入滑模控制。该方法通过一定的控制策略让控制量不断地切换，迫使系统进入预先的滑模面滑动。进入滑模状态，系统参数扰动和外部干扰对控制系统无作用，控制系统的稳定性与动态品质仅取决于滑模面及其参数。正是具有这些特性令采用滑模控制的控制系统具有很好的鲁棒性及动态性能，可靠性高。同时，由于滑动模态是可以设计的，因此实现性强，可以根据需要不断的改进。但是，在实际应用过程中，滑模控制不可避免的存在“抖振”的现象，“抖振”现象不但劣化了控制性能，还有可能使控制系统趋于不稳定。

发明内容

本发明的目的在于提供矩阵整流器的模糊滑模控制方法，通过引入反馈调节电流调制度达到控制目的，具体技术方案如下。

矩阵整流器的模糊滑模控制方法，该方法包括以下步骤：

(1)检测负载侧直流电压V_rf并作为反馈量，用参考值V_ref减去V_rf得到电压误差值e，以及电压误差变化率

(2)利用步骤(1)中的结果，取切换函数利用电压误差e及误差变化率生成切换函数s，切换函数式中参数c根据赫尔维茨稳定条件进行整定；对整流器建立状态空间模型，其中以电压误差e作为状态变量x，状态空间模型由表示，式中u为控制量，t为时间量；当进入滑动模态后，且得到求解此满足条件下的控制量u得到等效控制u_eq；在理想情况下，忽略外界扰动，取控制量u＝u_eq；

(3)将步骤(2)所得的切换函数s及其变化率作为模糊控制器的2个输入量，输入变量s和均采用三角形隶属度函数，设s和的论域为：σ＝{-6,-5,-4,-3,-2,-1,0,1,2,3,4,5,6}；其论域上取7个语言值：NB(负大)，NM(负中)，NS(负小)，ZO(零)，PS(正小)，PM(正中)，PB(正大)；据此将输入量通过三角隶属转化成相应的语言值。

(4)模糊推理采用Mamdani类型，对模糊控制规则表中的模糊推理语句所描述的三元模糊关系，其关系矩阵R为R＝(NB×PB)^T1οZO

式中，(NB×PB)^T1为模糊关系矩阵(NB×PB)_m×n构成的m×n列向量，T1为列向量转换，n和m分别是NB、PB论域元素的个数，已知模糊关系矩阵R，可求得给定输入A、B对应的输出C：

C＝(A×B)^T2οR

式中T2为行向量转换；模糊关系矩阵R：

R＝(A₁×B₁)∪(A₁×B₂)∪(A₁×B₃)......(A₁×B_n)∪

(A₂×B₁).....(A_n×B_n-1)∪(A_n×B_n)；

上式中A₁～A_n表示第一个输入量的n个不同的语言值，

B₁～B_n表示第二个输入量的n个不同的语言值。

(5)步骤(4)中经过模糊推理的结果C即模糊化的控制量增量Δu，其论域、语言值的取值选择与步骤(3)中的s和相同，Δu选用Z形隶属度函数，其解模糊算法采用重心法；解模糊后输出的为实际控制增量Δu即电流调制度增量Δm_fsm；通过控制电流调制度增量Δm_fsm最终达到调控直流侧电压的目的。

本发明而为了柔化滑模控制过程中状态轨迹到达滑模面后所呈现的“抖振”现象，在滑模控制中引入了模糊控制，在保留滑模控制的优良特性的条件下，利用模糊逻辑结合知识经验设计出模糊控制器，优化控制过程，有效地抑制了“抖振”现象，得到了良好的控制效果。

与现有技术相比，本发明具有如下优点和技术效果：

本发明的反馈控制采用模糊滑模控制，由反馈得到误差值，将误差转化成滑模函数作为模糊控制器输入，再进过模糊化、模糊推理和反模糊得到模糊输出。在滑模控制中引入模糊控制策略保留了滑模控制自身不要求精确数学模型、对外部参数变化不敏感、控制系统稳定性仅由滑模面决定等特性，同时又解决了滑模控制的“抖振”现象。因此采用模糊滑模控制既具有良好的鲁棒性、和快速的动态响应性能，又消除了“抖振”现象，提高了控制系统的稳定性和可靠性，获得了很好的控制效果。总之，该方法运用滑模变结构控制，具有鲁棒性强、对内部参数变化及外加扰动不敏感、动态性能好等优点。

