（检测技术与自动化装置专业论文）基于滑模变结构控制感应加热电源的研究.pdf

摘要 基于滑模变结构控制感应加热电源的研究 导师姓名： 职称： 答辩日期： 摘要 签名： 签名： 本文基于滑模变结构控制方法对串联型感应加热电源的负载电流进行控制简要叙述了用于 感应加热系统的各种控制方法的优势和缺陷，采用滑模变结构控制方法对负载电流进行控制通 过分析感应加热电源的串联谐振负载电路，建立离散数学模型，确定积分滑模切换函数和控制律： 采用t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 数字信号处理器( d s p ) 。实现控制过程；负载电流经霍尔传感器、a d 转 换后送入d s p 进行滑模变结构控制运算，输出占空比可编程的p w m 波，通过i g b t 驱动电路控 制功率器件，实现谐振负载的电流调节；本文还分析了基于频率跟踪锁相数字控制的设计方案。 研究表明，将d s p 用于感应加热电源滑模变结构控制系统实现全数字控制是可行的；本文设定的 积分滑模切换面和控制律，既保持了系统的鲁棒性又消弱了“抖振”。实验结果证明，滑模变结构 控制对系统摄动和干扰具有不变性，系统工作可靠并具有良好的动态特性和较强的鲁棒性。 关键词：感应加热，串联谐振，d s p ，滑模变结构控制 一芈 享 ； 。 苎茎墨三垄! 翌圭! 竺丝墨 r e s e a r c ho ni n d u c t i o nh e a t i n gp o w e r s u p p l y b a s e do ns l i d i n gm o d ev a r i a b l es t r u c t u r ec o n t r o l s u p e r v i s o r sn a m e ： s t u d e n t sn a m e ： a b s t r a c t t h i sp a p e rr e a l i z e st h ec u r r e n tc o n t r o ls y s t e mf o rs e r i e sr e s o n a n tc o n v e r t e ro fi n d u c t o nh e a t i n g b a s e do ns l i d i n gm o d ev a r i a b l es t r u c t u r ec o n t r 0 1 a t 缸i nt h i sp a p e r , t h e a d v a n t a g ea n dl i m i t a t i o no f c o n t r o lm e t h o d sr e c e n t l yu s e di ni n d u c t i o nh e a t i n gs y s t e ma l ea n a l y z e d o nt h i sh a s e - s l i d i n gm o d e v a r i a b l es t r u c t u r ec o n t r o l l e ri su s e d a f t e rt h el o a dc i r c u i ti sa n a l y z e d t h em a t h e m a t i cm o d e lo fs e r i e s r e s o n a n tc o n v e r t e rf o ri n d u c t i o nh e a t i n ga r ee s t a b l i s h e d ，i n c l u d i n gt h es o l e c f i o no ft h ei n t e g r a t o rs w i t c h s u r f a c ea n dt h ec o n t r o ll a wo fs l i d i n gm o d e i nt h ec o n t r o lc i r c u i t , t h ep m c e s ri st m s 3 2 0 l f 2 4 0 7d s p a n dt h ec o n t r o la l g o r i t h m sa r ef u l l yi m p l e m e n t e db ys o f t w a r e ；d e t e c t i n gt h e1 0 a dc o i lc u r r e n t sb yh a l l c o m p o n e n t s ，d s pp r o d u c e sp w ms i g n a l sw i t hp r o g r a m m a b l ep u l s ew i d et od r i v et h el o a dc e i lb yi g b t , a n ds i g n a l se n t e rt h ea di n p u tp i n so fd s pb e f o r es l i d i n gm o d ev a r i a b l es t r u c t u r ec o n t r o la l g o r i t h m s i m p l e m e n t e db