開題報告-中國石油大學

博士學位論文文獻綜述及開題報告課題名稱基于Boost型電路變換器的優(yōu)化控制研究學號2013315003姓名譚程學院地球物理與信息工程學院學科專業(yè)控制理論與控制工程指導教師梁志珊教授I完成時間：2014年8月日

目錄目錄 II第一部分文獻綜述 11前言 12單相Boost型DC/DC直流變換器研究進展 12.1整數(shù)階單相Boost型DC/DC研究進展 12.1.1整數(shù)階Boost型DC/DC變換器的模型研究 12.1.2整數(shù)階單相Boost型DC/DC變化器的控制方法研究進展 32.2分數(shù)階單相Boost型DC/DC研究進展 73三相Boost型AC/DC變換器研究進展 73.1三相電壓型PWM整流器 73.2三相電壓型PWM整流器建模研究進展 83.3三相電壓型PWM整流器控制策略研究進展 83.3.1傳統(tǒng)的線性/非線性控制方法 93.3.2現(xiàn)代的非線性控制方法 133.3.3智能控制 18參考文獻 20第二部分開題報告 11選題依據(jù) 11.1課題背景及研究意義 11.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 21.2.1裕量設(shè)計研究進展 21.2.2工藝與控制集成設(shè)計研究進展 31.2.3催化裂化建模與控制研究進展 42研究內(nèi)容、研究目標及擬解決的關(guān)鍵問題 52.1研究內(nèi)容 52.2研究目標 92.3擬解決的關(guān)鍵問題 93擬采取的研究方案及可行性分析 103.1擬采取的研究方案 103.2可行性分析 114創(chuàng)新點 115研究計劃及預期成果 11參考文獻 13《周期可調(diào)參量型化工過程工藝與控制集成設(shè)計研究》文獻綜述PAGE2第一部分文獻綜述1前言隨著傳統(tǒng)化石能源的日益枯竭，人類生存環(huán)境承受著巨大壓力。這一現(xiàn)狀給新能源的發(fā)展帶來了諸多機遇與挑戰(zhàn)。風能、太陽能、燃料電池等可再生能源的研究及應(yīng)用已經(jīng)越來越受到人們的廣泛關(guān)注。根據(jù)這些能源的分散性、多樣性和隨機性，合理選擇、開發(fā)、利用多種可再生能源分布式功能系統(tǒng)，構(gòu)成微電網(wǎng)，實現(xiàn)獨立或者并網(wǎng)運行，是高效利用可再生能源發(fā)電的重要方向。由于燃料電池輸出特性較軟，以及考慮到太陽能和風能發(fā)電容易受到光照、風速等條件限制，整個微電網(wǎng)系統(tǒng)需要能量緩沖單元（比如蓄電池儲能、超級電容器儲能、飛輪儲能等）用以協(xié)調(diào)能源和負載間的供需平衡，實現(xiàn)微電網(wǎng)的優(yōu)化運行。當新能源混合發(fā)電系統(tǒng)應(yīng)用在獨立發(fā)電場合，即孤網(wǎng)運行或獨立運行，連接在中間直流母線上的多個功能系統(tǒng)可以組建成一個直流微電網(wǎng)。直流微電網(wǎng)簡化了整個新能源混合發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和實現(xiàn)，適應(yīng)性較強，應(yīng)用范圍廣，經(jīng)過接口變換器直接為直流負載供電，也可以通過額外的直流-交流（DC/AC）變換器給交流負載供電或?qū)崿F(xiàn)并網(wǎng)?；旌闲钅苄蘧畽C就是一個典型的直流微網(wǎng)系統(tǒng)，其端口設(shè)備是以Boost型電路為基礎(chǔ)的DC/DC變換器和AC/DC整流器。因此，研究增強端口設(shè)備運行的穩(wěn)定性及提高其動態(tài)響應(yīng)能力對直流微網(wǎng)系統(tǒng)的優(yōu)化具有重要意義。2單相Boost型DC/DC直流變換器研究進展2.1整數(shù)階單相Boost型DC/DC研究進展2.1.1整數(shù)階Boost型DC/DC變換器的模型研究BoostDC/DC變換器是一種升壓變換器，是電力電子變換器最基本的類型之一，廣泛應(yīng)用于各種升壓場合。它的電感是在輸入端，輸出電壓必須高于輸入電壓。最基本的單相BoostDC/DC變換器如下圖2.1所示。圖2.1單相BoostDC/DC變換器DC/DC開關(guān)變換器具有成本低、可靠性高、結(jié)構(gòu)簡單等特點。在很長一段時期內(nèi)，對DC/DC變換器是基于電路工作波形進行研究的。波形分析法是在工作周期內(nèi)對變換器狀態(tài)變量進行微觀分析，是進行變換器拓撲結(jié)構(gòu)分析的基本方法。該方法主要依靠改變電路結(jié)構(gòu)、更換高性能元器件的方法來提高變換器效率，這無疑將增加電路的復雜性、提高電路成本。隨著控制方法研究的興起，人們開始對變換器建立數(shù)學模型并在所建立的數(shù)學模型的基礎(chǔ)上借助各種控制方法進行控制器的設(shè)計。作為一個完整的控制系統(tǒng)，能夠準確描述物理對象的數(shù)學模型和先進的控制器是缺一不可的。DC/DC變換器系統(tǒng)本身的非線性特性[1]增加了數(shù)學建模的難度。一般來講，開關(guān)變換器的建模方法分為兩類：—類為數(shù)字仿真法[2]，一類為解析建模法[3]。數(shù)字仿真法是利用各種算法對變換器各狀態(tài)值進行數(shù)值運算從而得到某些特性數(shù)值解的方法。該方法可以對變換器電路進行全面地分析，因此在設(shè)計和調(diào)試中都起著重要的作用，但該法所得到的模型物理概念不明確，很難提供有關(guān)電路工作機制的信息，并且計算量大，因此很難在工程實際中得到廣泛應(yīng)用。解析建模法是利用解析式來描述開關(guān)變換器電路工作特性的建模方法，該方法得出的模型是針對具體開關(guān)變換器電路的數(shù)學解析式，模型簡單明了，物理概念清晰，是經(jīng)常運用的一類建模方法。較常用的建模方法[4-9]包括基本小信號建模法、狀態(tài)空間平均法、開關(guān)元件平均法、開關(guān)工作波形平均法和符號法等，近年來有學者提出用切換控制的方法建立切換模型。本文所設(shè)計的控制器都是在狀態(tài)空間平均模型的基礎(chǔ)上設(shè)計得到的。功率開關(guān)器件周期性的開和關(guān)，使DC-DC開關(guān)變換器成為周期性的變結(jié)構(gòu)系統(tǒng)。在一個開關(guān)周期內(nèi)，分別對開關(guān)器件開或關(guān)時的系統(tǒng)建模，如果RLC元件是線性的，則電路為線性電路，進而所得到的數(shù)學模型也是線性的并且不是一組而是兩組或者兩組以上，分別為描述開關(guān)器件關(guān)斷時和導通時電路的工作。為了得到描述開關(guān)變換器在整個開關(guān)周期內(nèi)統(tǒng)一的狀態(tài)空間模型，1976年由MiddlebrookR.D.等學者提出了狀態(tài)空間平均法[10]。狀態(tài)空間平均法一直是國際公認的PWMDC/DC變換器的主要建模和分析方法，其實質(zhì)為：根據(jù)由線性RLC元件、獨立電源和周期性開關(guān)組成的原始網(wǎng)絡(luò)，以電容電壓、電感電流為狀態(tài)變量，按照功率開關(guān)器件的‘on’和‘off’兩種狀態(tài)，利用時間平均技術(shù)，得到一個周期內(nèi)平均狀態(tài)變量，將一個非線性、時變、開關(guān)電路轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€等效的線性、時不變、連續(xù)電路，從而可對DC/DC開關(guān)變換器進行大信號瞬態(tài)分析，并可決定其小信號傳遞函數(shù)，建立狀態(tài)空間平均模型。狀態(tài)空間平均法是通過對PWM型DC/DC開關(guān)變換器的狀態(tài)變量進行平均和線性化處理，得到解析結(jié)果的通用分析方法，適用于穩(wěn)態(tài)和動態(tài)小信號的解析分析。但狀態(tài)空間平均法在進行狀態(tài)空間平均變換處理時要求開關(guān)變換器的開關(guān)頻率遠遠大于電路特征頻率且狀態(tài)方程中輸入變量為常數(shù)或緩慢變化量，只能用在擾動頻率比開關(guān)頻率低很多的情況，不適用于諧振變換器。當變換器有更多的開關(guān)狀態(tài)、含有更多的電容和電感動態(tài)元件時，狀態(tài)空間平均法需要進行大量的運算，建模過程復雜，分析繁瑣。目前，該方法主要用以分析理想PWM開關(guān)變換器。PWM型DC-DC變換器是一個強非線性離散系統(tǒng)。