CN108549242A - 一种除尘电源电路的复合校正控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种除尘电源电路的复合校正控制方法，采用状态空间平均思想建立除尘电源电路状态方程式及控制框图传递函数，同时采用极点配置法在系统PI控制器参数与系统期望性能指标间建立直接函数关系，配置系统理想PI控制器，为提高系统抗负载扰动性，引入复合校正控制，通过MATLAB仿真验证复合校正控制提高电源带负载能力的有效性。

Description

一种除尘电源电路的复合校正控制方法

技术领域

本发明属于电力电子技术领域，尤其涉及一种除尘电源电路的复合校正控制方法。

背景技术

随着社会经济发展与环境之间的矛盾日益突出，国家在环保方面的投入越来越大，应用于电除尘场合的中频电源迎来了新的发展机遇。作为一种特种电源，中频除尘电源的工作方式及其电路参数对除尘器的除尘效率有着重要影响，同时其内部交流变压器谐波损耗决定着除尘器能否正常安全可靠地运行。另外，电除尘本体中烟气的成分随工况的变化而时刻变化，导致电源的控制对象具有不稳定性，这对电源的工作状态具有巨大影响。

发明内容

发明目的：针对以上问题，本发明提出一种除尘电源电路的复合校正控制方法。

技术方案：为实现本发明的目的，本发明所采用的技术方案是：一种除尘电源电路的复合校正控制方法，包括步骤：(1)采用状态空间平均思想建立除尘电源电路状态方程式及频域下的等效传递函数；(2)采用PI控制器对除尘电源电路的电感电流实现闭环控制，得到除尘电源电路的闭环传递函数；(3)引入负载电压前馈补偿控制与电感电流闭环控制相结合形成复合校正控制，得到负载电压前馈补偿传递函数。

所述步骤(1)包括：(1.1)建立除尘电源电路状态方程式；(1.2)根据状态方程式得到频域下的系统框图；(1.3)将除尘电源电路输出电流作为控制对象，对系统框图进行等效变换；(1.4)将除尘电源电路输出电压视为系统的外部扰动，简化系统框图；(1.5)根据简化系统框图得到系统传递函数。

所述步骤(1)中，简化的系统传递函数为：

其中，I_L(s)为滤波电感电流，U_r(s)为调制波瞬时电压，U'_o(s)为折算至变压器原边侧的负载电压，K_PWM为PWM驱动电路及逆变器的整体等效模型，L为滤波电感，r为考虑死区效应、线路电阻、滤波电感电阻后的等效电阻。

所述步骤(2)中，除尘电源电路的闭环传递函数为：

其中，K_p、K_i分别为比例增益和积分增益，I_ref(s)为参考输出电流。

所述步骤(3)中，负载电压前馈补偿传递函数为：

其中，G_c(s)为PI控制器传递函数，G_n(s)为补偿装置传递函数。

有益效果：本发明除尘电源电路引入复合校正控制后，系统调节时间及扰动超调量有了明显减小，系统输出在负载扰动下只有微小变化，抗负载扰动性强，动态性能理想。

附图说明

图1是除尘电源电路图；

图2是除尘电源电路在频域下的系统框图；

图3是除尘电源电路等效框图；

图4是除尘电源电路简化框图；

图5是除尘电源电路引入PI控制器的等效框图；

图6是系统单位阶跃响应曲线及bode图；

图7是复合校正控制下的除尘电源电路等效框图；

图8是加入负载扰动补偿装置前，除尘电源在负载扰动单输入下的等效框图；

图9是加入负载扰动补偿装置后，除尘电源在负载扰动单输入下的等效框图；

图10是加入负载扰动补偿装置前后，在负载扰动单输入下的系统单位阶跃响应曲线图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的说明。

本发明所述的除尘电源电路复合校正控制方法采用状态空间平均思想建立除尘电源电路状态方程式及控制框图传递函数，同时采用极点配置法在系统PI控制器参数与系统期望性能指标间建立直接函数关系，配置系统理想PI控制器。为提高系统抗负载扰动性，引入复合校正控制，通过MATLAB仿真验证复合校正控制提高电源带负载能力的有效性。

步骤1：采用状态空间平均思想建立除尘电源电路状态方程式及频域下系统框图的传递函数；

如图1所示的除尘电源电路，属于非线性时变系统，本发明基于状态空间平均的思想，将非线性电源电路转换为等效线性电路，利用电源中断续变量的平均值代替其瞬时值，建立电源电路系统状态空间平均模型。

