CN104796020A - 一种pwm整流器中参数自整定模糊pi的参数设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种PWM整流器模糊PI控制器参数设计方法。在PWM整流器电压外环模糊控制器参数设计时，首先按常规PI控制器设计方法计算得到电压外环PI参数。以此为基础按等差序列选取同数量级多组PI参数，将选取的多组参数代入系统进行仿真，记录在各组PI参数下系统动态性能仿真结果。由仿真结果曲线特征确定出PI调节器K_P参数变化最大值K_{P_max}及K_I参数变化最大值K_{i_max}。实际K_p、K_i参数按照模糊控制原理实时根据系统偏差e和偏差变化率ec调整，且PI参数由系统动态性能仿真曲线特征获得，避免了参数的盲目选择，在系统稳定工作前提下，使系统调节时间短，超调量较小。

Description

一种PWM整流器中参数自整定模糊PI的参数设计方法

技术领域

本发明属于电力电子技术领域，涉及PWM整流器中一种模糊控制器的PI参数设计方法。

背景技术

随着绿色能源技术的快速发展，PWM整流器技术已成为电力电子技术研究的热点。PWM整流器可实现电压可调、单位功率因素，甚至可实现能量双向流动，相对传统不可控整流器，对电网的无功和谐波“污染”大大减小，因而得到了广泛的应用。常规的基于dq坐标系的电压型PWM整流器一般采用双闭环控制方式，即电压外环和电流内环。控制系统的设计对整流器性能极为重要，而控制系统设计中PI参数的设计与系统的动态性能密切相关。

工程上PI参数一般按经验调整，这样具有极大的盲目性，很难选择到合适的PI参数。在PWM相关文章中，有通过建立电流内环与电压外环的结构图，并按照典型Ⅰ型或典型Ⅱ型系统设计其各自调节器。考虑电流内环需获得较快的电流跟随性能时,常按典型Ⅰ型系统设计电流调节器并得到其传递函数。电压外环主要作用是稳定直流电压，设计时着重考虑其抗干扰性能，按典型Ⅱ型系统设计电压调节器并得到其传递函数。根据获得的传递函数及工程需求，可以分别获得一组电压外环和一组电流内环PI的参数值。而由于系统实际运行情况和理论设计时所采用的线性对象具有很大差别，使得根据理论推导得出的数值与实际需要的数值还有一定差距，计算得到的PI参数不能使系统达到最优工作状态。

近年来，随着模糊控制算法的不断发展，已经有较多研究将模糊算法与PI控制器结合起来得到参数自整定模糊PI控制器，实现PI参数的实时调整。由于电压外环决定系统性能，它能够抑制或弥补噪声等因素给内环带来的扰动，因此只将外环PI控制器替换为参数自整定模糊PI控制器。在系统工况变化时，参数自整定模糊PI控制器通过PI参数在工况变化时的实时调整，使直流侧输出在抗干扰性能和跟随性能上都能达到一个比较满意的效果。在实际操作中，参数自整定PI控制器的基准值和变化范围多根据工程经验设置，参数设计具有一定的盲目性，难以显示模糊PI控制器优越性。

发明内容

本发明的目的就是确定参数自整定模糊PI中各个参数的设计方法，使系统具有最优的动态性能，该方法的使用使参数自整定模糊PI控制器中各个参数的设计有据可循，避免了参数设计的盲目性，以保证输出能达到较优效果。

本发明提出的解决方案：

一种PWM整流器中模糊PI控制器参数设计方法，用于在电压、电流双闭环控制策略中对PWM整流器中模糊PI控制器参数进行设计，避免参数设计的盲目性，使输出能达到较优效果，具体步骤包括：

a、按照常规方法建立三相PWM整流器在dq坐标系下的数学模型，以此得到电压外环控制结构图，并按典型Ⅱ型系统设计电压调节器，获得电压外环开环传递函数，计算得到电压外环PI调节器控制参数K_uP、K_uI；

b、以步骤(a)获得的电压外环参数K_uP、K_uI为中心，按等差序列选取多组同数量级PI参数，将选定的多组PI参数代入系统进行仿真，记录系统在各组参数下仿真的动态性能，即记录调节时间和超调量，并绘制调节时间与PI参数的关系曲线，超调量与PI参数的关系曲线；根据调整时间、超调量与PI参数曲线特征，选取PI调节器K_P参数变化最大值K_{P_max}及K_I参数变化最大值K_{i_max}；

c、采用两输入两输出模糊控制器，以实时检测的电压误差量e及电压误差量变化率ec乘以合适的比例系数后作为模糊控制输入量，在有效变化范围[-K_{P_max}/2,K_{P_max}/2]、[-K_{i_max}/2,K_{i_max}/2]内经过模糊控制算法获得PI参数的实时修正量ΔK_p、ΔK_i；

d、以步骤(b)获得的系统临界参数K_{P_max}、K_{i_max}一半，即K_{P_max}/2和K_{i_max}/2作为模糊PI控制器的基准值K_p0和K_i0，叠加上步骤(c)获得的PI参数的修正量ΔK_p、ΔK_i，得到模糊PI控制器实际值K_p＝K_P0+ΔK_p,K_i＝K_i0+ΔK_i，实现PI参数的实时调节。