系統(tǒng)主要特點如下：(1)開關(guān)器件在一個周期中既工作在飽和區(qū)又工作在截止區(qū)，系統(tǒng)在時間段和時間段內(nèi)都是線性的，即系統(tǒng)是按時間分段線性的、時變的。(2)由于外部瞬態(tài)或持續(xù)擾動，會引起變換器工作狀態(tài)參數(shù)的非線性變化。(3)脈寬調(diào)制器具有飽和非線性，系統(tǒng)在工作時導通比有上限和下限，即，一旦達到或即保持不變。(4)系統(tǒng)是離散系統(tǒng)，其控制部分有脈寬調(diào)制器，它在每一個開關(guān)周期內(nèi)，通過驅(qū)動器控制晶間管通斷一次，控制是不連續(xù)的。以上特點說明，DC/DC變換器動態(tài)特性解析的分析方法較為復雜，阻礙了對含這類變換器的動態(tài)分析和設(shè)計。這些都是因為DC-DC變換器是一個強非線性離散系統(tǒng)，且參數(shù)是時變的，控制是不連續(xù)的和非線性的，采用傳統(tǒng)的控制方法，則要求有精確的控制模型，并存在抗干擾性能差、輸出波紋大、對參數(shù)的變化敏感，導致系統(tǒng)性能惡化的不足。從而對我們的控制策略提出了重大挑戰(zhàn)。2.1.2整數(shù)階單相Boost型DC/DC變化器的控制方法研究進展近年來，開關(guān)型功率調(diào)節(jié)器已發(fā)展成輕型、高效的直流電源。在各種類型的DC/DC變換器中，PWM型DC/DC變換器結(jié)構(gòu)種類多，發(fā)展快，技術(shù)領(lǐng)先，便于實現(xiàn)，構(gòu)成了最大的一類。盡管以往對開關(guān)電源做了大量的研究工作，但是在DC/DC變換器的控制方面，只是最近幾年才有較集中的研究。這主要有兩方面的原因[11]：（1）長期以來缺少能方便地應(yīng)用于控制系統(tǒng)設(shè)計的大信號模型；（2）常規(guī)的線性系統(tǒng)控制方法對幵關(guān)變換器的控制無法取得滿意的效果，而系統(tǒng)要求的快速性又使得復雜的算法難以實現(xiàn)。然而隨著現(xiàn)代控制理論的發(fā)展和實現(xiàn)方法的改進，這方面的研究工作已經(jīng)取得了很大進展。狀態(tài)空間平均模型的提出較好地解決了PWM型DC/DC變換器的穩(wěn)態(tài)和動態(tài)低頻小信號的分析問題。80年代中期，PWM型DC/DC開關(guān)變換器的閉環(huán)控制取得了兩個重要的進步即電壓前饋控制和電流程控控制。很多控制理論研究者致力于發(fā)展更精確的非線性模型及其它高性能控制器，在DC/DC開關(guān)變換器的建模和控制方法的研究上有了長足的進步[12]。現(xiàn)在大都采用狀態(tài)反饋的方法，如基于雙線性大信號模型的狀態(tài)反饋控制器、帶非線性前饋的線性二次型調(diào)節(jié)器、帶參數(shù)辨識的自適應(yīng)狀態(tài)反饋控制器、變結(jié)構(gòu)控制、基于輸入輸出線性化的自適應(yīng)控制器等，都取得了不錯的控制效果。所有這一切都使DC/DC變換器的控制研究進入了一個親新的階段，下面將對這些DC/DC變換器的控制方法進行簡要的介紹。(1)雙線性理論雙線性理論屬于非線性理論范疇，對于DC/DC開關(guān)變換器這種強非線性對象來說，其雙線性模型的標準形式可以寫成以下形式：(1.1)式(1.1)中：為的行向量，而、則分別是變換器在導通和關(guān)斷期間模型的狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣。對于傳統(tǒng)的低頻小信號線性化模型的狀態(tài)方程為：(1.2)比較式(1.1)和式(1.2)可以看出，雙線性模型比低頻小信號線性化模型保留了一個非線性項，因此具有更大的適用范圍，但是這種控制方案同樣沒有考慮輸入擾動的影響，若考慮輸入擾動的影響，分析將變得十分復雜，因此，這種控制方案對DC/DC幵關(guān)變換器特性的改進效果也是不盡理想的。文獻[13]建立了DC/DC變換器的雙線性模型，并在此基礎(chǔ)上依照控制目的進行合適的變形，給出了通過構(gòu)造李亞普諾夫函數(shù)的方法得到控制律的一般步驟。文獻[14]給出了一種比較新穎的基于雙線性理論的Boost變換器的控制策略。該控制系統(tǒng)對負載擾動具有較強的抗擾能力，但是這種控制方案沒有考慮輸入電壓擾動的影響，若考慮輸入電壓擾動，分析將變得十分復雜。(2)自適應(yīng)控制傳統(tǒng)的非自適應(yīng)反饋控制律的設(shè)計依賴于電路的額定參數(shù)。但系統(tǒng)參數(shù)往往是不精確和變化的。如輸入電壓的非線性衰減以及波動干擾，電容電感寄存電阻的忽略，負載的不確定性容易造成控制器參數(shù)和實際參數(shù)不匹配，從而導致系統(tǒng)性能的惡化。而且，盡管PWM的開關(guān)頻率通常很高，但是實際上它對變換器的控制仍是不連續(xù)的，使用連續(xù)的占空比合成器代替實際離散的PWM控制器，系統(tǒng)的實際行為必然會受到有限開關(guān)頻率的限制，不會與預測的連續(xù)平均行為相同，而自適應(yīng)控制可以有效地克服上述兩類建模誤差。自適應(yīng)控制是按照“不確定性等價原理”，先按照理想情況設(shè)計，同時控制器參數(shù)通過設(shè)計參數(shù)更新律實現(xiàn)在線更新，因此能同時保證穩(wěn)定性和精確性的要求，對電路參數(shù)、輸入電壓和負載的擾動具有強抗干擾能力。自適應(yīng)控制一般不是單獨使用的，而是把自適應(yīng)控制方法與別的控制方法相結(jié)合，起到輔助的作用。與自適應(yīng)相結(jié)合的控制方法在DC/DC變換器控制中的應(yīng)用更為廣泛，文獻[15-17]中采用的是基于滑模的自適應(yīng)控制，文獻[18,19]是反步法與自適應(yīng)相結(jié)合，文獻[20,21]講述了自適應(yīng)前饋與反饋的變換器控制。上述文獻中都給出了空間平均模型的占空比合成器和參數(shù)更新律的表達式。該參數(shù)更新律可以實時更新所有模型參數(shù)，在線調(diào)節(jié)占空比合成器的參數(shù)。系統(tǒng)對電路參數(shù)、輸入電壓和負載的擾動具有很強抗干擾能力。但是由于DC/DC變換器的高開關(guān)頻率，實時性是這些控制方案實現(xiàn)的主要難點。(3)魯棒控制魯棒控制是處理外加干擾和不確定性模型的有力工具，其對控制對象的模型精度要求不高，且能有效地克服外界擾動。DC/DC開關(guān)變換器的線性化小信號模型是基于某一特定工作狀態(tài)的，其模型參數(shù)和結(jié)構(gòu)依賴于變換器的電路參數(shù)、輸入電壓、負載以及變換器工作方式。模型結(jié)構(gòu)的改變主要是因為變換器的連續(xù)和非連續(xù)兩種工作方式的存在。魯棒控制的基本思想是，通常情況下，可以直接將輸入和負載擾動看作是對非線性化小信號模型的擾動信號，從靈敏度最小化的角度出發(fā)，將控制的設(shè)計轉(zhuǎn)變?yōu)闃藴实腍∞控制問題[22]。仍然采用傳統(tǒng)的線性化小信號模型，工作狀態(tài)對模型參數(shù)和結(jié)構(gòu)的影響可以分別看作是模型的結(jié)構(gòu)不確定性和非結(jié)構(gòu)性不確定性[23]。1982年Doyle提出的結(jié)構(gòu)奇異值理論（又稱為理論）近年來受到重視。它是把系統(tǒng)的確定部分和攝動部分進行關(guān)聯(lián)重構(gòu)，以隔離所有攝動，轉(zhuǎn)而處理塊對角有界攝動問題，該方法將魯棒性能問題轉(zhuǎn)換為魯棒穩(wěn)定性問題，很好的補充了控制的不足。結(jié)構(gòu)奇異值理論也被應(yīng)用于DC/DC變換器的控制，來處理結(jié)構(gòu)不確定問題。與其它控制方案相比，其控制器形式簡單，可以由模擬控制器來實現(xiàn)。(4)滑模變結(jié)構(gòu)控制變結(jié)構(gòu)理論[24,25]，由前蘇聯(lián)學者歐曼爾楊諾夫(S.V.Emelyanov)，尤特金(V.I.utkin)于20世紀50年代提出，發(fā)展至今已成為控制理論的一個重要分支。變結(jié)構(gòu)控制適用于線性系統(tǒng)、非線性系統(tǒng)、離散系統(tǒng)和高階系統(tǒng)。變結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)對控制對象的模型誤差、對象參數(shù)的變化以及外部干擾有極佳的不敏感性，因此其魯棒性很好?