ys o f t w a r e ；am e t h o do fi m p l e m e n t i n gd i g i “p h a s e - l o c k e dl o o pb a s e do nd s pa c c o r d i n g t ot h em a t h e m a t i c sm o d c lo fa n a l o gp h e - l o c k e dl o o pi sa n a l y z e d t h es y s t e mm o p e r a t ew i t hh i g h r o b u s t n e s sa n dh a sg o o dd y n a m i cp e r f o r m a n c e t h er e s u l t so fs i m u l a t i o na n de x p e r i m e n ts h o wt h a tt h e i n t e g r a t o rs w i t c hs u r f a c ea n dt h ec o n t r o ll a wo fs l i d i n gm o d ew h i c hi sd e s i g ni nt h ep a p e rn o to n l yh o l d t h eh i g hr o b u s t n e s s b u ta l s oh i g h l yr e d u c et h ec h a t t e r i n gw h i c hi sb e dt ot h ec o n t r o ls y s t e m t h e e x p e r i m e n t a lr e s u l t sa r ep e r f e c ta n ds h o wt h a tt h i sm e t h o dn o to n l yp r e s e r v e st h em e r i to fs m v s c b u t a l s op o s s e s s e sa d a p t a t i o nt os y s t e m k e y w o r d s ：i n d u c t i o nh e a t i n g , s e r i e sr e s o n a n t ，d s p ，s l i d i n gm o d ev a r i a b l es t r u c t u r ec o n t r o l 独创性声明 秉承祖国优良道德传统和学校的严谨学风郑重申明：本人所呈交的学位论文是我个 人在导师指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人的研究成果。与我一同工作的同志对本文所论述的工作和成 果的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并已致谢。 本论文及其相关资料若有不实之处，由本人承担一切相关责任 论文作者签名：一：童li 邈z 叼年3 月l 学日 学位论文使用授权声明 本人筮l 煞在导师的指导下创作完成毕业论文。本人已通过论文的答辩，并 已经在西安理工大学申请博士硕士学位。本人作为学位论文著作权拥有者，同意授权 西安理工大学拥有学位沧文的部分使用权，即：1 ) 已获学位的研究生按学校规定提交 印刷版和电子版学位沦文，学校可以采用影印、缩印或其他复制手段保存研究生上交的 学位论文，可以将学位论文的全部或部分内容编人有关数据库进行检索；2 ) 为教学和 科研目的，学校可以将公开的学位论文或解密后的学位论文作为资料在图书馆、资料室 等场所或在校园网上供校内师生阅读、浏览。 本人学位论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权西安理工大学研究生部办 理。 ( 保密的学位论文在解密后，适用本授权说明) 论文作者签名：亟缝导师签名 鳓徊尹日 ， 前言 1 前言 1 1 感应加热电源控制技术的发展 感应加热装置是利用电磁感应原理把电能转化为热能的设备。它与传统的加热设备 相比具有诸多优点：加热温度高、加热效率高、加热速度快、温度易控制、可以局部加热、 易实现自动控制等，因此在工业中有着广泛的应用。它主要在机械制造工业、冶金及国防 等领域用于淬火、透热、熔炼、钎焊以及烧结等工艺处理随着感应加热理论和感应加热 装置的不断发展，其应用领域也随之扩大，应用范围越来越广，如微波炉、电磁炉等产品 己进入人们的日常生活。而随着控制技术的不断发展，数字化、智能化控制的感应加热电 源也越来越受到重视。 1 1 1 感应加热电源的现状和发展趋势 自从1 9 7 0 年浙大研制成功国内第一台l k h z l o o k w 晶闸管中频电源以来，国产中 频电源己覆盖了中频机组的全部型号。在超音频电源方面，日本在1 9 8 6 年就利用s i t h 研制出1 0 0 k w 6 0 k h z 的超音频电源，此后日本和西班牙又在1 9 9 1 年相继研制出 5 0 k h 到r 5 0 0 k w 和5 0 k h z 2 0 0 k w 的i g b t 超音频电源。