（电力电子与电力传动专业论文）数字式单相晶闸管交流调压器的研究与设计.pdf

江苏大学硕士学位论文 a bs t r a c t e l e c t r i ce n e r g yi so n eo ft h em o s t i m p o r t a n te n e r g y f o r t h eh u m a np r o d u c t i o na n d l i f e r e a s o n a b l e ，e f f i c i e n t ，a c c u r a t ea n de a s y t ou s ee l e c t r i c e n e r g y i ss t i l la m a j o r p r o b l e m s t a b i l i t y , r e l i a b i l i t y , a c c u r a t c ya n de f f i c i e n c ya r ei m p o r t a n tf o rp o w e rs u p p l y , b u ts m a l l s i z ea n dl i g h tw e i g h ta r ea l s ov e r yp r e s s i n gn e e d s a tp r e s e n t ，h i g hf r e q u e n e y , s m a l lc o m p o n e n t s a n ds t r u c t u r e si st h ep r i m a r ym e a nt os o l v et h ep r o b l e m p o w e re l e c t r o n i c st e c h n o l o g yi nt h e p o w e rs u p p l yb r i n g sar e v o l u t i o ni nt h eu s eo fe l e c t r i ce n e r g y t h et e c h n i q u eo fp h a s e c o n t r o la cv o l t a g er e g u l a t o rh a saf a s t e rr e s p o n s et i m e ，w h i c hi sl e s s t h a nac y c l ev o l t a g ep o w e r b u tt h eo u t p u tv o l t a g ea n dc u r r e n tc o n t a i n sal o to fh a r m o n i c ，s oi t r e q u i r e sal a r g e rc a p a c i t yf i l t e ra n dh a sl o wp o w e rf a c t o r t h et e c h n i q u eo fa cv o l t a g er e g u l a t o r w i t hc h o p - c o n t r o li san e wa n dh i g h p e r f o r m a n c et e c h n o l o g y b a s e do na n a l y s i so fh a r m o n i c o u t p u tv o l t a g eo fc h o p p i n ga cv o l t a g er e g u l a t o ra n da u t o m a t i cc o n t r o lt h e o r y , t h ep a p e rd e s i g n e d a na cv o l t a g er e g u l a t o rs c h e m e f i r s t , w ec o m p a r e da n da n a l y z e dh a r m o n i co ft h ep h a s ev o l t a g er e g u l a t o ra n dt h ev o l t a g e r e g u l a t o r 、v i t hc h o p c o n t r o l ， a n dp r o v e dt h ea d v a n t a g eo ft h e v o l t a g er e g u l a t o rw i t h c h o p c o n t r o l ，a n da n a l y z e dt h ep r i n c i p l eo ft h ev o l t a g er e g u l a t o r a f t e rt h a t ，t h ep a p e rd e s i g n e dt h e m a i nc i r c u i t ，i n c l u