这样，在PWM整流器电压外环模糊控制器参数设计时，首先按常规PI控制器设计方法计算得到电压外环PI参数。以此为基础按等差序列选取同数量级多组PI参数，将选取的多组参数代入系统进行仿真，记录在各组PI参数下系统动态性能仿真结果。由仿真结果曲线特征确定出PI调节器K_P参数变化最大值K_{P_max}及K_I参数变化最大值K_{i_max}。设置模糊PI控制器中基准值K_p0、K_i0为K_{P_max}/2、K_{i_max}/2，并基于有效变化范围：[-K_{P_max}/2,K_{P_max}/2]、[-K_{i_max}/2,K_{i_max}/2]求得PI参数修正量ΔK_p、ΔK_i，从而得到模糊PI控制器参数：K_p＝K_P0+ΔK_p、K_i＝K_i0+ΔK_i，实现PI参数实时调节。这样，实际K_p、K_i参数按照模糊控制原理实时根据系统偏差e和偏差变化率ec调整，且PI参数由系统动态性能仿真曲线特征获得，避免了参数的盲目选择，可以使系统获得更快的响应速度和更小的超调。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

本发明提供了一种针对PWM整流器的模糊PI参数确定方法。相对于以往通过经验估测设定模糊PI参数，在采用了本文提出的方法后，参数自整定模糊PI的各个参数是在计算值的基础上进行了多组参数系统仿真优化，并给出了模糊参数变化可行范围，避免了参数设计的盲目性。

此方法设计的模糊PI控制器中实际PI参数随系统运行工况自动调节，且参数范围限定在系统稳定区间内，在系统输出电压参考值改变或者负载大小变化时，能在保证系统稳定工作的前提下，使系统调节时间短，超调量较小。

附图说明

图1三相PWM整流器电路拓扑图

图2三相PWM整流器控制框图

图3电压外环简化结构图

图4模糊PI下直流侧输出电压波形

图5调节时间随PI参数变化趋势：(a)参考电压80V变为120V(b)负载由100Ω变为50Ω

图6电压超调量随PI参数变化趋势：(a)参考电压80V变为120V(b)负载由100Ω变为50Ω

图7电压外环模糊控制原理框图

具体实施方式

本发明针对以往研究的电压外环的参数自整定模糊PI控制器，提出一种模糊控制器参数设计方法，以达到优化PWM整流器直流侧输出动态性能的目的。由PWM整流器的控制结构入手，本方法的具体的步骤如下：

a、三相PWM整流器拓扑如图1所示，由其图2所示dq解耦控制框图，得图3所示电压外环简化控制框图。并按典Ⅱ型系统设计电压调节器，得到校正后的开环传递函数为：

$W_{\mathrm{ou}}\left(s\right)=\frac{0.75K_u(T_{u}s+1)}{{\mathrm{CT}}_u(T_{\mathrm{eu}}s+1)}---\left(1\right)$

其中K_u,T_u为电压外环PI调节器参数；C为电容值，T_eu为电压采样小惯性时间常数与电流内环等效时间之和。

根据式(1)，按典Ⅱ型系统参数整定有：

$\frac{0.75K_u}{{\mathrm{CT}}_u}=\frac{h_u+1}{{{2h}_u}^2{T_{\mathrm{eu}}}^2}---\left(2\right)$

其中h_u为电压外环频宽，且

由式(2)解得电压外环PI调节器控制参数：

$K_{\mathrm{uP}}=\frac{4C}{{\mathrm{\τ}}_u+3T_s}---\left(3\right)$

$K_{\mathrm{uI}}=\frac{K_{\mathrm{uP}}}{T_u}=\frac{4C}{5{({\mathrm{\τ}}_u+3T_s)}^2}---\left(4\right)$

代入相应参数值，得到PI调节器的计算参数值K_uP、K_uI。

b、以式(3)、(4)计算得到的电压外环参数K_uP、K_uI为中心，按等差序列选取多组同数量级PI参数。

例如本仿真系统：取电容470uF，电压采样时间5*10^-4s，计算得到K_uP＝1.96,K_uI＝200。所选取的多组仿真参数为K_P：{0.5,1,1.5,2,2.5,3,3.5,4}。K_I：{50,100,150,200,250,300,350,400,450,500,550,600,650,700,750,800}。

c、分别将步骤(b)选定的多组PI参数代入系统进行仿真，记录各组参数下整流器输出在电压参考值变化或者负载大小变化时的调整时间和超调量。绘制调整时间、超调量与PI参数关系曲线，由所绘曲线的特征选取PI调节器K_P参数变化最大值K_{P_max}及K_I参数变化最大值K_{i_max}。