国内在超音频领域与国外还有一 定差距，但发展很快，1 9 9 5 年浙大研制出5 0 k h z 5 0 k w 的i g b t 超音频电源，北京有 色金属研究总院和本溪高频电源设备厂在1 9 9 6 年联合研制出2 0 k h z 1 0 0 k w 的i g b t 电源。在高频这一频段可供选择的全控型器件只有静电感应晶体管( s l t h ) 和功率场效 应晶体管( p o w e rm o s f e t ) 。前者是日本研制的3 k w 2 0 0 k w ，2 0 k h z 3 0 0 k i - i z 系列高 频电源，后者由欧美采用功率m o s f e t 研制成功输出频率为2 0 0 k i - l z 3 0 0 k i - i z ，输出 功率为1 0 0k w 4 0 0 k w 的高频电源。 感应加热技术的发展与功率半导体器件和控制技术的发展密切相关，功率器件的 大容量化、高频化可使感应加热电源装置容量不断增大，工作频率段更高。而单片机， d s p , f p g a 等控制器水平的发展则进一步促进感应加热电源线路结构更趋简单，控制 愈加智能化。将在以下方面更具特色： ( 1 ) 高频化：晶闸管在感应加热的中频段得到了广泛的应用，i g b t 和s i t h 在感应加 热的超音频段得到了广泛的应用，而m o s f e t 和s i t 的发展和软开关技术的发展则使 感应加热电源的高频化成为可能。目前有很多人致力于这方面的研究 ( 2 ) 大容量化：随着功率器件大容量化的发展，感应加热电源的容量也随之提高。但在 某些场合电源的容量仍需提高，且超过了单管所能承受的范围。于是便出现了从电路 角度将电源大容量化技术。按实现的方式不同可分为两大类：一类是器件的串、并联， 另一类是多台电源系统的串、并联。在这两种方式中，串联器件的均压问题和并联器 件的均流问题仍是需要解决的关键问题。 西安理工大学硕士学位论文 ( 3 ) 高功率因数、低谐波电源：由于感应加热电源一般功率因数较高，目前对它的功率 因数、谐波指数还没有严格的要求，但随着整个电网无功及谐波污染要求的提高，具 有高功率因数( 采用大功率与三相功率因数校正技术) 低谐波污染电源必将成为今后发 展趋势。 ( 4 ) 数字化、智能化控制：随着数字集成芯片，单片机，d s p ，f p g a 的发展，感应加 热电源的控制器也从最初的由分立元件组成的控制电路发展到集成控制器，再到如今 旨在实现高频开关的计算机控制，并向着更高频率、更低损耗和全数字化的方向发展 且随着感应加热处理生产线自动化控制程度及对电源可靠性要求的提高，感应加热电 源正向智能化控制方案发展具有计算机智能接口、远程控制、故障智能诊断等控制 性能的感应加热电源正成为下一代的发展目标 1 1 2 感应加热电源控制器的发展嘲嘲 传统的感应加热电源的控制均采用模拟控制，技术日趋成熟，但模拟控制电路存 在固有缺陷，如元件参数的精度不一致性、元件老化等问题。此外，模拟集成控制芯 片还存在功耗较大、集成度低、控制不够灵活、通用性不强等问题。缺点如下： ( 1 ) 因采用大量的分散元件和电路板，导致系统的可靠性下降 各元件本身就是一个小系统，由于元件存在老化及热漂移等问题，自身系统的不 稳定甚至失效，会导致整个电源系统的可靠性下降；元件都焊接在电路板上，电路板 的布局、布线不合理，也会使电源工作在恶劣的环境下，难以使其在最佳状态运行， 这也会影响整个电源系统的寿命； ( 2 ) 调试困难 由上可知，电源系统由大量元件组成，是一个庞大的系统，某个元器件出了问题， 导致电路难以工作，寻找起来费时费力；同样，电路板的布置不合理，使电源出现软 故障，即电路可以工作，但效率不高，工作环境恶劣，这种故障排除也相当困难； ( 3 ) 产品升级换代困难 对同一型号的模拟控制逆变电源，若不改动硬件，升级是不可能的，每一个新型 的电源系统都要求重新设计； “) 某些好的控制策略通过模拟方法实现困难，如重复控制，模糊控制等。 采用数字化控制代替模拟控制，可以消除温度漂移等常规模拟调节器难以克服的 缺点，有利于参数整定和变参数调节，便于通过程序软件的改变方便地调整控制方案 和实现多种新型控制策略，同时可减少元器件的数目、简化硬件结构，从而提高系统 的可靠性。此外，还可以实现运行数据的自动储存和故障自动诊断，有助于实现感应 加热电源装置运行的智能化。而且在感应加热电源系统中，功率器件工作在开关方式， 更适合于数字控制和驱动，即便是模拟p i d 闭环控制，也必须将最终的输出转化为数 字电平。因此，在感应加热电源中越来越趋向采用数字化控制技术 2 前言 数字化控制技术也经历了由低端的单片机到高端的d s p ，f p g a 或a s i c 等等的发 展历程。其中单片机是一种在一块芯片上集成了c p u 、r a m r o m 、定时器计数器和 i 0 接口等单元的微控制芯片，具有速度快、功能强、效率高、体积小、性能可靠、抗 干扰能力强等优点，在各种控制系统中应用广泛。在电源电路中，单片机主要用作数 据采集和运算处理、电压电流调节、p w m 信号生成、系统状态监控和故障自我诊断等， 一般作为整个电路的主控芯片运行，完成多种综合功能单片机控制克服7 模拟电路 的固有缺陷，通过数字化的控制方法，得到高精度和高稳定度的控制特性，并可实现 灵活多样的控制功能。