d i n gt h ep a r a m e t e r so ft h eo u t p u tf i l t e rc i r c u i ta n db u f f e rc i r c u i ti no r d e rt o a c h i e v ed i g i t a lc o n t r 0 1 t h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r ed e s i g no ft h es y s t e mo fa c v o l t a g er e g u l a t o r a l ed e s i g n e db a s e do nd s p i c 3 0 f 6 014 aa sac o r ec o n t r o ld e v i s e t h ec u r r e n ta n dv o l t a g ed o u b l e c l o s e dl o o pc o n t r o ls y s t e mo fv o l t a g er e g u l a t o ri sc o m f i r m e d ，t h ef u z z y p i dc o n t r o lt e c h n i q u ei s u s e di nv o l t a g el o o pa n dt h ei m p r o v e dp i dc o n t r o lt e c h n i q u ei su s e di nc u r r e n tl o o p t h i s i m p r o v ec o n t r o lt e c h n i q u ew a su s e dt or e a l i z et h es t e a d ys o f ts t a r t i n ga n dv o l t a g ep o w e r r e g u l a t i o no ft h es y s t e m c h o p p i n ga cv o l t a g er e g u l a t o ri se a s yt of i l t e ra n dt h eo u t p u tv o l t a g eh a sf e w e rh a r m o n i c s f r o me x p e r i m e n t c o m p a r e dt op h a s e - c o n t r o la cv o l t a g er e g u l a t o r c h o p p i n ga cv o l t a g e r e g u l a t o rh a sm o r ea d v a n t a g e s d i g i t a lc o n t r o lh a v em a n ya d v a n t a g e s ，s u c ha ss t a t i ca n dd y n a m i c p e r f o r m a n c e ，h i g h - p r e c i s i o n ，s h o r t - c y c l e ，b e t t e rm a n m a c h i n ei n t e r f a c ea n dt e l e c o m m u n i c a t i o n d i g i t a lc o n t r o l i sa l s oo n eo ft h ei n n o v a t i o n si nt h et h e s i s k e yw o r d ：a cv o l t a g er e g u l a t o rw i t hc h o p - e o n t r o l ；h a r m o n i ca n a l y s i s ；f u z z y - p i d h 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查 阅和借阅。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部内容或部分内容编入 有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本 学位论文。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用本授权书。 不保密一。 靴做储獬：兽芦匆 如i 舟月i 1 日 指导教师签名： 冲年6 月f 1 日 矿闰寺 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行 研究工作所取得的成果。除文中已注明引用的内容以外，本课题不包含任何 其他个人或集体己经发表或撰写过的作品成果。