附图说明

图1为实施方式中的控制结构示意图。

图2为目标电流矢量的合成示意图。

图3为模糊滑模控制部分系统框图。

图4为实例中的模糊控制规则表。

图5为实际滑模运动轨迹。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的描述。

矩阵整流器根据直流侧结构可分为电流型和电压型两种，电流型呈现电流源特性，负载端串联大电感，电压型呈现电压源特性，负载端并联大电容。本发明以采用电流空间矢量算法调制的电压型矩阵整流器为例说明该控制方法的工作原理。

电压型SVM矢量控制是利用两非零矢量合成得到目标矢量。

最终目标电流矢量为

式中为固定电流矢量，为电流零矢量，θ为目标电流相角。

及θ的关系如图2所示，利用控制器通过占空比的调节我们能够合成我们所需要的电流矢量。

占空比计算函数如下所示：

d_α(θ)＝m·sin[60°-(θmod60°)]

d_β(θ)＝m·sin[(θmod60°)]

d₀(θ)＝1-d_α(θ)-d_β(θ)

上式中mod为求余运算，θ为相角生成模块所得的输入矢量相角，m为电流调节度。d_α(θ)、d_α(θ)、d₀(θ)为三个电流矢量的占空比。

直流侧电流为：

i_dc(t)＝i_a(t)S_a+i_b(t)S_b+i_cS_c

式中i_a、i_b、i_c分别为三相相电流，S_a、S_b、S_c依次为a、b、c相的开关函数。开关函数是根据开关表将占空比计算记过分配至各个开关，而占空比函数的幅值受到电流调制度m的调控。而直流侧电压与直流侧电流又存在以下关系：

$V_{dc}\left(S\right)=\frac{R_L}{1+R_{L}Cs}\·i_{dc}\left(s\right)$

V_dc(S)、i_dc(s)为直流侧电压、电流的拉斯变换量，C为直流侧电容，R_L为直流侧负载。

由上述关系可知，占空比函数受到m调制，直流电流受到占空比控制，而直流电压又与直流电流相关。因此，通过适当调节m的值可以得到我们需要的输出电压。所以选用电流调节度m的增量作为控制输出以调节直流侧电压。

如图3所示为模糊滑模控制部分示意图。

如图3所示，在矩阵整流器直流侧检测直流输出电压通过反馈同路接入控制系统，反馈量为当前输出电压实测值V_rf。电压输出期望值为V_ref，(V_ref为用户预设值)，V_ref与V_rf之差为误差e，并计算出误差变化率将误差e及误差变化率作为控制系统的两路输入。以误差及其变化率为状态变量构建控制系统的状态空间模型，则根据赫尔维茨稳定条件选取切换函数：

$S=C_1\·e+\stackrel{\·}{e}$

C₁为根据赫尔维茨稳定条件所整定的常数

将两个输入经过上述变换后得出切换函数S，并求出S的变化率矩阵整流器的模糊滑模控制器采用二维模糊控制器，通过模糊控制率直接输出滑模控制量。其中，模糊滑模控制器的输入是s和输入变量s和均采用三角形隶属度函数，设s和的论域为：σ＝{-6,-5,-4,-3,-2,-1,0,1,2,3,4,5,6}。其论域上取7个语言值：NB(负大)，NM(负中)，NS(负小)，ZO(零)，PS(正小)，PM(正中)，PB(正大)。根据知识经验，应根据满足的条件设计控制规则，如当s和都为正大，这就意味着是正大，所以就需要输入一个大的正变化，以使快速变小。模糊控制规则表如图4所示。

模糊推理系统采用Mamdani类型，即对形如模糊控制规则表中的一条模糊推理语句If NB and PB then ZO(NB、PB、ZO均属于论域σ)，对于语句所描述的三元模糊关系，其关系矩阵R为

R＝(NB×PB)^T1οZO

式中，NB、PB、ZO均属于论域，(NB×PB)^T1为模糊关系矩阵(NB×PB)_m×n构成的m×n列向量，T1为列向量转换，n和m分别是NB、PB论域元素的个数；已知模糊关系矩阵R，可求得给定输入A、B对应的输出C：

