電力電子變換器狀態(tài)反饋精確線性化模型及非線性控制.pdf

1、電力電子變換器是一類典型的開關(guān)非線性系統(tǒng)，現(xiàn)有的PID控制技術(shù)已經(jīng)無(wú)法滿足對(duì)高性能電力電子變換器的要求。隨著非線性控制理論的不斷發(fā)展，以及數(shù)字控制技術(shù)的成熟，將非線性控制理論引入到電力電子變換器的控制策略中，提高其控制性能，將具有重要的理論意義和實(shí)際意義。　　微分幾何理論是一種八十年代末發(fā)展起來(lái)的控制理論，九十年代才逐漸開始應(yīng)用于實(shí)際系統(tǒng)，在電工學(xué)科的應(yīng)用主要是在電力系統(tǒng)的勵(lì)磁控制中，在異步電機(jī)控制中也進(jìn)行了理論探討，然而這些研究都沒

2、有涉及到開關(guān)非線性系統(tǒng)。本文首次將微分幾何理論應(yīng)用到電力電子變換器控制中，在建立電力電子變換器非線性模型的基礎(chǔ)上，采用基于微分幾何理論的狀態(tài)反饋精確線性化的控制方法，對(duì)電力電子變換器進(jìn)行系統(tǒng)的非線性控制研究，并輔以成熟的線性系統(tǒng)控制理論，提出基于微分幾何理論的非線性控制策略，進(jìn)而得出一套有效的非線性控制策略來(lái)提高電力電子變換器的控制特性和輸入輸出特性。因此，本研究課題是現(xiàn)代控制理論應(yīng)用于電力電子技術(shù)前沿領(lǐng)域的一個(gè)新嘗試。　　本文首先分

3、析電力電子變換器開關(guān)非線性系統(tǒng)的特殊性，采用脈沖波型積分法對(duì)電力電子六種基本DC/DC變換器進(jìn)行建模，得出了適用于微分幾何理論的單輸入單輸出仿射非線性模型，并根據(jù)不同模型的關(guān)系度，給出了非線性坐標(biāo)變換算法，推導(dǎo)出對(duì)應(yīng)的非線性坐標(biāo)變換矩陣和非線性狀態(tài)反饋表達(dá)式，得到了各個(gè)變換器狀態(tài)反饋精確線性化模型。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)線性系統(tǒng)最優(yōu)二次型控制策略，尋找該線性系統(tǒng)最優(yōu)化控制方法，然后對(duì)線性系統(tǒng)的控制律進(jìn)行逆變換得到原非線性系統(tǒng)的控制策略?！　?/p>

4、在此基礎(chǔ)上，針對(duì)高維DC/DC變換器精確線性化中偏微分方程組算法復(fù)雜的特點(diǎn)，提出了基于微分幾何理論的零動(dòng)態(tài)算法，得到外部動(dòng)態(tài)特性穩(wěn)定的線性系統(tǒng)，并給出了輸出特性穩(wěn)定的高品質(zhì)的反饋控制算法?！　⊥瑫r(shí)，對(duì)于工作在不連續(xù)工作模式下的DC/DC變換器，也進(jìn)行了狀態(tài)反饋精確線性化討論。由于DCM模式的一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)工作模態(tài)多于連續(xù)型工作模式，因而不能直接采用單控制變量對(duì)變換器進(jìn)行建模。本文構(gòu)造雙控制變量，建立不連續(xù)工作模式下的多輸入多輸出仿射非

5、線性模型，得到線性化模型以及狀態(tài)反饋控制律。其狀態(tài)反饋律可推廣到CCM模式，證明了Buck變換器狀態(tài)反饋非線性控制對(duì)于不同工作模態(tài)的一致性和適應(yīng)性?！　?duì)于電力電子AC/DC變換器，本文對(duì)狀態(tài)反饋精確線性化的控制方法進(jìn)行了更深入的探討，并以三相PWM整流器為例對(duì)多輸入多輸出系統(tǒng)進(jìn)行了非線性控制研究。在分析三相PWM整流器工作原理的基礎(chǔ)上，引入旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系并采用脈沖波型積分法對(duì)三相電壓型PWM整流器進(jìn)行建模。在詳細(xì)討論了該模型線性化的條件

6、后，推導(dǎo)出其對(duì)應(yīng)的非線性坐標(biāo)變換矩陣和非線性狀態(tài)反饋矩陣，得到三相電壓型PWM整流器狀態(tài)反饋精確線性化模型，并結(jié)合線性系統(tǒng)最優(yōu)二次型反饋控制律以及無(wú)功功率控制策略提出了三相電壓型PWM整流器的非線性控制律，實(shí)現(xiàn)了整流器高品質(zhì)輸出電壓快速調(diào)節(jié)和功率因數(shù)校正?！　”疚耐ㄟ^(guò)仿真及實(shí)驗(yàn)方法和傳統(tǒng)PI控制方法的電路進(jìn)行了對(duì)比驗(yàn)證，證明了電力電子變換器狀態(tài)反饋精確線性化方法比現(xiàn)有的PI控制有更好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)調(diào)節(jié)特性和穩(wěn)態(tài)誤差調(diào)節(jié)特性。同時(shí)說(shuō)明狀態(tài)反