但是，单片机的工作频率与控制精度是一对矛盾，而且处理速 度也很难满足高频电路的要求，这就使人们不得不转而寻求功能更强的芯片的帮助， 于是，d s p 应运而生。 数字信号处理器( d s p ) 是近年来迅速崛起的新一代可编程处理器，其内部集成了波 特率发生器和f i f o 缓冲器，提供高速同步串口和标准异步串口，有的片内还集成了采 样保持和a d 转换电路，并提供p w m 信号输出。与单片机相比，d s p 具有更快的 c p u 、更高的集成度和更大容量的存储器。d s p 属于精简指令系统计算机( r i s c ) ，大 多数指令都能在一个周期内完成，并可通过并行处理技术，在一个指令周期内完成多 条指令。同时，d s p 采用改进的哈佛结构，具有独立的程序和数据空间，允许同时存 储程序和数据内置高速的硬件乘法器，增加了多级流水线，使其具有高速的数据运 算能力。而单片机为复杂指令系统计算机( c i s c ) ，多数指令要扣3 个指令周期才能完 成。单片机采用冯诺依曼结构，程序和数据在同一空间存储，同一时刻只能单独访问 指令或数据。单片机的a l u 只能做加法，而乘法则需要由软件来实现，因而需要占用 较多的指令周期，速度比较慢。与1 6 位单片机相比，d s p 执行单指令的时间快8 1 0 倍，一次乘法运算时间快1 6 3 0 倍。在电力电子装置中，d s p 主要完成主电路控制、 系统实时监控及保护、系统通信等功能。应用的具体电路包括u p s 逆变控制电路、交 流电机调速电路、功率因数校正电路和谐波抑制电路等 现场可编程门阵列( f p g a ) 属于可重构器件，其内部逻辑功能可以根据需要任意设 定，具有集成度高、处理速度快、效率高等优点。其结构主要分为三部分：可编程逻 辑块、可编程模块、可编程内部连线。由于f p g a 的集成度非常大，一片f p g a 少则几千个等效门，多则几万或几十万个等效门，所以一片f p g a 就可以实现非常复 杂的逻辑、替代多块集成电路和分立元件组成的电路。它借助于硬件描述语言( v i - i d l ) 来对系统进行设计，采用三个层次( 行为描述、r t l 描述、门级描述) 的硬件描述和自上 至下( 从系统功能描述开始) 的设计风格，能对三个层次的描述进行混合仿真，从而可以 方便地进行数字电路设计，在可靠性、体积、成本上具有相当优势。f p g a 应用于逆 变器控制系统、直流电机调速、p w m 控制等。 比较而言，而当系统取样速率高( m h z 级) 、数据率高( 2 0 m b s 以上) 、条件操作 少、任务比较固定时，f p g a 有优势；d s p 适合取样速率较低和软件复杂程度高的场 3 西安理工大学项士学位论文 合使用。 单片机、d s p , f p g a 等在电源电路的控制系统中得到了广泛的应用，虽然它们较 之模拟控制电路有许多共同的优良特性，但是它们也各有其独到之处。随着电源电路 的日趋高频化和复杂化，上述芯片的单一采用往往难以达到期望的控制效果，因此， 各种控制芯片的混合使用将成为控制电路的一个重要发展趋势：( 1 ) 单片机+ d s p 结构， 比如，在u p s 中，d o ，d c ，a c d c 的控制可以采用单片机，而d c 拍c 的控制则采用 运算速度和频率更高的d s p 芯片；( 2 ) d s p + f p g a 结构，d s p 具有软件的灵活性，而 f p g a 具有硬件的高速性，能够处理复杂算法；( 3 ) 嵌入d s p 模块的f p g a ，将具有基 本数字信号处理功能的d s p 模块嵌入到f p g a 中，这样f p g a 提供的d s p 性能可以达 到每秒1 2 8 0 亿m a c ，将大大高于目前主流d s p 的性能。 1 1 3 逆变器控制研究现状 由于开关变换器在闭环工作时是属于时变、非线性、周期性工作的系统，对于开 关变换器这样的非线性系统控制，有两种方法可以用来设计其控制器一种方法为： 在稳定工作点对此非线性系统做线性化处理，并且基于对线性化处理后的系统的小信 号模型进行建模分析，根据传统的线性系统控制理论设计控制器；另外一种方法是直 接针对开关变换器非线性系统设计适用的非线性控制策略 d c - a c 变换器的控制目标如下：( 1 ) 稳态下保证输出电压稳态输出误差为零：( 2 ) 具有低输出阻抗和低衰减率，瞬态响应良好：( 3 ) 控制系统对电路参数的不确定性具有 强的鲁棒性。当输入电源电压、负载以及温度变化时，使逆变器的输出电压达到规定 的静态和动态性能。 逆变器的闭环控制可以分为线性控制技术和非线性控制技术。 a 线性控制技术 功率开关变换器属于时变、非线性、采样系统，由于功率变换器的这些性质，使 得人们无法直接应用一些经典的、精确的电路分析方法，如拉氏变换法、微分方程法 等对其进行建模分析。这主要有两方面的原因：( 1 ) 长期以来缺少能方便地应用于控制 系统设计的大信号离散模型；( 2 ) 常规的控制算法对功率开关变换器的控制无法取得满 意的效果，而控制的快速性又使得复杂算法难以实现。然而，随着现代控制理论的发 展和实现方法的改进，这方面的研究工作已取得了很大进展。 