根据除尘电源主电路工作原理可知，除尘电源在其中频正负半周期内的工作特性相对称，即，在每半个中频周期的初始阶段，电感电流均与电感电压反向，逆变器开关管两端电压被钳制于零，电感电流流通回路由续流二极管构成；当滤波电感电流迅速下降为零并与电感电压同向时，逆变器开关管可正常通断，且分别工作于中频通断状态及高频通断状态，实现高频控制的逆变器输出中频的负载电流。

由于除尘电源在正负半中频周期工作状态的对称性，根据除尘电源电路在中频正半周期的工作特性建立系统状态方程式：

逆变器输出电压u_ab属于断续变量，当开关管T₁导通时，u_ab＝U_d，导通时间为t_on。当开关管T₁关断时，u_ab＝0，关断时间为(T-t_on)。基于状态空间平均的思想，利用u_ab在T₁一个开关周期内的平均值代替其瞬时值，即：

同时，根据逆变器控制信号的调制波及三角载波幅值关系可知，逆变器开关管导通占空比为：

其中，u_r为调制波瞬时值，U_cm为三角载波幅值。

将式(3)代入式(2)，得：

将PWM驱动电路及逆变器视为一个整体，u_r作为输入，u_ab作为输出。经式(4)变换后即可得到PWM驱动电路及逆变器的整体等效模型，即比例环节K_PWM：

将式(4)、(5)代入式(1)，得到除尘电源电路系统状态方程式：

根据式(6)建立除尘电源电路控制框图形式数学模型，其在频域下的系统框图如图2所示。

由于除尘器除尘效率与除尘电源输出平均电流成正比，对除尘电源采用恒流控制策略，将除尘电源输出电流作为控制对象并对其系统框图进行等效变换，除尘电源系统等效框图如图3所示。

除尘电源电路系统等效框图传递函数为：

由于除尘器工作状态会随其所在环境的粉尘浓度、粉尘性质的不同而发生改变，所以除尘器等效RC参数属于时变变量。同时由于除尘电源采用恒流控制策略，除尘电源输出电压随着除尘器等效RC参数的改变而实时变化。所以将除尘电源输出电压视为系统的外部扰动，通过观测输出电压的变化获取外部工作环境信息，由此可将系统等效框图进一步简化一阶模型，除尘电源系统简化框图如图4所示。

简化后除尘电源系统的传递函数为：

步骤2：采用PI控制器对除尘电源电感电流实现闭环控制；

PI控制原理的基础是控制变量实际值与期望值的偏差，通过反馈偏差量纠正系统响应，执行调节控制。PI控制器是一种线性控制器，如式(9)所示，根据给定期望值set(t)与实际输出值out(t)构成偏差e(t)：

e(t)＝set(t)-out(t) (9)

得到系统偏差后，将偏差的比例及积分环节通过线性组合构成被控对象的控制量u(t)，因此根据PI控制原理可得出如下公式：

式(10)中，K_p、K_i分别为比例增益和积分增益。比例环节的作用是加快系统响应速度，提高系统的调节精度。随着K_p的增大，系统响应速度变快，调节精度提高，但同时系统易产生超调，稳定性变差，严重时甚至会出现系统失稳。若K_p取值过小，则系统调节精度不足，响应速度较慢，达到稳态的时间被延长，系统动静态性能较差，控制效果不好。积分环节的主要作用是消除系统的稳态误差。K_i越大，系统静态误差消除速度越快，可以减少响应时间，但如果K_i过大，系统在响应初期会产生积分饱和现象。若K_i过小，稳态误差将难以消除，降低系统的调节精度。

PI控制器的传递函数为：

除尘电源系统引入PI控制器后的系统控制框图如图5所示。

此时除尘电源系统闭环传递函数为：

根据极点配置法在PI控制器参数与系统期望性能指标间建立直接函数关系，设计出系统理想PI控制器。

由自动控制原理可知，系统稳态性能及动态性能由其闭环极点在s平面的位置决定。由式(10)可知除尘电源系统特征方程为：

根据极点配置法，设置二阶系统理想闭环极点：

其中，ζ_r为期望的系统阻尼比、ω_r为期望的系统自然振荡频率，理想二阶系统的闭环特征方程为：

D_r(s)＝s²+2ξ_rω_rs+ω_r ² (15)

对比式(11)及式(13)，使其对应系数相等，可得PI控制器参数与系统期望闭环极点间函数关系：

为提高系统动态性能，降低系统超调量，减小系统调节时间，设系统阻尼比ζ_r为0.8，系统调节时间t_s≤3ms。根据系统调节时间t_s与系统阻尼比ζ_r及系统自然振荡频率ω_r之间的关系t_s≈3/ξ_rω_r，可得：