对本课题的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法 律结果由本人承担。 学位论文作者签名：掺词眵嗣岛 日期： 7 矿f p 年6 月 j 江苏大学硕士学位论文 1 1 引言 第一章绪论 目前，我国某些地区电网供电质量比较差，电网电压波动范围比较大。电网电压波动 对敏感性负载，如计算机、通讯设备和过程控制系统等影响很大，有可能导致这些系统有 效数据丢失、通信中断和生产周期加长等严重后果。因此，调节电网电压使得用电设备处 于理想工作状态，或者满足用电负载某些特殊要求，从而获得最大的技术经济效益就目前 来看是非常重要的。 交流调压器在工矿企业、交通运输、邮电通讯、国防科研、医疗设备、家用电器及建 筑大楼等许多方面得到了广泛应用。经过多年发展，交流调压电源己成为电源技术的一个 重要分支【1 1 。交流调压从原理和结构来分，可分为三类：电机类、变压器类和电力电子类， 如表l 所示： 表l 交流调压器分类 感应调压器 电机类 感应自动调压器 可调可稳感应调压器 ( 环形) 接触调压器 交 ( 柱式) 接触调压器 流 补偿式交流稳压器 调 变压器类 ( 转圈式) 接触调压器 压 移圈调压器 器 磁性调压器 分接式( 抽头式) 调压器 晶闸管( 可控硅) 调压器 电力电子类晶体管调压器 i g b t ，m o s f e t 开关式调压器 总的来说，对各种各样的电源装置提出的技术要求中，除了稳定性、可靠性、精确性、 高效率等方面的要求外，小型化和轻量化也是十分迫切的需求。目前解决的主要手段有高 江苏大学硕士学位论文 频化、元器件和结构的小型化【2 1 。上世纪8 0 年代，提出了电源制造中电力电子集成概念， 电力电子技术得到高速发展，各种高频化、全控型的功率开关模块的开发，带动了电力电 子变换电路及其控制系统的革新。明确了集成化是电力电子技术未来发展的方向，是解决 电力电子技术发展面临障碍的最有希望的出路。目前在世界范围内，用电总量中经过电力 电子装置变换和调节的比例已经成为衡量用电水平的重要指标之一。 1 2 交流调压器的发展动向 1 2 1 向高电压，大容量方向发展 由于大功率负载容量不断提高，对更高电压等级更大容量的各类调压器的需求开始增 加。前几年就有用户提出需要7 0 0 0 k w 一8 0 0 0 k w 的感应调压器。近年也有国外用户提出需 要2 0 k v 、2 0 0 0 k w 的感应调压器。对柱式调压器1 0 k v ，1 0 0 0 k w 3 0 0 0 k w 的调压器，国 内也有用户提出供货需求。对晶闸管调压，单相2 2 0 v 7 5 0 v ，3 6 0 0 a ，2 5 0 0 k w ，三相1 5 0 0 v ， 4 0 0 0 a ，1 0 0 0 0 k w 的调压器也有市场需求【3 1 。 1 2 2 向智能化，数字化方向发展 近几年出现的智能开关调压器，采用单片机控制晶闸管零电压开关的通断，从而改变 补偿变压器的补偿电压的大小和极性，实现了无电刷、无伺服电动机和无机械传动的快速 分相自动调压。允许电网电压波动士3 0 ，稳压精度( 3 5 ) ，反应时间小于l o o m s ，就 是这方面动向的例子。而数字控制器、数字触发器都是应用单片机技术解决调压器的自动 控制，解决晶闸管可靠触发的具体事例吲。 1 2 3 向抗干扰，净化电源方向发展 1 0 余年前，美国出现了一种叫电源调节器：( p o w e r e o n d i t i o n e r ) 的产品。它像空调( a i r c o n d i t i o n e r ) 优化净化空气一样，能优化净化电源。它除了能极其快速地自动稳压之外，还 能非常有效地隔离和衰减各种电磁干扰【5 1 。与u p s ( 不间断电源) 相比，除了“断电”这种 干扰不能排除外，其它干扰( 占计算机受干扰次数9 9 5 ，断电只占o 5 几乎都能对付， 而价格比同容量u p s 要便宜得i g t 6 1 。这种产品在我们国内被翻译为“净化电源”或“抗干 扰高级稳压器”。这种产品的主要部分是在超级隔离器( 带有三重屏蔽的隔离变压器) 的初级 江苏大学硕士学位论文 绕组有若干抽头，由晶闸管零电流开关进行快速自动切换保持稳压，由超级隔离器及其它 滤波措施对各种干扰进行衰减。这种产品容量范围，单相在0 2 k w 2 0 k w ，三相在 1 0 k w - 1 5 0 k w 。电源电压波动范围4 - 2 0 ，稳压精度( 1 5 5 ) 不等，反应时间1 0 m s ， 共模噪声衰减1 2 0 d b 一1 4 0 d b ( 0 1 i o m h z ) ，差模噪声衰减4 0 d b 6 0 d b ( 1 k h z 1 0 m h z ) ，谐波 畸变率增加量 1 。过载能力为：1 0 0 过载1 0 s ，5 0 0 过载1 0 个周波，1 0 倍过载1 个周 波。