仿真中设置0.3s时电压参考值由80V变化到120V，0.7s负载由100Ω变化到50欧姆。模糊PI控制在基准值K_P＝2，K_I＝200时，仿真得到PWM整流器输出电压波形如图4所示。由仿真结果可知：电压参考值变化时：调节时间0.06s,超调量2.9V；负载突变时：调节时间0.031s，超调量8.6V。其中，调节时间t_s为系统输出电压达到并保持在稳定值±2％范围的时间，电压超调量为输出电压偏离稳态值的最大值。按同样的方法，记录多组不同PI参数下，调整时间、超调量。并绘制K_P、K_I与调整时间关系图，如图5所示；绘制K_P、K_I与超调量关系图，如图6所示。

由图5、图6可见，一定范围内随着K_P值变大，超调量及调节时间都变小，即系统动态性能越好，但K_P值超过一定值后系统会出现震荡，失去控制作用。故选取系统临界震荡的K_P参数为PI调节器K_P参数变化最大值K_{P_max}。在仿真中，在K_P大于等于4时，系统出现不稳定。而由图看出K_P在为3和3.5时区别不大，考虑到需要保证系统的稳定裕度，选取K_P变化最大值K_{P_max}为3。

由图5可见，相同K_P值时，一定范围内随着K_I值变大，超调量及调节时间都变小。但是当K_I大于某个值后调节时间随K_I的增大又会出现反向增大，因此可选择此转折值作为K_I参数变化最大值K_{i_max}。仿真中，K_P≤3时在K_I大于600后，调节时间及电压降落随K_I增大而减小的速率越来越小，在K_P＝1.5及K_P＝2时，K_I大于600后调节时间出现反向增大，故选取K_I变化最大值K_{i_max}为600。

d、采用两输入两输出模糊控制器，实时检测的电压误差量e及电压误差量变化率ec乘以合适的比例系数后作为模糊控制输入量，取ΔK_p、ΔK_i有效变化范围为[-K_{P_max}/2,K_{P_max}/2]、[-K_{i_max}/2,K_{i_max}/2]，经过模糊控制算法获得PI参数的实时修正量ΔK_p、ΔK_i。

e、取K_{Pxa_m}/2和K_{i_max}/2作为模糊PI控制器的基准值K_p0和K_i0，叠加PI参数的修正量ΔK_p、ΔK_i，得到模糊PI控制器实际值K_p＝K_P0+ΔK_p,K_i＝K_i0+ΔK_i，实现PI参数的实时调节。这样，实际K_p和K_i的值能利用模糊控制原理实时地根据系统偏差e和偏差变化率ec而调整，使系统具有更快的响应速度和更小的超调。

Claims (1)

1.一种PWM整流器中模糊PI控制器参数设计方法，用于在电压、电流双闭环控制策略中对PWM整流器中模糊PI控制器参数进行设计，避免参数设计的盲目性，使输出能达到较优效果，具体步骤包括：

a、按照常规方法建立三相PWM整流器在dq坐标系下的数学模型，以此得到电压外环控制结构图，并按典型Ⅱ型系统设计电压调节器，获得电压外环开环传递函数，计算得到电压外环PI调节器控制参数K_uP、K_uI；

b、以步骤(a)获得的电压外环参数K_uP、K_uI为中心，按等差序列选取多组同数量级PI参数，将选定的多组PI参数代入系统进行仿真，记录系统在各组参数下仿真的动态性能，即记录调节时间和超调量，并绘制调节时间与PI参数的关系曲线，超调量与PI参数的关系曲线；根据调整时间、超调量与PI参数曲线特征，选取PI调节器K_P参数变化最大值K_{P_max}及K_I参数变化最大值K_{i_max}；

c、采用两输入两输出模糊控制器，以实时检测的电压误差量e及电压误差量变化率ec乘以合适的比例系数后作为模糊控制输入量，在有效变化范围[-K_{P_max}/2,K_{P_max}/2]、[-K_{i_max}/2,K_{i_max}/2]内经过模糊控制算法获得PI参数的实时修正量ΔK_p、ΔK_i；

d、以步骤(b)获得的系统临界参数K_{P_max}、K_{i_max}一半，即K_{P_max}/2和K_{i_max}/2作为模糊PI控制器的基准值K_p0和K_i0，叠加上步骤(c)获得的PI参数的修正量ΔK_p、ΔK_i，得到模糊PI控制器实际值K_p＝K_P0+ΔK_p,K_i＝K_i0+ΔK_i，实现PI参数的实时调节。