；Ｗ兘Y(jié)構(gòu)控制[26]應(yīng)用于DC/DC變換器的基本思想就是利用DC/DC開關(guān)變換器在導通和關(guān)斷期間狀態(tài)各不相同，通過合理的選擇切換面，尋求一個控制集使系統(tǒng)在較短的時間內(nèi)到達切換面，并且在滿足漸近穩(wěn)定的同時，具有良好的動態(tài)品質(zhì)。通過合理的選擇切換面和控制集就可以獲得良好的靜動態(tài)特性，并對參數(shù)攝動及外界干擾具有強魯棒性，電路實現(xiàn)簡單。然而變結(jié)構(gòu)控制的主要缺點是開關(guān)頻率不固定，輸出紋波較大，對濾波器的設(shè)計要求較高，同時參數(shù)的選擇和設(shè)計有一定難度。目前國內(nèi)外學者及研究人員在該領(lǐng)域的研究工作主要在于解決以上缺陷，以便將滑模變結(jié)構(gòu)控制更好地應(yīng)用于DC/DC開關(guān)變換器中，使其達到更理想的控制效果[27]。(5)智能控制控制系統(tǒng)的傳統(tǒng)設(shè)計方法依賴于系統(tǒng)數(shù)學模型和參數(shù)的顯式描述。但對象模型常常是未知的或難以定義的，即使模型是已知的，而參數(shù)卻是不確定的或變化的。不同的自適應(yīng)理論，如自校正調(diào)節(jié)(STR)、模型參考自適應(yīng)(MRAC)、滑?？刂?SMC)都設(shè)法克服這一類問題。但由此所得到的控制器往往復雜且難以實現(xiàn)。人工智能(AI)，包括專家系統(tǒng)、模糊邏輯和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，為解決這類問題提供了新的、強有力的工具。近年來，模糊邏輯在DC/DC變換器的控制方面有了較多的實際應(yīng)用[28-30]。即用語言描述和規(guī)則的形式來直接表達操作人員、設(shè)計人員和研究人員的直覺和經(jīng)驗，在不需要建模的情況下直接控制系統(tǒng)。盡管模糊控制的優(yōu)點很突出，但仍然有一些不足，其主要的缺點是缺乏分析和設(shè)計控制系統(tǒng)的方法，且模糊規(guī)則庫的設(shè)計和實現(xiàn)相當困難，近年來出現(xiàn)的模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(FNN)技術(shù)結(jié)合了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和模糊控制的優(yōu)點，采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的學習功能來優(yōu)化規(guī)則庫的推導過程，從而彌補模糊控制的不足。(6)無源性控制無源性控制起源于網(wǎng)絡(luò)理論和其他的物理分支學科，現(xiàn)已成為控制系統(tǒng)設(shè)計的重要方法之一。該方法拋開被控對象繁瑣的結(jié)構(gòu)和物理概念，通過配置系統(tǒng)能量耗散方程中的無功力迫使系統(tǒng)總能量跟蹤預期的能量函數(shù)，并使得系統(tǒng)的狀態(tài)變量漸近收斂至參考值。利用無源性方法設(shè)計控制器時，不像反饋線性化方法那樣抵消所有的非線性因素，從而可以避免復雜的控制規(guī)律，設(shè)計過程簡單、易于實現(xiàn)，如今在非線性系統(tǒng)的穩(wěn)定性和控制系統(tǒng)的設(shè)計等方面都有廣泛的應(yīng)用。另外，無源性控制方法與其他非線性控制策略的結(jié)合應(yīng)用也得到了廣泛的研究和討論[31]，并在仿真實驗中取得到了良好的效果。在電力電子學的應(yīng)用方面[32,33]，無源性控制還在起步的階段，特別在工程實驗應(yīng)用方面尚需進一步研究和討論。(7)混雜控制混雜動態(tài)系統(tǒng)(HybridDynamicSystem)的概念是在1986年的《對于控制的挑戰(zhàn)一一集體的觀點》會議報告上第一次正式提出的。混雜系統(tǒng)是指由離散時間動態(tài)系統(tǒng)與連續(xù)時間動態(tài)系統(tǒng)相互混合，相互作用。切換系統(tǒng)就是一種典型的混雜系統(tǒng)，通常它是由切換規(guī)則和一系列子系統(tǒng)構(gòu)成。其中子系統(tǒng)可穩(wěn)可不穩(wěn)，切換規(guī)則可能是固定不變的，也可能是隨機的。因此，有關(guān)切換系統(tǒng)穩(wěn)定性問題是非常復雜的。在切換系統(tǒng)中：即使每個子系統(tǒng)都是不穩(wěn)定的，通過構(gòu)造切換規(guī)則，可以使整個系統(tǒng)穩(wěn)定；相反即使每個子系統(tǒng)都是穩(wěn)定的，若切換規(guī)則選取不當，整個系統(tǒng)也可能不穩(wěn)定。DC/DC變換器通過功率開關(guān)器件的開關(guān)操作使得該類系統(tǒng)中既含有連續(xù)變化的非線性動態(tài)過程，又含有離散變量，是一類典型的混雜系統(tǒng)，切換線性系統(tǒng)[34]。近年來，混雜系統(tǒng)尤其是切換系統(tǒng)理論發(fā)展的十分迅速，其概念、理論已引入到電力電子系統(tǒng)的研究中，文獻[35,36]介紹了一些關(guān)于切換控制在DC/DC變換器控制問題中的研究。2.2分數(shù)階單相Boost型DC/DC研究進展近些年，對實際電容和實際電感的數(shù)學建模研究的研究結(jié)果表明：實際電容和實際電感在本質(zhì)上均是分數(shù)階的，須建立相應(yīng)的分數(shù)階模型來描述實際電容和實際電感的電特性[37-42]，Jonscher[37]指出：整數(shù)階電容在實際中并不存在，這主要是由于構(gòu)成電容的電介質(zhì)材料展示出分數(shù)階特性，導致整數(shù)階電容的容抗形式違反了因果關(guān)系[38]。Westerlund等人于1994年通過實驗測定出在不同電介質(zhì)情況下分數(shù)階電容的階數(shù)[39]。此外，Westerlund指出實際電感在本質(zhì)上也是分數(shù)階的[40]。而Petras[41]采用分數(shù)階電容和分數(shù)階電感設(shè)計了分數(shù)階蔡氏電路，其電路實驗結(jié)果與仿真結(jié)果一致，從而進一步證實了實際電容和實際電感的分數(shù)階特性。特別值得一提的是，Jesus等通過選擇具有不同分形結(jié)構(gòu)的電極表面面積不同電解液制造出了具有0.59階0.42階等不同階數(shù)的分數(shù)階電容[42]。在開關(guān)變換器中，電感和電容是不可或缺的重要電路元件，它們除了承擔著電能的存儲和傳輸，還有著濾波的功能。一直以來，在認為實際電容和實際電感在本質(zhì)上是整數(shù)階事實的前提下，建立了開關(guān)功率成變換器的整數(shù)階數(shù)學模型，并在此基礎(chǔ)上采用離散建模法或狀態(tài)平均建模法分析開關(guān)功率變換器的動力學行為[43,44]。然而，實際電容和實際電感在本質(zhì)上是分數(shù)階的事實導致采用整數(shù)階模型描述開關(guān)功率變換器是不夠精確的，也是與開關(guān)功率變換器的分數(shù)階本質(zhì)相違背的。Ahmad[45]分析了分數(shù)階電容對功率因數(shù)校正變換器的影響。Martinez等人[46]對Buck-Boost變換器的分數(shù)階模型的建立進行了初步的研究，遺憾的是，文獻[45,46]都沒有考慮實際電感在本質(zhì)上也是分數(shù)階的。文獻[47,48]鑒于電感和電容本質(zhì)上都是分數(shù)階的事實,對工作在電感電流連續(xù)模式（continuousconductionmode,簡記為CCM）下和工作在電感電流斷續(xù)模式（discontinuousconductionmode,簡記為DCM）下的Boost變換器，建立了分數(shù)階數(shù)學模型和分數(shù)階狀態(tài)平均模型，并進行了相應(yīng)的分析。3三相Boost型AC/DC變換器研究進展3.1三相電壓型PWM整流器整流器經(jīng)歷了不可控整流、相控整流和PWM整流三個階段的發(fā)展，其中前兩種整流存在交流側(cè)輸入電流畸變嚴重、網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)較低等問題，而PWM整流器克服了這些缺點，它是一種高效、可靠、綠色的電能變換器，具有雙向的功率流動、低畸變率且正弦化的輸入電流、單位或可調(diào)的功率因數(shù)、可調(diào)的直流電壓等特點。