CN110445132B - 一种用于动车组整流器的模糊pi控制器的设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种用于动车组整流器的模糊PI控制器的设计方法，通过构建动车组网侧整流器交流侧电压电流动态特性关系式；通过二阶广义积分器解耦得到d‑q两相旋转坐标系电流预测模型；考虑将模糊控制与PI控制相结合的方式，来弥补PI控制本身鲁棒性差等缺点，控制器中将输入量经过模糊化、模糊推理、清晰化等过程，对输入量进行控制及校正；控制电压通过SPWM调制则可得到控制脉冲。本发明不依赖于系统精确的数学模型，适应性较强，模糊PI控制具有总谐波失真小，电流畸变小，直流侧电压超调量小，动态响应快等特点；能有效抑制牵引网‑动车组电气量低频振荡问题。

Description

一种用于动车组整流器的模糊PI控制器的设计方法

技术领域

本发明涉及动车组网侧整流器控制技术领域，具体为一种用于动车组整流器的模糊PI控制器的设计方法。

背景技术

近年来，在我国电气化铁路多个机务段出现牵引网压低频振荡事故，即当多辆机车或动车组在同一供电臂下运行，由于车网电气耦合系统(车网系统)不稳定造成牵引网压波动现象。低频网压振荡易造成机车牵引封锁，严重影响铁路正常运行秩序。

因此研究低频振荡的产生机理及其抑制方法具有重要意义。廖一橙等推导了全并联AT牵引供电网的输出阻抗模型，并通过构建和分析CRH5型车状态空间小信号模型获得动车组的输入导纳模型，进而获得dq坐标系下车网耦合系统阻抗导纳回比矩阵，后根据范数判据和提出的禁区准则判据分析了车网耦合系统稳定性。此研究表明，车网耦合系统低频振荡现象与动车组或脉冲整流器的控制参数和控制结构有着紧密关系。韩智玲等通过线性化分析手段，获得直流电压环节控制系统闭环传递函数，后根据小增益原理，推导出直流电压环节闭环系统鲁棒稳定的充分条件，得出适当减小电压环PI控制的比例参数可以使车网系统低频稳定性提高。目前，动车组通常采用传统的比例-积分(proportional integral，PI)控制方法，但其控制参数不易整定，且对系统扰动较敏感。而四象限变流器是一个典型的非线性、多变量强耦合系统，对外界扰动和系统自身参数变化较为敏感，采用传统的线性控制方法已达不到理想的控制效果。因此，有必要将非线性控制方法引入到四象限变流器的控制中。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的在于提供一种提高整流器的稳定性，降低动车组网侧整流器直流电压超调和其波动性，并不依赖于系统精确的数学模型的用于动车组整流器的模糊PI控制设计方法。技术方案如下：

一种用于动车组整流器的模糊PI控制器的设计方法，包括以下步骤：

步骤A：建立动车组网侧脉冲整流器的dq坐标系下数学模型；

步骤B：模糊控制器对控制环的输入量，即控制电压的误差及误差变化率进行模糊化，并设计隶属函数；步骤C：根据输入输出关系，对模糊规则进行总结；

步骤D：对输出量进行清晰化，得到PI控制器中控制参数的实际值，计算出实际控制电流；

步骤E：将得到的控制参数的实际值发送到电流控制环节，通过电流控制环得到控制电压，再通过SPWM调制得到控制脉冲。

进一步的，所述步骤A具体为：

建立动车组脉冲整流器的等效电路，则整流器的状态方程为：

式中，L₀为牵引变压器牵引绕组等效漏感；R₀为牵引变压器牵引绕组等效阻抗；u_N和i_N分别为牵引网侧等效交流电压和电流；i_dc和i_d分别为脉冲整流器输出电流和负载电流；u_dc为中间直流侧电压；C_d为直流侧支撑电容；u_ab为整流器输入电压；

构建一个与i_N幅值、频率均相同且相位滞后90°的虚拟交流量i_Nβ，并将i_N表示为i_Nα，得到静止坐标系下的分量：

式中，i_Nd和i_Nq分别为牵引网侧等效电流的dq分量值，

为功率因数角。

经变换得到dq坐标系下的数学模型如下：

式中，t为时间；ω为动车组网侧电压基波角频率；u_Nd和u_Nq分别为牵引网侧等效电压的dq分量值；u_abd和u_abq分别为整流器输入电压的dq分量值；i_Nd和i_Nq分别为牵引网侧等效电流的dq分量值；R_d为机车牵引传动系统的逆变器、牵引电机部分进行简化等效电阻；