设系统参考电流i_REF为0.2A。当系统输出电流在开环状态下达到0.2A时，逆变桥开关管导通占空比d约为40％。当系统引入电流闭环后，由于系统启动瞬间偏差信号较大，为防止积分控制饱和，将系统初始导通占空比设为21.6％，调制信号瞬时值u_r设为1V，三角载波幅值U_cm设为4.615V，同时直流母线电压U_d为500V，得K_PWM：

根据式(16)和式(17)可计算出当K_PWM＝108.33，ωr＝1250rad/s，ζr＝0.8,时，系统PI控制器的参数为K_p＝0.206769，K_i＝161.538。

根据所求出的PI控制参数，得到此时除尘电源系统在输出电流参考信号下的闭环传递函数：

通过MATLAB对此时除尘电源系统进行仿真，系统单位阶跃响应曲线及bode图如图6所示，由图可知，此时系统调节时间约为4ms，超调量为18％，带宽约为1000rad/s。

步骤3：引入负载电压前馈补偿控制及电感电流闭环控制相结合的复合校正控制，提高除尘电源带负载能力；

在设计除尘电源主电路数学模型时已经指出，除尘电源的外部扰动实质上是其自身的输出电压。但从引入PI闭环控制的系统框图可知，负载电压扰动处于电感电流控制环路之外，所以外部扰动对除尘电源系统的影响无法完全通过闭环控制来抑制。为了提高系统的抗负载扰动性，引入负载电压前馈补偿控制及电感电流闭环控制相结合的复合校正控制，提高除尘电源带负载能力。复合校正控制下的除尘电源系统等效框图如图7所示。

为检测负载扰动对系统输出的影响，将系统参考电流i_REF置为0，此时系统输入输出传递函数关系：

想要实现前馈补偿控制的全补偿，需设I_L(S)＝0，此时有：

G_n(s)G_c(s)K_PWM-1＝0 (22)

得负载电压前馈补偿装置传递函数为：

根据式(23)可计算出当K_p＝0.206769，K_i＝161.538，K_PWM＝108.33时，前馈补偿装置：

加入负载扰动补偿装置前，除尘电源在负载扰动单输入下的系统框图如图8所示，此时系统闭环传递函数为：

加入负载扰动补偿装置后，除尘电源在负载扰动单输入下的系统框图如图9所示，此时系统闭环传递函数为：

通过MATLAB对加入负载扰动前馈补偿装置前后、系统在负载扰动单输入下的闭环传递函数进行仿真，得到前后系统的单位阶跃响应曲线，如图10所示。由图可以看出，除尘电源系统在引入负载扰动前馈补偿后，系统调节时间及扰动超调量有了明显减小，系统输出在负载扰动下只有微小变化，抗负载扰动性强，动态性能理想。

Claims (5)

1.一种除尘电源电路的复合校正控制方法，其特征在于：包括步骤：

(1)采用状态空间平均思想建立除尘电源电路状态方程式及频域下的等效传递函数；

(2)采用PI控制器对除尘电源电路的电感电流实现闭环控制，得到除尘电源电路的闭环传递函数；

(3)引入负载电压前馈补偿控制与电感电流闭环控制相结合形成复合校正控制，得到负载电压前馈补偿传递函数。

2.根据权利要求1所述的除尘电源电路的复合校正控制方法，其特征在于：所述步骤(1)包括：

(1.1)建立除尘电源电路状态方程式；

(1.2)根据状态方程式得到频域下的系统框图；

(1.3)将除尘电源电路输出电流作为控制对象，对系统框图进行等效变换；

(1.4)将除尘电源电路输出电压视为系统的外部扰动，简化系统框图；

(1.5)根据简化系统框图得到系统传递函数。

3.根据权利要求2所述的除尘电源电路的复合校正控制方法，其特征在于：所述步骤(1)中，简化的系统传递函数为：

其中，I_L为滤波电感电流，U_r为调制波瞬时电压，U'_o为折算至变压器原边侧的负载电压，K_PWM为PWM驱动电路及逆变器的整体等效模型，L为滤波电感，r为等效电阻。

4.根据权利要求3所述的除尘电源电路的复合校正控制方法，其特征在于：所述步骤(2)中，除尘电源电路的闭环传递函数为：

其中，K_p、K_i分别为比例增益和积分增益，I_ref(s)为参考输出电流。

5.根据权利要求4所述的除尘电源电路的复合校正控制方法，其特征在于：所述步骤(3)中，负载电压前馈补偿传递函数为：

其中，G_c(s)为PI控制器传递函数，G_n(s)为补偿装置传递函数。