C＝(A×B)T²οR

式中T2为行向量转换。对于图4中多条的模糊控制规则，模糊关系矩阵R：

R＝(A₁×B₁)∪(A₁×B₂)∪(A₁×B₃)......(A₁×B_n)

∪(A₂×B₁).....(A_n×B_n-1)∪(A_n×B_n)

经过模糊推理的结果C即模糊化的控制量增量Δu，其论域、语言值的取值选择与步骤3中的s和相同，控制量增量Δu的隶属度函数选用Z形隶属度函数。其解模糊算法采用重心法。

重心法解模糊算法：

$\mathrm{\Δ}U=\frac{{\Σ}_{i=1}^n{x}_i\mathrm{\μ}\left(x_i\right)}{{\Σ}_{i=1}^n\mathrm{\μ}\left(x_i\right)}$

式中x_i为模糊化的控制输出Δu的论域中的第i个元素，μ(x_i)为该元素所对应的隶属度。

解模糊后输出的为实际控制增量ΔU，即图1中所示的电流调制度增量Δm_fsm。通过控制电流调制度增量Δm_fsm最终达到调控直流侧电压的目的。

理想的滑模运动要求系统达到切换面以后以无穷大的频率按照控制率进行切换，而在现实中却难以实现。而通过模糊柔化“抖振”后的实际滑模运动如图5所示。由图可知，引入模糊控制后，实际的控制轨迹减幅往复穿越滑模面，并最终达到滑模面并趋向原点，系统具有很高的可靠性。

Claims (3)

1.一种矩阵整流器的模糊滑模控制方法，其特征在于该方法包括以下步骤：

(1)检测负载侧直流电压V_rf并作为反馈量，用参考值V_ref减去V_rf得到电压误差值e，以及电压误差变化率

(2)利用步骤(1)中的结果，取切换函数利用电压误差e及误差变化率生成切换函数s，切换函数式中参数c根据赫尔维茨稳定条件进行整定；对整流器建立状态空间模型，其中以电压误差e作为状态变量x，状态空间模型由表示，式中u为控制量，t为时间量；当进入滑动模态后，且得到求解此满足条件下的控制量u得到等效控制u_eq；

(3)将步骤(2)所得的切换函数s及其变化率作为模糊控制器的2个输入量，输入变量s和均采用三角形隶属度函数，设s和的论域为：σ＝{-6,-5,-4,-3,-2,-1,0,1,2,3,4,5,6}；其论域上取7个语言值：NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB；据此将输入量通过三角隶属转化成相应的语言值；

(4)模糊推理采用Mamdani类型，对模糊控制规则中的模糊推理语句所描述的三元模糊关系，其关系矩阵R为

R＝(NB×PB)^T1·ZO

式中，NB、PB、ZO均属于论域，(NB×PB)^T1为模糊关系矩阵(NB×PB)_m×n构成的m×n列向量，T1为列向量转换，n 和m分别是NB、PB论域元素的个数，已知模糊关系矩阵R，可求得给定输入A、B对应的输出C：

C＝(A×B)^T2·R

式中T2为行向量转换；对于模糊控制规则的生成，其模糊关系矩阵R：

R＝(A₁×B₁)∪(A₁×B₂)∪(A₁×B₃)……(A₁×B_n)∪（A₂×B₁)……(A_n×B_n-1)∪(A_n×B_n)；

上式中A₁～A_n表示第一个输入量的n个不同的语言值，

B₁～B_n表示第二个输入量的n个不同的语言值；

(5)步骤(4)中经过模糊推理的结果C即模糊化的控制量增量Δu，其论域、语言值的取值选择与步骤(3)中的s和相同，Δu选用Z形隶属度函数，其解模糊算法采用重心法；解模糊后输出的为实际控制增量Δu即电流调制度增量Δm_fsm；通过控制电流调制度增量Δm_fsm最终达到调控直流侧电压的目的。

2.根据权利要求1所述的矩阵整流器的模糊滑模控制方法，其特征在于步骤(2)所述控制量u＝u_eq。

3.根据权利要求1所述的矩阵整流器的模糊滑模控制方法，其特征在于步骤(3)所述NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB分别为负大、负中、负小、零、正小、正中和正大。