因此PWM整流器得到了廣泛的應(yīng)用。根據(jù)直流側(cè)電源類型，PWM整流器可分為電壓源型整流器(VSR)、電流源型整流器(CSR)和Z源整流器(ZSR)。由于VSR的結(jié)構(gòu)簡單、儲能效率高、損耗較低、動態(tài)響應(yīng)快、控制方便。因此VSR一直是PWM整流器研究和應(yīng)用的重點。三相電壓型（VSR）PWM整流器[49]也是一種BoosT類型的變換器，它屬于AC/DC類型的變換器。在工作過程中，其輸出側(cè)直流電壓始終高于輸入側(cè)交流電壓的峰值，其拓撲結(jié)構(gòu)如3.1所示。圖3.1三相電壓型PWM整流器3.2三相電壓型PWM整流器建模研究進展PWM變換器及其控制策略研究是以PWM變換器的數(shù)學模型的建立為基礎(chǔ)的。1976年，美國加州理工大學的R.D.Middlebrook和SlobodanCuk提出了空間狀態(tài)平均法，這是電力電子學建模分析領(lǐng)域的一個重大突破。在此基礎(chǔ)上，PWM變換器在基于坐標變換的連續(xù)以及離散狀態(tài)下的動態(tài)數(shù)學模型被建立了出來，之后大量的學者及研究人員開始對PWM變換器從不同角度進行建模研究。ChunT.Rim等人將變壓器在低頻狀態(tài)下的等效電路模型通過部分電路的旋轉(zhuǎn)坐標方式應(yīng)用到了PWM變換器中，并且分析了穩(wěn)態(tài)和動態(tài)特性[50]。R.Wu等人將PWM變換器的時域模型系統(tǒng)化，進而高頻和低頻兩種模型被分解出來，時域模型中的對應(yīng)解也被求了出來[51]。之后，HengchunMao等人提出的小信號降階模型在很大程度上使PWM變換器的建模和特性分析得到了化簡[52]。3.3三相電壓型PWM整流器控制策略研究進展目前三相VSR通常都采取直流電壓、交流電流[53]或功率[54]雙級環(huán)路結(jié)構(gòu)控制方式，電壓外環(huán)控制直流側(cè)電壓，維持直流母線電壓的恒定，它的輸出作為交流電流或功率內(nèi)環(huán)的交流電流或功率指令，利用交流電流或功率內(nèi)環(huán)快速、及時地調(diào)整交流側(cè)的電流，抑制負載擾動影響，使實際交流電流能夠快速跟蹤交流電流指令，實現(xiàn)單位功率因數(shù)控制。在雙環(huán)控制中，電壓外環(huán)與電流或功率內(nèi)環(huán)在速度上必須進行配合，外環(huán)要比內(nèi)環(huán)慢得多。在三相電壓型PWN整流器的雙環(huán)控制方式中，電壓外環(huán)僅需直流電壓恒定，控制比較容易，一般采用PI算法即可，但電流內(nèi)環(huán)需要輸出穩(wěn)定高質(zhì)量的正弦波電流且與公共電網(wǎng)同壓、同頻、同相位，控制比較困難，因此提出的控制算法很多。按照電流內(nèi)環(huán)的控制方式不同，其控制方式可分為傳統(tǒng)的線性/非線性控制、現(xiàn)代的非線性控制和智能控制3大類。3.3.1傳統(tǒng)的線性/非線性控制方法在交流小信號分析時，整流器被視為一個線性系統(tǒng)，可用成熟的線性控制理論的方法研究；由于整流器本質(zhì)上是一個強非線性的動態(tài)系統(tǒng)，采用非線性控制技術(shù)才能使系統(tǒng)對參數(shù)變化和外來擾動具有魯棒性和適應(yīng)性。下面介紹幾種傳統(tǒng)的線性/非線性控制方法。(1)滯環(huán)電流控制[54]它是由ThomasAF.在1967年首次提出，并在電流內(nèi)環(huán)采用這種滯環(huán)電流控制方式。雙閉環(huán)系統(tǒng)將外環(huán)PI調(diào)節(jié)器的輸出分別乘以與相電壓同相位的正弦電壓，得到一個指令正弦電流，將它與實際檢測到的交流電流進行比較，兩者的偏差作為滯環(huán)比較器的輸入，通過滯環(huán)比較器產(chǎn)生控制主電路中開關(guān)通斷的PWM信號，該PWM信號經(jīng)驅(qū)動電路控制并網(wǎng)逆變器的相應(yīng)開關(guān)器件通斷，使實際電流追蹤指定的電流的變化。滯環(huán)電流比較器集電流控制與PWM產(chǎn)生于一體，它兼有電流控制器和PWM產(chǎn)生作用。其控制結(jié)構(gòu)簡單，容易實現(xiàn)，電壓利用率高，動態(tài)性能較好；當功率器件的開關(guān)頻率很高時，電流響應(yīng)快，可實時控制；不存在載波，輸出電壓中不含特定頻率的諧波分量；若滯環(huán)的環(huán)寬固定，電流跟蹤的誤差范圍是固定的；控制運算中未使用電路參數(shù)，對負載及電路參數(shù)變化不敏感，系統(tǒng)魯棒性好，應(yīng)用較廣；但開關(guān)頻率在一個工頻周期內(nèi)不固定，且隨著系統(tǒng)運行條件的變化而變化，不能有效地控制開關(guān)器件的最高開關(guān)頻率；諧波電流頻譜隨機分布，增加了濾波器設(shè)計困難；開關(guān)的損耗較大；對外界的電磁干擾也較大。因此，此法現(xiàn)己基本不采用。(2)三角載波比較法的控制[55]它是由WuRusong等在1990年提出，它采用由時鐘定時控制的比較器代替滯環(huán)比較器，它是將指令電流與實際輸出電流進行比較，兩者的電流偏差通過PI調(diào)節(jié)后再與一個固定頻率的三角載波比較，以產(chǎn)生PWM信號，因而實現(xiàn)固定的逆變器開關(guān)頻率。其開關(guān)頻率固定，很少產(chǎn)生噪聲，開關(guān)消耗也較少；控制算法簡便，物理意義清晰，實現(xiàn)方便；由于開關(guān)頻率固定，網(wǎng)側(cè)變壓器及濾波電感設(shè)計容易；并網(wǎng)電流的閉環(huán)控制，提高了電流控制性能，增強了系統(tǒng)魯棒性；隨著功率器件開關(guān)頻率的增加，控制性能得到改善；但必須存在電流偏差(相位延遲和幅值誤差)才能產(chǎn)生PWM波，這種相位偏差對高性能驅(qū)動系統(tǒng)是有害的；電流跟隨誤差較大，軟件實現(xiàn)較復雜；由于加入了PI調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)，電流動態(tài)響應(yīng)不如滯環(huán)比較法快。(3)靜態(tài)PID控制及其改進[56]PID控制是通過比例、積分、微分算法來實現(xiàn)對被控對象的控制。由于其算法簡單成熟、魯棒性和可靠性較高、控制效果良好，因此，已廣泛應(yīng)用于PWM整流器控制，在三相靜止abc坐標系下需要采用三個PID控制器。其控制策略的物理意義清晰，實現(xiàn)相對簡單；算法簡單明了，參數(shù)易于整定，設(shè)計過程不過分依賴系統(tǒng)參數(shù)，控制的適應(yīng)性好，魯棒性較強，可靠性高；但局限于線性定常系統(tǒng)，對于模型參數(shù)大范圍變化且非線性較強系統(tǒng)，PID控制難以滿足高精度、快響應(yīng)的控制要求；由于反饋電流為交流輸出電流的瞬時值，參考電流和輸出電流間存在相位誤差，對于交流正弦系統(tǒng)，PID調(diào)節(jié)不能夠?qū)崿F(xiàn)無靜差控制，因此輸出電流的穩(wěn)態(tài)誤差較大，不能及時跟蹤正弦波給定電流。引入電網(wǎng)電壓前饋控制可克服穩(wěn)態(tài)誤差問題，但也易引起電網(wǎng)的畸變。(4)同步矢量PID控制[57]為克服上面控制方法存在靜差的缺點，目前整流器的內(nèi)環(huán)一般都采用同步旋轉(zhuǎn)pq坐標系下PI控制。先將三相靜止坐標系的量轉(zhuǎn)換成為兩相旋轉(zhuǎn)坐標量，這樣可把對交流量的控制轉(zhuǎn)變成對直流量的控制，然后采用兩個PID運算，最后反變換轉(zhuǎn)換為各相的控制量。該控制可分為基于電壓定向(VOC)和基于虛擬磁鏈定向(VFOC)兩種控制策略，其中VOC具有直接電流控制的動態(tài)響應(yīng)快、穩(wěn)態(tài)性能好、自身有限流保護能力等優(yōu)點，還可以消除電流穩(wěn)態(tài)誤差，達到單位功率因數(shù)，因此應(yīng)用十分廣泛；VFOC雖然其算法復雜，但輸入側(cè)省去了電流傳感器，控制回路中省去了兩個電流調(diào)節(jié)器，簡化了電路結(jié)構(gòu)，優(yōu)化了系統(tǒng)性能，具有良好的動態(tài)性能和高的功率因數(shù)。