摘 要:分析了全桥型逆变器的滑模控制方案,包括:建立系统的变结构模型、选择滑模切换面和确定控制律、给出可到达条件及滑模存在区域等。着重讨论了滑模控制器设计中切换面系数和切换频率的选择原则,并在此基础上利用Matlab进行了仿真研究。仿真结果表明,该滑模控制全桥型逆变器的输出电压能够快速跟踪参考信号,并且表现出了较强的鲁棒性以及良好的动态特性。
关键词:逆变器;滑模变结构控制;鲁棒性;Matlab仿真
逆变器在工作过程中受开关量γ的控制,在两个不同子拓扑之间来回切换,使得系统结构在两个拓扑间不断变化,具有变结构的特性。因此,利用滑模变结构控制理论对这类系统进行分析和设计具有重要意义。滑模变结构控制(SMVSC)是20世纪50年代发展起来的一种系统控制综合方法[1-4],它与常规控制方法的根本区别在于控制的不连续性,即系统结构随时间变化的开关特性。因此,利用滑模变结构控制理论对DC-AC变换器进行分析和设计,将使它具有强鲁棒性[5-8]。
在变结构控制设计中,合理选择切换面函数十分重要,这将直接影响滑模运动的动态性能。为此,本研究以全桥逆变器为研究对象,给出详细的系统变结构模型的推导过程,着重分析切换面函数和控制律的确定,并推导出切换面上形象化的滑模存在区域。同时对设计中所存在的一些关键问题进行详细分析和讨论,包括开关切换面参数和切换频率的选择原则。滑模变结构系统的动态响应分为2个阶段:①趋近运动阶段:从初始状态于有限时间内到达切换面的运动,即系统轨线向着s=0运动;②滑动模阶段:系统轨线沿着s=0滑动。系统只有在滑动模阶段才具有强鲁棒性,因此在设计控制律时希望趋近运动阶段尽可能短。
滑模变结构控制器的设计包括2个部分:①选择切换面函数s,使它所确定的滑动模态渐近稳定且有良好的品质;②设计控制律γ,使切换面上布满止点,形成滑动模态区。
滑模面的逆变器输出电压的动态过程由切换面系数的比值λ和状态轨迹到达切换面时的初始状态μ共同决定,与系统的其他参数无关,这体现了系统在滑模态时对外部扰动和内部参数变化的鲁棒性。
切换面系数不仅决定着滑动模的稳定性,而且影响着切换面上滑动模态区的大小,乃至原点是否全局稳定性的问题。因此,切换面系数的选择是设计滑模变结构控制器的关键。
理想的滑模控制要求在切换面两侧以无限高的频率切换系统结构,使系统轨迹保持在切换面上滑动从而实现滑模态。但是在实际工程中,由于器件的开关频率及逆变器效率等方面因素的制约,无限高的开关切换频率是不可能达到的。实际的滑模运动并不是产生在设计的切换面上,而是在其两侧的附近区域内产生一种高频振动,这就是滑模变结构控制系统的抖振问题。抖振不仅影响控制的精确性,增加能量消耗,而且系统中的高频未建模动态很容易被激发起来,破坏系统的性能,甚至会使系统产生振荡或失稳,损坏控制器控件。因此,抖振问题已成为滑模变结构控制深入应用的主要障碍。然而对于一个实际的变结构系统而言,抖振是一定存在的。所以只需尽量削弱抖振的幅度以满足实际应用的要求即可。
本研究主要介绍了全桥逆变器的滑模控制器设计及仿真。由仿真结果可知,滑模控制时逆变器的输出电压具有快速良好的跟踪特性,动态特性好,将滑模控制应用于全桥型逆变器中是一种切实可行的控制方案。但滑模控制作为一种较新的控制方法还存在切换频率不固定、高频开关切换时可能会出现抖振现象,以及全状态反馈增加了控制器的成本等问题,这些都有待进一步的研究。
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