CN111953217A - 一种基于三相Vienna整流器的滑模自抗扰控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于三相Vienna整流器的滑模自抗扰控制方法，其为一种改进型的自抗扰控制器，技术方案为将直流侧电压参考值Udcref通过跟踪微分控制器安排过渡过程；根据扩张状态观测器对直流侧输出电压Udc进行观测；将跟踪微分控制器的输出信号x1与扩张状态观测器对Udc的观测信号z1输入到滑模控制器，以滑模控制器替代状态误差反馈控制器，滑模控制器以电压的平方作为反馈控制量，设计滑模面，采用改进的指数趋近率作为滑模趋近率，得到控制控制量u0，再对扩张状态观测器观测的总扰动z2进行实时补偿，从而可以得到内环控制的给定量u。本发明相比传统的自抗扰控制器其整定参数数量大大降低，相比线性自抗扰控制器具有较快的响应速度和较强的鲁棒性。

Description

一种基于三相Vienna整流器的滑模自抗扰控制方法
技术领域
本发明涉及一种用于Vienna整流器电压环的滑模自抗扰控制器，其为一种改进型的自抗扰控制器。
背景技术
传统的PID控制存在参数整定困难且由于积分饱和作用始终无法解决系统快速性与超调性之间的矛盾。
自抗扰控制器(Active Disturbance Rejection Controller,ADRC)具有很好的适用性和鲁棒性，可以通过跟踪微分控制器安排过渡过程，很好的解决传统PID存在的问题。但是自抗扰控制器仍存在许多不足，比如传统的ADRC中的非线性状态误差反馈多采用误差的非线性组合，控制器参数较多，参数整定复杂。采用线性状态误差反馈控制虽然简化了参数整定但是其动态响应速度与稳定性都相应有所降低。
滑模控制(Sliding Model Control,SMC)本质上是一种非线性控制，其非线性主要表现为控制的不连续性，滑模变结构控制具有快速响应、对参数变化及扰动不灵敏、无需系统在线辨识，物理实现简单等优点。该控制方法的缺点主要是当状态轨迹到达滑模面后，难于严格地沿着滑模面向平衡点滑动，而是在滑模面两侧来回穿越，从而产生抖振。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于三相Vienna整流器的滑模自抗扰控制方法，采用自抗扰与滑模变结构相结合的复合控制策略，先通过改进滑模趋近律中符号函数的连续性和可导性，从而克服滑模控制器的抖振问题，再采用改进的滑模控制器作为自抗扰控制器的状态反馈控制律，从而提高了自抗扰控制器的性能。
本发明通过以下技术方案实现，本发明包括跟踪微分控制器，扩张状态观测器，基于滑模的非线性状态反馈控制器；所述跟踪微分控制器对直流侧电压参考值Udcref安排过渡过程，所述扩张状态观测器对直流侧输出电压Udc和系统总扰动进行观测。所述基于滑模控制的非线性状态误差反馈控制器根据以电压的平方作为反馈控制量，设计滑模面，采用改进的指数趋近律作为滑模趋近律，得到控制量，再通过扩张状态观测器观测的总扰动进行实时补偿，从而可以得到内环控制的给定量。本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：本发明所述的一种用于Vienna整流器电压环的滑模自抗扰控制器，通过采用滑模控制器替代自抗扰控制器中的状态反馈控制律从而既降低了自抗扰控制器的参数数量，又提高了系统的响应速度。通过对滑模控制器趋近律进行改进，避免了采用滑模控制存在的抖振问题。本发明所述新型自抗扰控制器相比传统的自抗扰控制器，其整定参数数量大大降低，相比线性自抗扰控制器具有较快的响应速度，较高的稳定性和较强的鲁棒性。
附图说明
图1为本发明实施例的Vienna整流器拓扑结构图。
图2为本发明实施例的控制结构示意图。
图3为本发明实施例的指数趋近律中双曲正切函数图像。
图4为本发明实施例的三种控制器对Vienna整流器直流侧输出电压的静态控制效果图。
图5为本发明实施例的三种控制器对Vienna整流器直流侧输出电压的扰动控制效果图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。当然，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明创造中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
实施例1
参见图1至图5，图1为本发明实施例的Vienna整流器拓扑结构图，主要由三相对称电源ea,eb,ec、六个快恢复二极管D1～D6、三个升压电感L1,L2,L3、三个输入电阻r1,r2,r3、三个双向功率开关S1,S2,S3、两个输出电容C1,C2以及负载RL组成。本发明提供一种用于Vienna整流器电压环的滑模自抗扰控制器，如图2所示，本实施例包括跟踪微分控制器(TrackingDifferentiator,TD)，扩张状态观测器(Extended State Observer,ESO)，基于滑模的非线性状态反馈控制器(Sliding Mode-Nonlinear State Error Feedback,SM-NLSEF)；所述跟踪微分控制器对直流侧电压参考值安排过渡过程，所述扩张状态观测器对直流侧输出电压和系统总扰动进行观测。所述基于滑模的非线性状态误差反馈控制器根据以电压的平方作为反馈控制量，设计滑模面，采用改进的指数趋近率作为滑模趋近率，得到控制量，再通过扩张状态观测器观测的总扰动进行实时补偿，从而可以得到内环控制的给定量。所述跟踪微分控制器为：