其在同步旋轉(zhuǎn)坐標系下，交流電流分量變?yōu)橹绷鞣至浚瑢χ绷髁靠梢詫崿F(xiàn)無靜差控制，系統(tǒng)具有更好的穩(wěn)態(tài)性能；在旋轉(zhuǎn)坐標系下，更有利于有功電流和無功電流的獨立控制；但模型上相互耦合，對控制的靜、動態(tài)性能不利，為完全克服有功電流分量和無功電流分量之間交叉耦合電勢的作用，實現(xiàn)完全解耦控制，可采用內(nèi)模解耦控制方式；PI控制器的參數(shù)設(shè)計與選擇要經(jīng)過一系列的測試才能獲得性能較優(yōu)的參數(shù)。(5)比例諧振控制[58]PWM整流器內(nèi)環(huán)電流的矢量控制需要經(jīng)過多次坐標變換，且需要前饋解耦控制，因而系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復雜，實現(xiàn)困難。比例諧振控制(PRC)是1998年由SatoY.等提出，它可省去復雜的交直流變換，而是直接控制交流量，來達到消除穩(wěn)態(tài)誤差，使輸入電流跟蹤參考電流。PRC由比例調(diào)節(jié)器和諧振調(diào)節(jié)器組成，它在基頻處增益無窮大，而在非基頻處增益很小，因此，它可對頻率為基頻的正弦信號實現(xiàn)無靜差跟蹤控制。通過把基頻設(shè)置為電網(wǎng)電壓的基頻，即可對網(wǎng)側(cè)變換器電流進行PRC控制。其省去了兩次坐標變換環(huán)節(jié)，且不需要設(shè)置前饋解耦，從而加快了動態(tài)響應(yīng)過程，簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了靜止坐標系電流的無靜差控制；但控制器的設(shè)計不直接，需要經(jīng)過一系列的測試。(6)線性狀態(tài)反饋控制[59]它是以整流器的小信號線性化狀態(tài)空間模型為基礎(chǔ)，采用狀態(tài)反饋來任意地配置閉環(huán)系統(tǒng)極點或設(shè)計最優(yōu)二次型調(diào)節(jié)器，從而使整流器控制系統(tǒng)有良好的瞬態(tài)響應(yīng)和較低的諧波畸變率。一般將狀態(tài)反饋作為電流內(nèi)環(huán)、再加上電壓外環(huán)控制形成雙環(huán)控制方案，利用狀態(tài)反饋改善空載阻尼比小、動態(tài)特性差的不足，與外環(huán)共同實施對逆變器的波形校正。另外，也可不分開電壓、電流控制，而是對整個系統(tǒng)進行閉環(huán)極點配置或設(shè)計最優(yōu)二次型調(diào)節(jié)器。它需要事先離線算出各個靜態(tài)工作點的狀態(tài)空間模型及與之對應(yīng)的反饋矩陣，然后存入存儲器。工作時，還要檢測負載電流或等效負載電阻以確定當前的工作點，然后查表讀取相應(yīng)的反饋矩陣。其可任意配置閉環(huán)系統(tǒng)的極點位置，抑制了擾動影響和暫態(tài)振蕩，提高了動態(tài)響應(yīng)速度，改善了系統(tǒng)的動態(tài)品質(zhì)，對線性負載的響應(yīng)很好；但對系統(tǒng)模型依賴性強，而建立狀態(tài)模型時很難將負載特性完全考慮在內(nèi)，通常只能針對空載或特定負載進行建模，當模型參數(shù)和負載變化時控制效果變差，因此魯棒性差；對系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)指標的影響不大，不能抑制各種干擾引起的波形畸變；參數(shù)整定復雜，需要多次試湊極點以得到要求的動態(tài)性能；對交流電流進行無差跟蹤，要求控制器具有無限帶寬；要求對靜止工作點的劃分很細，占用存儲空間較大，離線計算量也比較大，實現(xiàn)復雜。(7)幾種預測控制目前PWM整流器幾乎都采用數(shù)字控制，由采樣和計算產(chǎn)生的延遲會影響系統(tǒng)穩(wěn)定，控制效果會下降。因此，采用預測電流、無差拍、單周、重復、模型預測等幾種預測控制技術(shù)對延遲進行補償，但這些方法未充分考慮到PWM整流器的非線性特性，本質(zhì)上仍為線性控制。1)預測電流控制[60]它是在固定的采樣周期內(nèi)，根據(jù)負載情況和給定的電流矢量變化率的電路模型，以本次采樣實際電流與下一采樣時刻的預測電流進行比較，推導出最優(yōu)控制電壓以及電壓空間矢量，作用于下一個周期并由此決定三相橋臂各功率器件的通斷，使實際電流在一個周期內(nèi)跟蹤參考電流，實現(xiàn)整流器快速的動態(tài)響應(yīng)性能。其數(shù)學推導嚴密，控制簡單，數(shù)字實現(xiàn)容易；跟蹤無過沖、電流諧波小，器件開關(guān)應(yīng)力小，動態(tài)性能好，特別是在高采樣頻率和開關(guān)頻率時，電流跟蹤能力強，電流波形畸變?。坏诘偷牟蓸宇l率下，會產(chǎn)生周期性的電流誤差，且電流誤差比滯環(huán)電流控制要大；對參數(shù)的變化敏感，魯棒性差；計算量較大，響應(yīng)速度較慢。2)無差拍控制[61]它是在1959年由Kalman提出，是一種基于電路方程的控制方式，它利用狀態(tài)反饋實現(xiàn)零點和極點的對消，并配置另一個極點于原點。20世紀80年代被應(yīng)用到逆變器上，它是根據(jù)逆變器的狀態(tài)方程和輸出反饋信號來推算出下一個開關(guān)周期的PWM脈沖寬度，從第2個采樣周期起，輸出波形就可以很好地跟蹤參考指令，使得由負載擾動引起的輸出電壓偏差可在一個采樣周期內(nèi)得到修正。其動態(tài)響應(yīng)速度快，輸出能夠很好地跟蹤給定，波形畸變率很小，即使在很低的開關(guān)頻率下，也能得到較好的輸出波形品質(zhì)；通過調(diào)節(jié)逆變橋的輸出相位來補償LC濾波器的相位延時，使輸出電壓的相位與負載關(guān)系不大；負載適應(yīng)能力強，對負載切換造成的過渡過程短，對非線性負載輸出諧波失真??；但要求脈寬必須當拍計算當拍輸出，運算的實時性要求很高，否則會影響系統(tǒng)特性；由于采樣和計算時間的延遲，輸出脈沖的占空比受到很大限制；對系統(tǒng)參數(shù)變化反應(yīng)靈敏，系統(tǒng)魯棒性差，通過加入負載電流觀察器可解決這個問題，但算法復雜，且當采樣頻率不高時誤差較大。3)單周控制[62]它是在1991年由K.M.Smedley提出的，它通過控制開關(guān)占空比，在每個周期內(nèi)強迫開關(guān)變量的平均值與控制參考量相等或成一定比例，從而在一個周期內(nèi)自動消除穩(wěn)態(tài)、瞬態(tài)誤差，使前一周期的誤差不會帶到下一周期。該技術(shù)同時具有調(diào)制和控制的雙重性，通過復位開關(guān)、積分器、比較器、觸發(fā)電路達到跟蹤指令信號的目的。其能在一個周期內(nèi)抵制電源側(cè)的擾動，消除靜態(tài)誤差和動態(tài)誤差，動態(tài)響應(yīng)快，能減小畸變和抑制電源干擾，對輸入擾動抑制能力強；無需檢測輸入電壓、鎖相環(huán)和其他同步電路，只需檢測輸入電流和輸出電壓，用模擬器件就可實現(xiàn)；電路簡單、成本低、可靠性高、實現(xiàn)容易、穩(wěn)定性好；開關(guān)頻率恒定，魯棒性強；但需要快速復位的積分電路，硬件電路較復雜；對開關(guān)誤差校正能力有限，存在穩(wěn)態(tài)誤差，精度欠佳；對負載擾動抑制能力差，負載動態(tài)響應(yīng)慢，若將輸入電壓誤差引入積分器，負載擾動抑制會有所改善，但負載擾動信號是基于輸出電壓誤差，不能實現(xiàn)最優(yōu)動態(tài)響應(yīng)。4)重復控制[63]它是由InousT.在1981年提出，是一種基于內(nèi)模原理的控制方法，它利用內(nèi)模原理,在穩(wěn)定的閉環(huán)系統(tǒng)內(nèi)設(shè)置一個可以產(chǎn)生與參考輸入同周期的內(nèi)部模型，從而使系統(tǒng)實現(xiàn)對外部周期性的正弦參考信號的漸近跟蹤，并消除重復出現(xiàn)的畸變。為了增強系統(tǒng)的穩(wěn)定性，在理想重復控制器中加入一些濾波器。其可克服死區(qū)、非線性負載等周期性干擾引起的輸出波形周期性畸變；可以消除周期性干擾產(chǎn)生的穩(wěn)態(tài)誤差，獲得低THD的穩(wěn)態(tài)輸出波形；控制魯棒性強，且數(shù)字實現(xiàn)容易；但由于延遲因子的存在，在干擾出現(xiàn)的一個基波周期內(nèi)，系統(tǒng)對干擾不產(chǎn)生任何調(diào)節(jié)作用，控制的實時性差，動態(tài)響應(yīng)速度慢，可采用與PI等復合控制來解決此問題。5)模型預測控制[64]預測控制是由RichaletJ.