所述步骤B具体为：

模糊控制器先对输入量，即控制电压的误差及误差变化率，进行模糊化的过程定义为如下：

其中，集合

为论域U上的模糊集合或模糊子集；

表示U中表示输入变量的各个元素x属于集合

的程度，称为元素x属于模糊集合

的隶属函数，其反映输入空间上每一个点映射到0到1之间的隶属度；当x是一个确定的元素x_j时，称

为元素x_j对模糊集合

的隶属度；

所述步骤C具体为：

对于n条模糊规则，对其表达的n个蕴涵关系R_k，k＝1,2…n做并运算，构成系统总的模糊蕴涵关系R：

将采样得出的输入变量x模糊化后映射成模糊量X，按近似推理合成法则，得到输入的模糊量为：

所述步骤D具体为：

对得到的模糊集合的全部进行清晰化处理，清晰化采用“重心法”，即“加权平均法”，过程如下式：

其中，x_i，i＝1,2,3…m为论域中的每个元素，u(i)为输出模糊集合的隶属度，平均值x₀便为应用加权平均法为模糊集合求得的判决结果；用输出量化因子乘以x₀，得控制量(PI控制器中的参数ΔK_i和ΔK_p)的实际值

本发明的有益效果是：

(1)本发明针对整流器强耦合、非线性系统，引入非线性的模糊PI及控制器，提高了整流器的稳定性，降低动车组网侧整流器直流电压超调和其波动性；

(2)本发明将模糊控制器与PI控制结合，此方法不要求精确的数学模型，对复杂系统有很好的适应性；

(3)本发明考虑输入量的误差，在模糊控制器中对输入量进行了校正，提高了系统的鲁棒性。

附图说明

图1为本发明的控制结构流程图。

图2为本发明的整流器等效电路图。

图3为本发明的模糊PI控制器结构图。

图4为本发明的模糊控制器的隶属函数图。

图5为本发明实施例中在Matlab/Simulink中搭建的基于模糊PI控制的CRH5型动车组两重化整流器的仿真模型。

图6为本发明实施例中双重化整流器交流侧电压、电流及直流侧电压波形图。

图7为本发明实施例中在Matlab/Simulink中搭建的车网耦合系统的戴维南仿真模型。

图8为本发明实施例中八台车同时加入车网耦合系统的牵引网侧电压、电流及直流侧电压波形。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。本实施例以CRH5型动车组为例，控制流程图如图1所示，具体步骤如下：

A、建立动车组网侧脉冲整流器的dq坐标系下数学模型。

建立动车组脉冲整流器的等效电路，则整流器的状态方程为：

式中，L₀为牵引变压器牵引绕组等效漏感；R₀为牵引变压器牵引绕组等效阻抗；u_N和i_N分别为牵引网侧等效交流电压和电流；i_dc和i_d分别为脉冲整流器输出电流和负载电流；u_dc为中间直流侧电压；R_d为机车牵引传动系统的逆变器、牵引电机部分进行简化等效电阻；C_d为直流侧支撑电容。

因交流侧均为时变交流量，不利于控制系统设计，故需对电气量进行解耦。本系统为一单相系统，需先构建一个与i_N幅值、频率均相同且相位滞后90°的虚拟交流量i_Nβ，并将i_N表示为i_Nα，得到静止坐标系下的分量。再进行坐标变换，实现从交流到直流的转换。

经变换得到得数学模型如下：

式中，t为时间；ω为动车组网侧电压基波角频率；u_Nd和u_Nq分别为牵引网侧等效电压的dq分量值；u_abd和u_abq分别为整流器输入电压的dq分量值。

B、对控制环的输入(期望控制的变化与变化率)进行模糊化以及隶属函数的设计

模糊PI控制器的输入输出为控制量的输入变化量和变化率，现以电压环为例，则输入为误差e和误差变化率e_c。如图3所示，模糊控制器需先对输入进行模糊化，模糊化过程定义为如下：

其中，集合

为论域U上的模糊集合或模糊子集；

表示U中各个元素x属于集合

的程度，称为元素x属于模糊集合

的隶属函数。当x是一个确定的元素x₀时，称

为元素x₀对模糊集合

的隶属度。经典集合和模糊集合在数轴上的映射，即隶属函数的取值。

而隶属函数反映了输入空间上每一个点映射到0到1之间的隶属度，隶属函数唯一地必须满足条件是其值在0-1之间变化，函数本身可以为任何一条曲线。本发明的隶属函数如图4所示。

C、根据输入输出关系，对模糊规则进行总结；

模糊控制规则是模糊控制器的核心，它相当于传统控制系统中的校正装置或补偿器。模糊规则是由许多模糊蕴涵关系“if...then...”构成，每条模糊条件语句都给出一个蕴涵关系R_i，即一条控制规则。若有n条规则，就把它们表达的n个蕴涵关系R_k(k＝1,2…n)做并运算，构成系统总的模糊蕴涵关系R：

当采样得出的输入变量x，经过模糊化后映射成模糊量X，按近似推理合成法则，可以得到输入的模糊量为：

由计算U的公式可知，构建语言型模糊控制器的关键，是根据经验总结出模糊规则，离线得出n条模糊条件语句，从而提出系统的总模糊蕴涵关系R。本发明的模糊规则表如表1-1和表1-2所示。