Figure BDA0002316868630000031
式中，r为速度因子，r越大，跟踪速度越快；x1为直流侧电压参考值Udcref安排过渡过程，x2为x1的微分。
扩张状态观测器模型为：
Figure BDA0002316868630000032
式中，z1为直流侧输出电压Udc状态估计，z2为系统总扰动的估计值；β1,β2为可调节参数。b为补偿系数。
基于滑模控制的非线性状态误差反馈控制器为：
Figure BDA0002316868630000033
式中，s为所设计的滑模面，k表示滑模趋近律指数系数，其数值大于0，ε表示滑模趋近律趋近切换面的速度，其数值大于0。
状态反馈控制器中的
Figure BDA0002316868630000034
根据Vienna整流器直流侧数学模型推导为：
Figure BDA0002316868630000035
其中，RL为直流侧负载电阻，u0为未加扰动补偿时的控制信号。
如图3所示，双曲正切函数是单调递增且光滑的连续非线性函数，其在原点附近连续且具有快速线性响应的特性，从而弥补了一般指数趋近律符号函数在原点不连续引起的高频抖振。所述的tanh(s)函数为：
Figure BDA0002316868630000036
所述扰动补偿，根据扩张状态观测器观测系统的内扰和外扰作为系统的总扰动进行实时补偿，其补偿方法为：
Figure BDA0002316868630000037
式中，u0为未加扰动补偿时的控制信号；u为控制信号，
Figure BDA0002316868630000041
为系统总的扰动补偿分量。
本实施例中，采用本发明所述基于滑模的自抗扰控制器对Vienna整流器直流侧输出电压在simulink中进行仿真研究，本实施例Vienna整流器电流环均采用预测功率控制，将本发明所述基于滑模的自抗扰控制器应用在Vienna整流器的电压环中，对系统进行仿真，验证采用本发明控制方法能有效提高Vienna整流器直流侧输出电压的动静态性能。
在仿真时，将本发明所述滑模自抗扰控制器与传统PI控制器、线性自抗扰控制器进行了比较，三种控制器对Vienna整流器直流侧输出电压的静态控制效果如图4所示。图5为三种控制器对Vienna整流器直流侧输出电压的扰动控制效果图。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种基于三相Vienna整流器的滑模自抗扰控制方法，其特征在于，包括跟踪微分控制器(Tracking Differentiator,TD)，扩张状态观测器(Extended State Observer,ESO)，基于滑模的非线性状态反馈控制器(Sliding Mode-Nonlinear State Error Feedback,SM-NLSEF)；所述跟踪微分控制器对直流侧电压参考值安排过渡过程，所述扩张状态观测器对直流侧输出电压和系统总扰动进行观测。所述基于滑模的非线性状态误差反馈控制器根据以电压的平方作为反馈控制量，设计滑模面，采用改进的指数趋近率作为滑模趋近率，得到控制量，再通过扩张状态观测器观测的总扰动进行实时补偿，从而可以得到内环控制的给定量。
2.根据权利要求1所述的一种基于三相Vienna整流器的滑模自抗扰控制方法，其特征在于，所述跟踪微分控制器为：
Figure FDA0002316868620000011
式中，r为速度因子，r越大，跟踪速度越快；x1为直流侧电压参考值Udcref安排过渡过程，x2为x1的微分。
3.根据权利要求1所述的一种基于三相Vienna整流器的滑模自抗扰控制方法，其特征在于，所述的扩张状态观测器为：
Figure FDA0002316868620000012
式中，z1为直流侧输出电压Udc状态估计，z2为系统总扰动的估计值；β1,β2为可调节参数；b为补偿系数。
4.根据权利要求1所述的一种基于三相Vienna整流器的滑模自抗扰控制方法，其特征在于，所述的基于滑模控制的非线性状态误差反馈控制器为：
Figure FDA0002316868620000013
式中，k表示滑模趋近律指数系数，其数值大于0，ε表示滑模趋近律趋近切换面的速度，其数值大于0。
5.根据权利要求4所述的一种基于三相Vienna整流器的滑模自抗扰控制方法，其特征在于，所述的
Figure FDA0002316868620000014
根据Vienna整流器直流侧数学模型推导为：
Figure FDA0002316868620000015
其中，RL为直流侧负载电阻，u0为未加扰动补偿时的控制信号。
6.根据权利要求4所述的一种基于三相Vienna整流器的滑模自抗扰控制方法，其特征在于，所述的tanh(s)函数为：
Figure FDA0002316868620000021
7.根据权利要求1所述的一种基于三相Vienna整流器的滑模自抗扰控制方法，其特征在于，所述扰动补偿，根据扩张状态观测器观测系统的内扰和外扰作为系统的总扰动进行实时补偿，其补偿方法为：
Figure FDA0002316868620000022
式中，u0为未加扰动补偿时的控制信号；u为控制信号，
Figure FDA0002316868620000023
为系统总的扰动补偿分量。
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