等在1978年提出，具有多步測試、滾動優(yōu)化和反饋校正三個基本特征，它不是采用不變的全局優(yōu)化目標，而是采用滾動式的有限時域優(yōu)化策略，使得在控制的全程中實現(xiàn)動態(tài)優(yōu)化，而在控制的每步實現(xiàn)靜態(tài)參數(shù)優(yōu)化，及時彌補了模型失配、時變、干擾等引起的不確定性，使控制保持實際上的最優(yōu)。它主要包括模型算法控制(MAC)、動態(tài)矩陣控制(DMC)、廣義預測控制(GPC)、預測函數(shù)控制(PFC)等多種算法，其中MAC采用基于脈沖響應(yīng)的非參數(shù)模型作為內(nèi)部模型，它已用于PWM整流器控制中，根據(jù)網(wǎng)側(cè)電流和整流器輸入側(cè)電流間傳遞函數(shù)得出整流器的一階差分方程作為預測模型，實現(xiàn)了網(wǎng)側(cè)電流的模型預測控制。此法常與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊、自適應(yīng)、魯棒等其他控制方法相結(jié)合。其預測和優(yōu)化模式是對最優(yōu)控制的修正，建模方便；采用非最小化描述的離散卷積和模型，信息冗余量大，提高了魯棒性；采用滾動優(yōu)化策略，使模型失配、畸變、干擾等引起的不確定性及時得到彌補，提高了抗擾性和適應(yīng)性；對模型精度要求不高，跟蹤性能良好，更適于復雜工業(yè)過程控制；但控制設(shè)計較復雜，當控制量有約束時變成了非線性約束優(yōu)化問題，系統(tǒng)設(shè)計和控制算法更為復雜；在線計算時間長，計算量大；理論分析難以深入，對多變量預測控制算法的穩(wěn)定性、魯棒性的研究亟待解決；對于線性系統(tǒng)可以解析求解，在線計算相當簡便，而對于非線性系統(tǒng)則往往需要在線的數(shù)值迭代求解，計算量很大，無法滿足實時控制的要求。3.3.2現(xiàn)代的非線性控制方法由于PWM整流器屬于非線性控制系統(tǒng)，基于小信號模型用線性控制方法難以獲得非常滿意的控制效果。為提高整流器的性能，現(xiàn)代的非線性控制理論已應(yīng)用到整流器控制中，但是目前還很不成熟。(1)自適應(yīng)控制[65]它主要用來解決整流器在運行過程中參數(shù)攝動和各種擾動引起的不確定性問題，是在1954年由TsienHS.提出的，它所依據(jù)的關(guān)于模型和擾動的先驗知識較少，通過不斷檢測系統(tǒng)參數(shù)或運行指標，在線辨識系統(tǒng)模型，自動調(diào)整控制參數(shù)或控制策略，補償過程特性或環(huán)境的變化，實現(xiàn)高精度控制。它又分為線性與非線性兩類，目前已比較成熟的線性自適應(yīng)控制主要有模型參考自適應(yīng)控制(MRAC)和自校正控制(STAC)兩種，現(xiàn)主要研究模糊、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、魯棒等非線性自適應(yīng)控制。其通過在線修正自己的特性以適應(yīng)對象的變化，能夠有效地解決模型不精確和模型變化所帶來的魯棒性問題；但數(shù)學模型的建立和運算比較復雜，控制系統(tǒng)不易實現(xiàn)；進行辨識和校正需要一定時間，主要適于漸變和實時性不高的過程；處理非線性系統(tǒng)及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)變化的能力較差，在多輸出系統(tǒng)中的應(yīng)用尚不成熟等。為克服不足，目前此法一般常與其他方法結(jié)合形成了多種新方法。(2)魯棒控制[66]它是解決PWM變換器不確定性系統(tǒng)控制的有效方法，是把系統(tǒng)的不確定性視為某種擾動集合，然后對擾動集合給予適當?shù)臄?shù)學描述并作為約束條件，并和原有系統(tǒng)約束條件一起形成優(yōu)化問題進行求解，得到優(yōu)化的控制規(guī)律，這樣在預定的參數(shù)和結(jié)構(gòu)擾動下仍然能保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可控性。它包括H∞控制、L2增益控制、μ分析控制等幾類方法，其中H∞控制是ZamesG.1981年提出，它以擾動輸入至評價信號的傳遞函數(shù)矩陣的H∞范數(shù)作為性能指標，由H∞范數(shù)最小來設(shè)計出反饋控制器，使閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定，且干擾對系統(tǒng)的影響最??；L2增益控制是SchaftAJ.等1992年提出，它把干擾對系統(tǒng)的影響用干擾量與評價信號間的L2增益來描述，如果控制系統(tǒng)的L2增益滿足指定的要求，就可抑制干擾；μ分析方法是DoyleJC.1982年提出，它將一個具有回路多點獨立的有界范數(shù)攝動化為一塊對角攝動結(jié)構(gòu)，然后給出判斷系統(tǒng)魯棒穩(wěn)定的充要條件。魯棒控制常與自適應(yīng)、內(nèi)模、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等其他控制結(jié)合，以改進其性能。其對于外界干擾、參數(shù)偏差、模型不確定性以及系統(tǒng)噪聲有良好的穩(wěn)定性；μ綜合理論可減少時域仿真法的計算復雜度，降低一般H∞分析方法的保守性，還能保證計算精度；但權(quán)函數(shù)選取困難，依賴于設(shè)計者的經(jīng)驗；仍屬模型的設(shè)計方法，需依參數(shù)不同及所選加權(quán)不同而重新設(shè)計控制器；只能在允許的不確定性界內(nèi)保證系統(tǒng)的魯棒穩(wěn)定性；只能處理非結(jié)構(gòu)性不確定問題，對結(jié)構(gòu)性不確定性問題有局限性；只能優(yōu)化單一的H∞范數(shù)，不能與其他目標函數(shù)綜合起來；控制器階次較高，算法復雜，難以實際應(yīng)用；μ真實值很難計算，通常只能對μ的上界進行估算，而要對具體系統(tǒng)設(shè)計控制器則更加困難；L2增益控制需要求解HJI微分不等式方程，但一般求HJI不等式的解析解比較困難，特別是對于高階系統(tǒng)，尚且沒有求解HJI的一般理論。(3)變結(jié)構(gòu)控制[67]由于整流器的開關(guān)切換動作與變結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的運動點沿切換面高頻切換動作上有對應(yīng)關(guān)系，變結(jié)構(gòu)控制被引入到整流器控制上，以解決整流器的時變參數(shù)問題。變結(jié)構(gòu)控制是由UtkniV.等1962年提出，它是根據(jù)被調(diào)量的偏差及其導數(shù)，控制規(guī)律迫使處于任何初始條件下的系統(tǒng)狀態(tài)按一定的趨近率到達并保留在預先設(shè)計好的超平面上（超平面是在狀態(tài)空間中定義的非連續(xù)函數(shù)），在超平面上系統(tǒng)的動態(tài)成為滑動模態(tài)。為達到更好的控制效果，它與自適應(yīng)、預測、無源性、反饋線性化、模糊、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等控制相結(jié)合。其幾乎不依賴于模型，對參數(shù)變化和外部擾動不敏感，魯棒性好，抗干擾能力強；不需要在線辨識，控制規(guī)律實現(xiàn)容易；對系統(tǒng)模型精度要求不高，控制規(guī)律簡單，實現(xiàn)容易，可協(xié)調(diào)動、靜態(tài)間矛盾；可有效降低系統(tǒng)的階數(shù)、簡化控制；理論上可應(yīng)用到各類非線性系統(tǒng)；但開關(guān)頻率不固定，輸出紋波較大，對濾波器設(shè)計要求較高；頻繁高速的開關(guān)切換會帶來高頻抖動，甚至導致不穩(wěn)，需用飽和切換函數(shù)替換理想的切換函數(shù)來解決；需要知道系統(tǒng)不確定性參數(shù)和擾動的上、下界的準確度，滑動模態(tài)的到達條件比較嚴格，影響系統(tǒng)魯棒性；理想滑模切換面難以選取，選擇各子控制器的參數(shù)比較困難，采樣頻率要求足夠高。(4)反饋線性化控制[68]它是由BrockettRW.在1976年提出且基于微分幾何的線性化解耦控制方法。它是以微分幾何為數(shù)學工具，通過適當?shù)姆蔷€性狀態(tài)和反饋變換，可實現(xiàn)狀態(tài)或輸入/輸出的精確線性化，從而將復雜非線性系統(tǒng)綜合問題轉(zhuǎn)化為線性系統(tǒng)的綜合問題，然后應(yīng)用各種成熟的線性控制方法設(shè)計控制器。