表1-1 △K_p模糊控制规则表

表1-2 △K_i模糊控制规则

D、对输出量进行清晰化，得到实际控制量；

对得到的模糊集合的全部尽行清晰化处理，清晰化采用“重心法”，即“加权平均法”，过程如下式：

其中，x_i(i＝1,2,3…m)为论域中的每个元素，u(i)为输出模糊集合的隶属度，平均值x₀便是应用加权平均法为模糊集合求得的判决结果。最后，用输出量化因子乘以x₀，从而得控制量(PI控制器中的参数ΔK_i和ΔK_p)的实际值。

E、将步骤4得到的控制参数的实际值给到电流控制环节，通过电流控制环可得到控制电压，再通过SPWM调制得到控制脉冲。

最后在Matlab/Simulink中搭建仿真模型如图5所示，所得电压、电流波形如图6所示，直流侧电压超调量为0，峰值时间为0.08s，调节时间为0.12s，电压波动为±10V，相比常用的瞬态直接电流控制而言性能指标得到较好改善，基本无超调量，稳定后电压波动小,且THD明显减小。

将该控制算法应用于牵引网-动车组级联仿真模型中，如图7所示。在传统瞬态直接电流控制下，依次增加接入牵引网的动车组数量，接入动车组达到6台时，动车组和牵引网电压、电流发生明显的波动，及产生车网低频振荡现象。在基于模糊PI控制的高铁低频振荡抑制方法控制下，接入动车组达到8台时，电气量基本稳定，如图8所示，未发生低频振荡问题。

本发明通过构建动车组网侧整流器交流侧电压电流动态特性关系式；通过二阶广义积分器解耦得到d-q两相旋转坐标系电流预测模型；考虑将模糊控制与PI控制相结合的方式，来弥补PI控制本身鲁棒性差等缺点，控制器中将输入量(期望电压与实际电压的差值与差值的变化率)经过模糊化、模糊推理、清晰化等过程，对输入量进行控制及校正；控制电压通过SPWM调制则可得到控制脉冲。该发明中所提控制，相对于传统瞬态直接电流控制不依赖于系统的数学模型，且总谐波失真小，电流畸变小，直流侧电压超调量小，动态响应快等。此外，该控制方法能有效抑制牵引网-动车组电气量低频振荡问题，并且系统外部参数在小范围变化时，相比于瞬态直接电流振荡模式和振荡峰值均会轻易受到影响，基于模糊PI控制的车网系统均未发生振荡现象。

Claims (1)

1.一种用于动车组整流器的模糊PI控制器的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤A：建立动车组网侧脉冲整流器的dq坐标系下数学模型；

建立动车组脉冲整流器的等效电路，则整流器的状态方程为：

式中，L₀为牵引变压器牵引绕组等效漏感；R₀为牵引变压器牵引绕组等效阻抗；u_N和i_N分别为牵引网侧等效交流电压和电流；i_dc和i_d分别为脉冲整流器输出电流和负载电流；u_dc为中间直流侧电压；C_d为直流侧支撑电容；u_ab为整流器输入电压；

构建一个与i_N幅值、频率均相同且相位滞后90°的虚拟交流量i_Nβ，并将i_N表示为i_Nα，得到静止坐标系下的分量：

式中，i_Nd和i_Nq分别为牵引网侧等效电流的dq分量值，

为功率因数角；

经变换得到dq坐标系下的数学模型如下：

式中，t为时间；ω为动车组网侧电压基波角频率；u_Nd和u_Nq分别为牵引网侧等效电压的dq分量值；u_abd和u_abq分别为整流器输入电压的dq分量值；i_Nd和i_Nq分别为牵引网侧等效电流的dq分量值；R_d为机车牵引传动系统的逆变器、牵引电机部分进行简化的等效电阻；

步骤B：模糊控制器对控制环的输入，即控制电压的误差及误差的变化率，进行模糊化，并设计隶属函数；

模糊控制器需先对输入量，即控制电压的误差及误差变化率，模糊化；模糊化的过程定义为如下：

其中，集合

为论域U上的模糊集合或模糊子集；

表示U中表示输入变量的各个元素x属于集合

的程度，称为元素x属于模糊集合

的隶属函数，其反映输入空间上每一个点映射到0到1之间的隶属度；当x是一个确定的元素x_j时，称

为元素x_j对模糊集合

的隶属度；

步骤C：根据输入输出关系，对模糊规则进行总结；

对于n条模糊规则，对其表达的n个蕴涵关系R_k，k＝1,2…n做并运算，构成系统总的模糊蕴涵关系R：

将采样得出的输入变量x模糊化后映射成模糊量X，按近似推理合成法则，得到输入的模糊量为：

式中，符号

表示合成运算；

步骤D：对输出量进行清晰化，得到PI控制器中控制参数的实际值；

对得到的模糊集合的全部进行清晰化处理，清晰化采用“重心法”，即“加权平均法”，过程如下式：

其中，x_i，i＝1,2,3…m为论域中的每个元素，u(i)为输出模糊集合的隶属度，平均值x₀便为应用加权平均法为模糊集合求得的判决结果；用输出量化因子乘以x₀，得控制量，即PI控制器中的参数的实际值；

步骤E：将得到的控制参数的实际值发送到电流控制环节，通过电流控制环得到控制电压，再通过SPWM调制得到控制脉冲。

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