1 9 7 6 年，r d m i d d l e b r o o k 和s l o b o d a nc u k 在前人的基础上提出了状态空间平均 法，较好地解决了功率变换器的稳态和动态低频小信号的分析问题，这种方法在于假 设扰动信号频率比开关频率低得多的前提下，列出开关变换器的分段线性状态方程， 然后经过平均和摄动处理，在小信号线性化的假设条件下，用线性状态方程来描述电 路。这可以应用经典控制理论中的根轨迹图和b o d e 图，拉氏变换或z 变换等分析线性 系统的基本方法，在频域内分析设计系统。状态空间平均模型和动态低频小信号模型 4 前言 是精确性和实用性的良好折衷，因此基于其上的控制方法的研究获得了极大的发展。 8 0 年代中期，开关变换器的闭环控制取得了两个重要的进步，即电压前馈控制和电流 程控控制。近年来，在上述两方面仍然有进一步的发展 ( 1 ) 电压型控制技术 传统的逆变器采用电压型控制技术，只对逆变器输出电压进行采样，并作为反馈 信号做闭环控制来稳定输出电压。将逆变器输出电压反馈信号与基准参考电压信号进 行比较，经误差放大器( p i 调节器、p i d 调节器) 后得到误差信号，将此信号与载波信号 交截，经适当的逻辑交换和驱动电路来控制逆变器。 电压型控制技术具有如下特点：( 1 ) 单闭环反馈控制，较易设计和分析；( 2 ) 大幅值 的锯齿波为稳定的调制过程提供了强的抗干扰能力；( 3 ) 低阻抗的功率输出为多路输出 电源提供了良好的交叉调节能力；( 4 ) 当输入电源电压、负载、功率电路元器件参数变 化时，只有等到输出电压变化后，反馈环路才能起到调节输出电压的作用，动态响应 速度慢；( 5 ) 输出滤波器为控制环路增添了两个极点，因而需要降低误差放大器的主极 点低频响应，或在补偿网络中增添一个零点：( 6 ) 环路增益随输入电压变化，从而使得 补充更加复杂；( 7 ) 为了降低系统的静态误差和功率电路的大时间常数以及控制信号的 传递延迟对系统动态响应速度的影响，必须采用高增益、宽频带的运放，从而导致系 统的稳定性变差，即系统的静态性能、快速性与稳定性之间存在矛盾。 ( 2 ) 电流型控制技术 电流型控制技术是一种性能优良的控制技术。电流型控制技术包括：峰谷值电流 型控制技术和平均值电流型控制技术。 峰谷值电流型控制技术包括：恒定截止时间、恒定导通时间、恒定开通时刻、恒 定关断时刻和恒定延滞环宽等五种。这类电流型控制技术是检测并将电感电流或功率 开关电流作为电流内环的反馈信号与电压外环的输出信号( 电流给定) 经比较器比较后， 去控制功率开关的占空比，使功率开关的峰值或谷值电流直接跟随电压反馈回路中误 差放大器输出信号的变化的。峰，谷值电流型控制技术具有如下优点：( 1 ) 电流内环是一 个高度稳定的自激振荡系统，对整个系统来说，= 阶的输出l c 滤波器降为一阶电容 环节，即只有一个与滤波电容有关的比例积分环节和一个与负载有关的一阶或二阶环 节，因此，整个系统具有高度的稳定性；( 2 ) 当输入电压或负载变化导致输出电压变化 时，都将引起电感电流变化率的改变，从而使占空比发生变化，起到了电压前馈的作 用，电压反馈外环的瞬间响应速度仅取决于滤波电容和负载的性质，具有快速的动态 响应；( 3 ) 由于系统具有很高的稳定性和快速的动态响应，反馈环路的增益可以设计的 很大，从而使输出电压具有很高的静态精度；( 4 ) 具有内在的对功率开关的电流控制和 限流能力，过载及短路能力强；( 5 ) 并联的各个逆变器公用一个电压误差放大器时，可 自动均流；( 6 ) 较强的参数鲁棒性和对各种电流的广泛适应性。 此技术的缺点为：( 1 ) 双环控制增加了电路分析和设计的难度；( 2 ) 占空比大于0 5 5 西安理工大学硕士学位论文 时，由于电流上升率不够大，在没有斜坡补偿时，控制环路变得不稳定，抗干扰性能 差，因此需要斜坡补偿；( 3 ) 由于控制信号来自输出电流，功率电路的谐振会给控制环 带来噪声，噪声免疫能力差；( 4 ) 存在较大的电感电流峰值平均值误差；( 5 ) 电路拓扑的 适应能力不够强 平均值电流型控制技术将高增益的积分电流误差放大器引入电流环，从而有效的 克服了峰谷值电流型控制技术( 电流环增益低) 的缺陷。它是将电感电流检测电阻上的 电压作为电流内环的反馈信号于电压外环的输出信号( 电流给定) 比较，经电流误差放大 器放大后，并在p w m 比较器的输入端与振荡器产生的幅值较大的锯齿波进行比较， 来控制功率开关的占空比通过电流环的补偿网络来优化设计电流环的增益带宽 特性。与峰谷值电流型控制技术相比，平均值电流型控制技术的电流环增益转折频率 可以设计成近似相同，但在较低的频率时增益要大得多平均值电流型控制技术具有 峰谷值电流型控制技术的许多优点，但也有其独自的特点：1 ) 平均电流可以精确的跟 踪电流给定，这在高功率因数前置调节器中尤为重要，即使采用了较小的电感，其t h d 也小于3 ，即使在电流减d , n 进入断续模式时，平均值电流控制依然能很好的起作用， 而电压控制外环不受模式变化的影响；2 ) 不需要斜坡补偿，但是为了使系统稳定，开 关频率处的环路增益要受到限制；3 ) 噪声免疫力强，当时钟脉冲使功率管开通时，振 荡器斜坡立即变为最低电平，其电压值远离p w m 比较器输入端的电流误差值；可检 测、控制变换器任意支路的电流，因而可以用来精确的控制输入电流和输出电流；5 ) 动态响应速度、控制的简洁程度和应用广泛程度不如峰，谷值电流型控制技术 b 非线性控制技术 从严格意义上讲，任何一个实际控制系统都是非线性的。