由于PWM整流器內(nèi)環(huán)電流系統(tǒng)具備仿射非線性系統(tǒng)的形式，符合反饋線性化條件，存在解耦矩陣，可實現(xiàn)反饋線性化控制。其實現(xiàn)了電流、電壓有功和無功分量的完全解耦，加速了直流電壓響應(yīng)，直流電壓跟蹤負載變化快，電流波動??；可減少直流電容器的容量，可減少設(shè)備的成本及體積；這種線性化是完全精確的，且對有定義的整個區(qū)域都適用；解決控制系統(tǒng)內(nèi)部參數(shù)攝動和外部參數(shù)擾動的影響，系統(tǒng)魯棒性強；但無法直接限制有功電流，且非線性控制器設(shè)計相當復雜；解耦矩陣、反饋控制律復雜，導致運算復雜，需要高速DSP；解耦矩陣可能存在奇異性，這可通過給導致奇異點的量預置數(shù)來解決；當系統(tǒng)不確定擾動的相對階低于未加擾動系統(tǒng)的相對階時，系統(tǒng)的零動態(tài)由于擾動可能變得不穩(wěn)定，可在基于輸入輸出線性化的基礎(chǔ)上加上變結(jié)構(gòu)控制，提高系統(tǒng)的抗干擾能力。(5)逆系統(tǒng)控制[69]它是由WidrowB.在1986年提出，它先用給定對象的模型生成一種可用反饋方法實現(xiàn)的原系統(tǒng)的階積分逆模型，將之串聯(lián)在被控對象的前面，原對象被補償為具有線性傳遞關(guān)系且已解耦的偽線性規(guī)范化系統(tǒng)，再用線性系統(tǒng)理論來完成偽線性系統(tǒng)的控制。此法已用于三相PWM整流器控制，利用整流器數(shù)學模型，以直流輸出電壓、有功和無功電流作為狀態(tài)反饋變量，推導出整流器的逆系統(tǒng)，構(gòu)造出偽線性閉環(huán)控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了無功電流分量和直流電壓的解耦控制。其避免了微分幾何的復雜繁瑣理論束縛；不局限于仿射非線性系統(tǒng)，使用范圍廣；數(shù)學推導簡單,物理概念清晰，容易理解和應(yīng)用，適合于工程應(yīng)用；但要求系統(tǒng)的模型精確已知，需要求出逆系統(tǒng)的解析表達式，且須滿足系統(tǒng)可逆性條件，因而應(yīng)用受到很大限制。由于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)不依賴于模型，常將其與其他結(jié)合使用；控制精度依賴于逆模型的精度，自適應(yīng)性和魯棒性差。為解決自適應(yīng)性差問題，它常與自適應(yīng)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、支持向量機等相結(jié)合，對參數(shù)和模型在線辨識或校正，可取得更好的控制效果。(6)基于存儲函數(shù)的控制方法1)基于Lyapunov穩(wěn)定性理論的控制[70]它是在1892年Lyapunov提出的穩(wěn)定性判據(jù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，它先對系統(tǒng)構(gòu)造一個“類似能量”的純量函數(shù)，然后在保證該函數(shù)對時間的變化為負的前提下來設(shè)計控制器。為解決大范圍、大干擾的控制問題，此法在1998年被HasanK.等引入到三相PWM整流器控制中，它以電感、電容儲能的定量關(guān)系建立了Lyapunov函數(shù)，并通過整流器的數(shù)學模型和相應(yīng)的空間矢量PWM約束條件，推導出控制算法。其理論嚴格、物理意義清晰；方法簡單、實現(xiàn)容易、響應(yīng)速度快；解決整流器的大范圍穩(wěn)定控制問題，對大信號擾動具有很強的魯棒性；在負載電流躍變時，直流電壓的響應(yīng)快且動態(tài)壓降小，交流電流的響應(yīng)也很快且能很快與電源電壓同步；但必須構(gòu)造一個合適的Lyapunov能量函數(shù)，能量函數(shù)不具有唯一性，找出最佳能量函數(shù)很困難；能量函數(shù)向系統(tǒng)期望點收斂速度不可控，導致動態(tài)性能不理想。2)基于EL模型的無源控制[71]無源控制(PBC)是一種非線性反饋的能量控制方法，1995年由OrtegaR.等提出并用于PWM整流器控制中。無源性系統(tǒng)的能量由初始時刻到目前時刻的增長量不大于外部注入的能量總和，也即無源系統(tǒng)的運動問題伴隨著能量的損失。PBC利用輸出反饋使得閉環(huán)系統(tǒng)特性表現(xiàn)為一無源映射，它采用歐拉-拉格朗日(EL)數(shù)學模型，通過能量整形和阻尼注入(ESDI)，注入合適的阻尼項，配置系統(tǒng)能量耗散特性方程中的無功分量“無功力”，迫使系統(tǒng)總能量跟蹤預期的能量函數(shù)，使閉環(huán)控制系統(tǒng)是無源的，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性，使得被控對象的輸出漸近收斂到期望值。其由于系統(tǒng)本身已提供Lyapunov函數(shù)，設(shè)計過程中省去了尋找該函數(shù)，簡化了控制器的設(shè)計；輸出電流波形正弦化，畸變率低，對系統(tǒng)參數(shù)變化及外來攝動有較強魯棒性；系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，物理意義明確、成本低、易于實現(xiàn)；系統(tǒng)反饋不需要觀測器，直接利用輸出反饋；具有全局穩(wěn)定性，無奇異點；可應(yīng)用于EL方程描述的控制系統(tǒng)，且EL模型中有反對稱矩陣，簡化了無源控制律，增強了控制的實時性；但在構(gòu)造存儲函數(shù)時，系統(tǒng)的Lagrange結(jié)構(gòu)常會被打破，系統(tǒng)的穩(wěn)定性得不到保證；Lyapunov函數(shù)的構(gòu)造無規(guī)律可循；當負載變化、電源不平衡時直流電壓穩(wěn)態(tài)誤差較大，系統(tǒng)響應(yīng)不快。3)基于PCHD模型的無源控制[72]它是由OrtegaR.等在1999年提出并應(yīng)用于PWM整流器控制中，解決了PBC方法的Lagrange結(jié)構(gòu)常被破壞而導致系統(tǒng)穩(wěn)定性得不到保證的問題。它采用端口受控哈密頓函數(shù)模型(PCH)表示系統(tǒng)，將能量耗散的概念引入PCH系統(tǒng)中，這樣原來的系統(tǒng)變?yōu)槎丝谑芸氐暮纳⒐茴D系統(tǒng)(PCHD)，再利用哈密頓系統(tǒng)的反饋鎮(zhèn)定原理來尋找反饋控制，利用互聯(lián)和阻尼配置的無源性控制(IDA-PBC)能量成形方法來進行控制器的設(shè)計。其統(tǒng)對負載的變化和外界擾動具有很強的魯棒性和抑制能力，很好地解決了系統(tǒng)的反饋鎮(zhèn)定問題；根據(jù)能量平衡關(guān)系，選擇期望的閉環(huán)哈密頓函數(shù)，偏微分方程可轉(zhuǎn)成普通的微分方程，求解容易、計算量小、便于實現(xiàn)；由于PCHD模型中有反對稱矩陣，簡化了無源控制律，增強了系統(tǒng)控制的實時性；如將積分控制引入PCHD控制系統(tǒng)，還可消除噪聲、建模誤差等引起的輸出穩(wěn)態(tài)誤差；但求取的期望哈密頓函數(shù)、互聯(lián)和阻尼矩陣以及控制器，都缺乏必要的物理意義，計算復雜并且難以實現(xiàn)；直接求解偏微分方程難度大，計算量大，實現(xiàn)困難。(7)反步法控制[73]它是由Kokotovic等在1991年提出的，以Lyapunov能量函數(shù)的收斂性為目標，將原來的復雜的非線性系統(tǒng)分解為若干個子系統(tǒng)，引入虛擬控制量進行靜態(tài)補償，采用由前往后遞推的設(shè)計方法，通過設(shè)計后面子系統(tǒng)的虛擬控制來保證前面子系統(tǒng)達到鎮(zhèn)定。當系統(tǒng)存在不確定性時，加入自適應(yīng)功能，采用自適應(yīng)反步控制方法。此法已應(yīng)用于PWM整流器的控制中，首先系統(tǒng)模型被分解為dq坐標系下的兩個單變量模型，再對各單變量系統(tǒng)采用反步法設(shè)計控制器，從而實現(xiàn)對兩變量的穩(wěn)定控制。