所谓线性只是对非线性 的一种简化或近似，或者说是非线性的一种特例。鉴于传统的非线性p i d 控制策略往 往整定不易、性能欠佳，对运行工况尤其是负载大幅度变化的适应性较差，仅仅通过 传统的线性控制方法很难进一步提高系统性能。因此，许多控制理论研究者致力于发 展更精确的非线性模型及其它高性能控制器。 对非线性控制系统的研究，到本纪四十年代已经取得一些明显的进展。主要的分 析方法有相平面法、描述函数法、李亚普诺夫稳定性理论等，这些方法都己经被广泛 用来解决实际的非线性系统问题。自2 0 世纪8 0 年代以来，非线性科学越来越受到人 们的重视，数学中的非线性分折、非线性泛函，物理学中的非线性动力学，发展都很 迅速与此同时，非线性系统理论也得到了蓬勃发展，有更多的控制理论专家转入非 线性系统的研究，更多的工程师采用非线性系统理论构造控制器，并取得了一定的成 就，主要方法有以下几种：( 1 ) 李亚普诺夫稳定性方法；( 2 ) 微分几何方法；( 3 ) 变结构控 制理论；( 4 ) 非线性1 1 8 控制方法等。 前言 1 2 感应加热电源的主要智能控制技术 在新型快速功率开关器件应用技术日趋成熟的今天，采用各种新的控制技术来进 一步提高逆变器的静态、动态特性已成为人们的研究热点。在实现控制的硬件手段上， 微电子集成技术的发展为电力电子控制技术提供了新的思路。由于数字信号处理器 d s p 能实时的读取逆变器的输出并计算出p w m 输出值，使锝一些先进的控制策略应 用于逆变器中成为可能，从而可对非线性负载动态变化时产生的谐波进行动态补充， 将输出谐波达到可接受的水平因此，使得滑模变结构控制、自适应控制、最优控制 等现代控制理论和模糊控制、神经网络等智能控制能够应用于逆变器系统中。在设计 高性能、高精度、强鲁棒性的逆变系统中，先进控制理论将是最具吸引力和有前途的。 1 2 1p i d 控制 p i d 控制以其简单、参数易于整定等特点，广泛应用于工程实践中早先的逆变 电源控制，多为模拟p i d 控制，单纯采用电压的瞬时值反馈，采用p i d 控制器进行调 节，其性能特别是动态性能及负载为非线性时，不会令人满意。为此，把输出电感电 流及滤波电流的瞬时值引入了控制系统，使得逆变电源的输出性能得到较大的改进。 然而庞大的模拟控制电路使得系统的可靠性下降。测试复杂。d s p 的出现，这个问题 迅速解决。 1 2 2 重复控制 重复控制的基本思想源于控制理论中的内模原理，内模原理是把作用于系统的外 部信号的动力学模型植入控制器以构成高精度反馈控制系统的一种设计原理，即如果 希望控制系统对某一参考指令实现无静差跟踪，则产生该参考指令的模型必须包含在 稳定的闭环控制系统内部。逆变电源的重复控制的主要目的是为了克服整流型负载引 起的输出波形周期性的畸变，一般和其他p w m 控制方式相结合，用来改善输出电压 波形，重复控制的思想是假定前一个周期出现基波波形畸变将在下一个基波周期的同 一时刻重复出现，控制器根据给定信号和反馈信号的误差来确定所需的校正信号，然 后在下一个基波周期的同一个时间将此信号叠加到原控制信号上，以消除后面各周期 中将出现的重复性畸变。重复控制能够使得系统获得很好的静态性能，易于实现，但 该技术却不能够获得好的动态性能。 1 2 3 无差拍控制 无差拍控制是一种基于微机实现的p w m 方案，它根据逆变电源系统的状态方程 和输出反馈信号来控制计算逆变器的下一个采样周期的脉冲宽度。无差拍控制有着非 常快的暂态响应，当负载突然变化时，只要几个开关周期就可以调整输出电压，输出 能够很好的跟踪给定值；波形的畸变率小，即使开关频率不是很高，无差拍控制也能 够得到较好的输出波形品质；无差拍控制能够使得输出电压的相位与负载关系不大， 它通过调节逆变桥的输出相位来补偿l c 滤波器的相对延时。但是，无差拍控制的自 7 西安理工大学硕士学位论文 身缺点也十分明显：( 1 ) 无差拍控制系统的鲁棒性不强，当负载变化，非线性负载或温 度、运行条件等原因出现参数波动，都容易造成控制系统的不稳定或输出性能恶化； ( 2 ) 系统的误差与调制比输出的l c 等有关；( 3 ) 瞬态超调量大。 1 2 4 模糊控制 模糊控制的基本思想是把人类专家对特定被控制对象或过程的控制策略总结成一 系列以“域条件) t h e n ( 作用) ”的表达形式的控制规则，通过模糊推理得到控制作用集，作 用于被控制对象或过程。模糊控制完全是在操作人员所具有的控制经验的基础上实现 对系统的控制，无需建立数学模型，且控制具有较强的鲁棒性，被控制对象参数的变 化对控制影响不明显，因此是解决不确定系统的一种有效途径，可用于非线性、时变 系统的控制 模糊控制技术能够在准确性和简洁性之间取得平衡，有效地对电力电子系统做出 判断和处理将模糊控制技术应用于逆变器，具有如下特点：( 1 ) 模糊控制器的设计不 需要被控对象的精确数学模型，并且有较强的鲁棒性和自适应性；( 2 ) 查找模糊控制表 只需占用处理器很少的时间，可采用较高采样率来补偿模糊规则和实际经验的偏差。 将输出电压和滤波电感电流反馈，即电压误差和电感电流作为输入模糊变量，可以实 现逆变器的模糊控制，整流性负载时，其输出电压t h d 小于5 。将模糊控制与无差 拍控制相结合，可以用来补偿由于非线性负载导致的电压降落。 尽管模糊控制的优点很突出，但仍然有一些不足，其主要缺点是：缺乏分析和设 计控制系统的系统方法( 很多专家对此比较怀疑) ，无法定义控制目标，而控制规则的 选择、论域的选择、模糊集的定义、量化因子的选取等多采用试凑法；调节模糊规则 库和隶属度函数所用的试探法和迭代法通常非常耗时；不能保证规则库的完整性，以 及在选择隶属度函数的形状、重叠度和量化水平时缺少明确的判据近来出现的模糊 神经网络( 删技术结合了神经网络和模糊控制的优点，它利用神经网络的学习功能优 化了规则库的推导过程，弥补了模糊控制的一些不足。 1 2 5 自适应控制 传统的非自适应反馈控制律的设计依赖于电路的标定参数，而系统参数往往是不 精确的、变化的，如果控制器参数和实际参数不匹配，可能会导致系统性能恶化，而 且，尽管p w m 的开关频率通常很高，实际上它对变换器的控制仍不连续；使用连续 的占空比合成器代替实际离散的p w m 控制器，系统的实际行为必然会受到有限开关 频率的限制，不会与预测的连续平均行为相同。自适应控制可以有效地克服上述两类 建模误差。 按照“不确定性等价原理”，控制器先按理想情况( 连续对不变系统) 设计，但控 制器参数在线可调，这种调节通过某种特定的参数更新律来完成，这种自适应控制律 要能同时保障稳定性和精确性的要求 h e r b e t t j s i r a r a m i r e z 基于状态空间平均模型给出了占空比合成器和参数 8 前言 更新律的表达式，该参数更新律可以实时更新所有模型参数，在线调节占空比合成器 的参数，该系统对电路参数、输入电压和负载的扰动具有强抗干扰能力。但是，由于 逆变器的高开关频率，实时性是这些控制方案实现的主要难点。 1 2 6 滑模变结构控制 滑模变结构控制系统最大的优点是其对参数变化及外部干扰的不敏感性，即强鲁 棒性，加上其固有的开关特性，特别适用于电力电子的闭环控制之中早期逆变电源 的滑模变结构控制多采用模拟技术，这存在控制硬件电路特别复杂、控制功能有限的 弱点。微处理器的应用能够减少滑模变结构控制器的复杂性，但是连续滑模控制器的 设计方法不能直接用于离散滑模控制器的设计，微处理器的离散采样可能会导致系统 的震动或系统的不稳定。所以需要离散滑模控制技术，它完全不同于常规的连续滑模 控制理论。 从以上分析得知，滑模变结构控制使系统的跟踪误差及其导数运行于相平面的一 条固定的滑模曲线上，与系统参数变动及外部扰动无关，因此系统鲁棒性较强。 滑模变结构控制有着明显的优点：快速性和强鲁棒性，但也存在控制系统稳态效 果不佳、理想滑模切换面难于选取、控制效果受采样率的影响等弱点。但是就波形跟 踪质量来说，滑模变结构控制不及重复控制和无拍差控制如今逆变电源的滑模变结 构控制的研究方兴未艾，特别是滑模变结构控制和其它智能控制策略相结合形成新的 集成控制策略，更是一条有意义的探索之路。 1 3 选题的意义、难点和主要任务 1 3 1 选题背景和意义 在控制方式上，传统的控制系统采用分立元件构成，不仅有零点漂移和老化等缺 点，而且还存在焊点多、连线与接插件多、调试复杂及难易维护等问题。近年来出现 了基于单片机、d s p 、模糊控制、集成电路等控制的中频电源也取得了深入发展，在 提高中频电源启动成功率和负载适应性以及运行可靠性方面取得了一些成绩。伴随着 电力电子新器件的出现、新型的控制方法的发展和日益完善的计算机辅助设计软件， 感应加热电源技术正朝高频化、大容量化、智能化控制、高功率因素，低谐波电源的 方向发展。 d s p 技术飞跃发展，随之而来，促使了感应加热电源发展，特别是先进的逆变式 感应加热电源配上d s p 控制已成为当今感应加热电源的发展方向它具有很多优点： 可简化硬件控制电路，提高抗干扰能力，改善系统的可靠性；软件设计灵活，可方便 地加以修改和更新以适应感应加热工艺的要求；并可存贮大量的相关信息；可实现整 个加热过程的控制、监控和诊断。 智能控制技术从出现以来就一直在不断迅猛发展。特别是作为其重要分支的滑模 变结构控制技术也获得飞速进步，无论是理论研究还是实际应用都取得了很多重要成 9 西安理工大学硕士学位论文 果，但是它们在感应加热控制中的应用还很少见作为先进的控制策略，变结构控制 目前已经有了较完整的理论体系，并建立起了设计方法特别是近年来，它波及了几 乎所有控制领域，但大多限于仿真研究，应用研究一直是大家重视的问题，而且是确 立交结构控制方法成立与否的最后阶段。将滑模变结构控制应用于感应加热控制，是 一个重要的应用方向和极为有益的尝试 1 3 2 课题的难点及解决办法 a 串联谐振感应加热电源数学模型的建立 感应加热系统属于热惯性环节，而且受负载的影响较大，同时在系统中还存在着 负载参数时变性、结构非线性等因素，感应加热工件的温度为分布参数稳定对象，其 变化涉及磁、电、热传导等物理过程，影响因素众多，还没有准确、实用的数学模型。 所以如何克服对象特性的多变性、非线性、噪声、较大的纯滞后等因素的影响，实现 较精确的功率控制是难点所在。