其能夠維持系統(tǒng)的全局一致漸近穩(wěn)定，保證系統(tǒng)跟蹤誤差漸近收斂；設(shè)計過程簡明；對參數(shù)不確定性及外界干擾有魯棒性；基本解決了Lyapunov函數(shù)的構(gòu)造性問題，給出了反向設(shè)計尋求Lyapunov函數(shù)的方法；不要求非線性系統(tǒng)滿足匹配條件，增廣匹配條件或者非線性增長性約束條件；但參數(shù)變化需滿足線性參數(shù)化條件；依賴于對象的數(shù)學模型；需要計算回歸函數(shù)，計算量成指數(shù)險增長，實現(xiàn)難度較大；自適應(yīng)反步法要求系統(tǒng)的不確定性必須轉(zhuǎn)化為線性參數(shù)未知的不確定性，且在確定和計算回歸矩陣時比較煩瑣；僅適于可狀態(tài)線性化或具有嚴格參數(shù)反饋的不確定非線性系統(tǒng)。(8)自抗擾控制[74]自抗擾控制(ADRC)是1997年由韓京清提出，它用配置非線性結(jié)構(gòu)替代極點配置進行控制系統(tǒng)的設(shè)計，依靠期望軌跡與實際軌跡的誤差來實施非線性反饋控制，可改善PID控制器在強干擾及非線性系統(tǒng)中的控制效果。它由跟蹤微分器、擴張狀態(tài)觀測器和非線性狀態(tài)誤差反饋控制律三部分組成，它們作用分別為安排過渡過程和提取微分信號、估計擾動和形成控制量。它把系統(tǒng)的模型攝動作用當作內(nèi)擾，將其和系統(tǒng)的外擾一起作為系統(tǒng)總的擾動加以補償，從而將具有非線性、不確定對象的控制系統(tǒng)補償為確定的、簡化的積分串聯(lián)型線性系統(tǒng)，在此基礎(chǔ)上再設(shè)計控制器。它常與模型配置、無源、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等控制相結(jié)合，實現(xiàn)優(yōu)勢互補，獲得更好的性能。其實現(xiàn)了系統(tǒng)的非線性項和參數(shù)攝動、電源擾動等干擾的觀測與補償，具有良好的魯棒性和適應(yīng)性；安排過渡過程解決快速和超調(diào)間的矛盾，不用積分反饋也能實現(xiàn)無靜差，避免積分反饋的副作用；統(tǒng)一處理確定系統(tǒng)和不確定系統(tǒng)的控制問題；不含有高深的數(shù)學知識，不需復雜推導，控制規(guī)律簡單，實時性好，工程應(yīng)用方便；但當對象模型階數(shù)大于3時，難以選取滿意的非線性函數(shù)及相應(yīng)的參數(shù)；運算較復雜，計算量大，實時性變差；涉及較多的參數(shù)選取問題，它們的取值會影響控制性能。3.3.3智能控制上述線性或非線性控制策略都是依據(jù)系統(tǒng)的數(shù)學模型，而建立考慮各種因素的PWM整流器的精確數(shù)學模型是不可能的。智能控制策略不需要建立嚴格的PWM整流器的數(shù)學模型，它僅需建立非機理模型，能實時地保證整流器電流波形為理想波形，達到單位功率因數(shù)要求。智能控制包括模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制及其模糊神經(jīng)控制等多種方法。(1)模糊控制[75]它是由ZadehLA在1973年提出，是基于模糊推理，模仿人的思維模式，對難以建立精確數(shù)學模型的對象實施的一種控制，它包括精確量的模糊化、模糊推理、清晰化三部分。消除早期模糊控制存在的靜差，出現(xiàn)了帶積分模糊控制器等。由于它的精度及自適性較差，常把它與PID、自適應(yīng)、變結(jié)構(gòu)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等其他控制相結(jié)合，以取得更優(yōu)性能。此法已應(yīng)用到PWM整流器控制中，能夠加快系統(tǒng)響應(yīng)速度，增加在系統(tǒng)參數(shù)攝動下的穩(wěn)定性。其不依賴被控對象的精確模型，具有較強的魯棒性和自適應(yīng)性，能夠克服模型參數(shù)變化和非線性等不確定因素；算法簡單，響應(yīng)速度快，實現(xiàn)容易；能在準確性和簡潔性之間取得平衡，可有效地對復雜系統(tǒng)做出判斷和處理；但缺乏分析和設(shè)計控制系統(tǒng)的系統(tǒng)方法，只能用經(jīng)驗和反復的試探來設(shè)計控制器，非常耗時低效；不能保證規(guī)則庫的完整性，且自適應(yīng)能力有限；常規(guī)模糊控制只相當于PD控制器，控制精度不高，穩(wěn)態(tài)精度低，甚至可能振蕩。(2)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制[76]神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是由MccullochWS.等在1943年提出，1992年開始被應(yīng)用于控制領(lǐng)域。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制專注于模仿人的大腦神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對信息的處理能力，它將函數(shù)的映射關(guān)系隱含、分布在網(wǎng)絡(luò)連接權(quán)和節(jié)點的函數(shù)中，利用輸入輸出數(shù)據(jù)作為學習樣本，調(diào)節(jié)各層的連接權(quán)值，使輸入、輸出的對應(yīng)關(guān)系可以任意逼近一給定的非線性動態(tài)系統(tǒng)。此法常與自適應(yīng)、PID、模糊等結(jié)合使用，以取得更好性能。PWM控制系統(tǒng)中電流控制本身是一種很強的非線性控制，它可離線訓練了一個神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器代替滯環(huán)控制器，此法適應(yīng)電流波形變化的能力強，且保持了滯環(huán)控制魯棒性好、電流響應(yīng)快的優(yōu)點，同時可以限制器件的最高開關(guān)頻率。其具有并行處理、自組織學習、非線性映射、魯棒性及容錯性等能力；只需通過一定的I/O樣本來訓練，可逼近任意對象的動態(tài)特性；不需復雜控制結(jié)構(gòu)，也不需要對象模型，可用于復雜的控制對象；但物理意義不明確；網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、隱層數(shù)及各層神經(jīng)元數(shù)的選取缺乏理論支持；計算復雜，計算量大；對訓練集的要求高、訓練時間長；穩(wěn)定性分析較困難，收斂性不能保證，可能陷入局部最優(yōu)，甚至發(fā)散；優(yōu)化目標是基于經(jīng)驗風險最小化，泛化性能不強；硬件實現(xiàn)技術(shù)沒有突破，目前不能實現(xiàn)在線控制，還是采用離線學習，實時性較差，不能真正實際應(yīng)用。(3)模糊神經(jīng)控制[77]智能控制方法各有其優(yōu)勢及局限，將它們集成融合在一起已成為設(shè)計更高智能的控制系統(tǒng)方案，其中模糊神經(jīng)控制是模糊控制與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制的結(jié)合體，它是最常用的結(jié)合形式之一。模糊控制適合于表達和處理模糊的定性知識，但穩(wěn)態(tài)精度低、自適應(yīng)能力差；神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有并行計算、分布式儲存、容錯及自學習能力強等特點，但不適于表達基于邏輯規(guī)則的知識，學習時間長、參數(shù)物理意義不明顯。為了進一步提高PWM整流器的性能，可將模糊控制和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制結(jié)合起來，利用模糊邏輯的智能推理機制和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的自學習能力，將能組成更好的控制方案。其兩者結(jié)合優(yōu)勢互補，兼有兩者之長；采用模糊計算，計算簡便，加快了處理速度；增強了信息處理手段，使信息處理方法更加靈活；網(wǎng)絡(luò)中采用模糊化規(guī)則，增強了系統(tǒng)的容錯性；可同時處理確知和非確知信息，擴大了信息處理能力；但模糊規(guī)則的選取無通用辦法；模糊化層和模糊推理層節(jié)點個數(shù)的選取、模糊合成和推理算法的選取以及反模糊化的計算方法等無理論指導；存在模型復雜性與模型泛化能力間的矛盾。

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