由于电力电子电路总是工作在开关状态，可以通过离 散状态方程表达式来建立感应加热电源的数学模型 b 滑模控制器设计 设计滑模控制器的两个步骤：( 1 ) 依据建立的感应加热数学模型，设计切换函数 s ( x ) ，使它所确定的滑动模态渐进稳定且具有良好的动态品质；( 2 ) 设计滑动模态控制律， 使电流控制在一定范围内，从而在切换面上形成滑动模态区，保证输出电流在误差范 围内。 滑模变结构控制响应速度快，对系统参数和外部干扰呈不变性，可保证系统是渐 近稳定的，尤其可贵的是其算法简单，易于工程实现，其缺点是存在抖动和需知不确 定参数上下界等问题 1 3 3 目的和主要任务 本文针对感应加热电源系统这个具有复杂的参数时变性，结构非线性的控制对象， 基于对滑模变结构控制方法的探讨，结合感应加热领域，建立离散数学模型，进行仿 真分析；研究和设计控制感应加热电源负载电流的滑模控制器，并在d s p 的控制算法 中实现，并将其有效地应用于高频感应加热电源的电流控制系统中；负载电流动态响 应速度快，鲁棒性强，适应这类复杂多变的工业对象，达到传统控制方法所无法达到 的控制效果具体内容如下： ( 1 ) 建立电路负载电流的离散滑模动态模型，确定滑模切换函数和控制律，设计系统 的参数，并进行仿真分析； ( 2 ) 设计控制系统及外围电路，采用t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 控制芯片，实现负载电流的a d 采样、滑模计算、p w m 输出控制和保护等功能； ( 3 ) 根据要求设计整个电源装置的结构，及各个硬件电路部分的设计，计算电路器件 的参数并确定型号； ( 4 ) 系统调试，实验结果分析。 逆变器工件原理和功率调节 2 逆变器工作原理和功率调节 2 1p w m 逆变电路及其控制方法 目前中小功率的逆变电路几乎都采用p w m 技术，p w m 控制就是对脉冲的宽度进 行调制的技术，即根据面积等效原理，通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来等效地 获得所需要的波形。 面积等效原理：冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果 基本相同。例如：用系列等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦半波，这种脉冲的宽度 按正弦规律变化而和正弦波等效的p w m 波形，也称s p w m 波形。 如果把希望输出的波形作为调制信号，把接受调制的信号作为载波，通过信号波的 调制得到所期望的p w m 波形，即调制法。通常采用等腰三角波或锯齿波作为载波， 其中等腰三角波应用最多。 v d i 图2 1 单相全桥电压型逆变电路 f i 9 2 - 1c i r c u i to fs i n g l e - p h a s ef u l l b r i d g es e r i e si n v e r t e r 图2 - 1 是采用i g b t 作为开关器件的单相全桥电压型逆变电路。设负载为阻感负载， 工作时v t l 和v t 2 的通断状态互补，v r 3 和v t 4 的通断状态也互补。其控制规律如 下：在输出电压群。的正半周，v t l 通，y r 2 断，y r 3 和v t 4 交替通断，负载电流比电 压滞后，在输出电压u 。的正半周，电流有一段区间为正，一段区间为负在负载电流 为正区间，v t l 和v t 4 导通时，。= u 。；v t 4 关断时，负载电流通过v t l 和v d 3 续流，“。= 0 。负载电流为负区间，f 。为负，实际上从v d l 和v d 4 流过，仍有“o = u d ； v t 4 关断，、仃3 开通后，j 。从3 和v d l 续流，q 。= o 。这样，“。总可以得到( ，。和 0 两种电平。同样，在。的负半周，让v r 2 保持通态，v t l 保持断态，v ，r 3 和v t 4 交替通断，u 。可以得到一( ，。和0 两种电平。 西安理工大学硕士学位论文 妒烈 ，一，w ”一 m 一 nr 旷 一u o uuu 图2 - 2 单极性p w m 控制 f i 9 2 - 2u n i p o l a rp w m c o n t r o l 控制y r 3 和v t 4 通断的方法如图2 2 所示调制信号h ，为正弦波，载波h 。在“， 的正半周期为正极性的三角波，在，的负半周期为负极性的三角波。在“，和“。的交点 时刻控制i g b t 的同断在，的正半周，v t l 保持通态，y r 2 保持断态，当口， 。时 使v t 4 导通，y r 3 关断，o = u 。；当口， 球。时使v t 3 关断，v t 4 导通，雄o = 0 。这样就得到了s p w m 波形o 上述称为单极性p w m 控制方式。和单极性p w m 控制方式相对应的是双极性控制 方式，双极性控制方式时的波形如图2 3 所示 u 0 砒 o - l i d 燃| 。八肿m vvv 旷抖岬： 加 厂 厂in 厂 几nn ju uuuuul 二 图2 - 3 双极性p w m 控制 f i 9 2 - 3b i p o l a rp w m c o n t r o l 采用双极性方式时，三角波有正有负，p w m 输出也是有正有负。在“，的一个周期 内，输出的p w m 只有u 。两种电平。仍然在