功率因数o 9 5 ，输出阻抗2 0 o - - 4 ，允许负载功率因数0 6 滞后到0 6 超前，效率9 6 。 从上述指标看，这种产品是相当完美的。我们国内己有类似的产品和对这种产品的需求。 1 2 4 应用新器件、新原理、发展新型功率控制器 近几年来，国内应用m o s f e t 、i g b t 等新型力电子器件和逆变技术、斩波技术，研 究发展新型交流调压电源相当活跃7 1 。有关媒体时有论文发表。如“斩波控制交流调压电 源”，“斩波补偿式交流稳压器”，“p w m 逆变式交流稳压电源”，都是应用新器件、新原理， 结合传统技术向适用、高效、轻量、少无污染方向不断发展进步的新型功率控制器【引。 1 3 数字式交流调压器国内外研究的现状 电力电子类交流调压器是利用可控电力电子器件组成双向功率开关，把输入到负载的 正弦交流电压按一定规则周期性地接通关断，控制一个周期中的通断时间占空比，即可控 制输出到负载端的电压有效值。根据对功率开关通断控制方式，电力电子类交流调压器主 要有移相控制和斩波控制【9 1 0 1 。 晶闸管相控调压是电力电子类交流调压器用的最多的控制方式。国外研制了以微处理 器控制大功率晶闸管组件来实现无触点切换降压启动的异步电机软启动控制器，己大量投 放市场。在国内，湖南开利软启动设备厂于1 9 9 7 年完成大功率异步电机软启动控制器的 研制。但是，晶闸管是半控型器件，一旦被触发，输出电压的调整至少要延迟半个电源周 期，电压不能及时得到调整，也不能立即切断电源，而且网侧电流谐波含量高，功率因数 低，对电网造成的污染很严重。随着国内外对电力系统供电质量及可靠性的要求日益提高， 相控交流调压器的应用受到进一步的限制。为此，国内外学者提出斩波控制交流调压器。 这种调压方式的出现，克服了移相控制方式的诸多缺点，提供几乎是j 下弦的电源，更大程 度地降低对电网的谐波污染，其优越性能是相控式调压无法比拟的。加拿大学者做成了三 相2 5 k w 容量，斩波频率为l k h z 的试验装置【1 1 】。在国内，华南理工大学自动化系提出p w m 3 江苏大学硕士学位论文 斩波控制交流调压装置作为电机的控制系统，以三相交流异步电机( 额定功率：l k w ) 带风机 作负载进行了试验，验证了斩波控制交流调压的优越性能。综合目前国内外的应用水平， 在单相并且斩波频率至1 0 k h z 的前提下，斩控式交流调压器还是局限于中小功率场合。随 着电力电子技术的发展，交流斩波电路的应用不断向高压电能转换等领域扩展i l2 1 。 在交流斩波调压的控制器方面，为保持变换器的输出电压稳定，通常采用占空比控制 技术。改变占空比的调节方式常有脉宽调制( p w m ) 和脉频调锌j j j ( p f m ) 两种方式，通常采用 脉宽调制方式。当前，广泛采用p w m 发生模块( 例如u c 3 8 4 5 等) 组成p w m 控制电路，这 种控制电路具有很多优点，但也具有模拟电路固有的缺陷：元器件老化及温漂问题，系统 不灵活，只能实现一些简单的算法，精度不高等i l 3 1 。 随着快速微处理器、d s p 等先进控制器的出现和发展，在电源中运用全数字控制技术 代替原来的模拟控制器已成为可能，同时也成了电力电子技术以后发展的方向，本课题采 用单片机作为控制电路的核心。具体工作原理是：当我们输入负载需要的交流电压时，单 片机控制器根据需要电压值计算出p w m 占空比，产生p w m 波形，经由驱动电路后送入 主电路控制功率管的导通和截止，输出需要的交流电压，使其稳定工作在该工作点上。当 负载发生变化或者其他干扰使输出电压发生变化时，该系统偏离原来的稳定工作点，此时， 单片机计算实际输出电压与设定电压的偏差，然后根据p i 控制算法进行偏差控制，适当的 调整占空比的大小，修改p w m 波形，使输出稳定在新的工作点上。通过数字控制技术， 可以运用当今一些先进且成熟的控制策略从而实现良好的静、动态性能，具有精度高、开 发周期短、良好的人机界面、并能实现通讯等许多优点，对于提高产品的性能，降低成本 具有重大意义。这也是本设计的一个创新点。 综上所述，数字式交流调压技术作为一种高性能交流调压技术，符合电力电子技术高 频化、高效化以及低污染的发展趋势，并将逐步取代晶闸管相控交流调压，新器件的发展 将加速这一进程，其丰富的控制种类，多样的电子开关组合，为不同使用要求提供了高性 价比产品，是一种经济型交流调压技术【1 4 1 ，具有很好的发展前景。 1 4 电力电子技术在交流调压领域的应用 电能是目前人类生产和生活中最重要的一种能源形式。合理、高效、精确和方便地利 用电能仍然是人类所面临的重大问题。采用电力电子技术的电源装置给电能的利用带来了 革命。在世界范围内，用电总量中经过电力电子装置变换和调节的比例已经成为衡量用电 4 江苏大学硕士学位论文 水平的重要指标，目前，全球范围内该指标的平均数为4 0 ，据美国国家电力科学研究院 预测，到2 0 1 0 年将达到8 0 。这就对电源技术提出了新的挑战。总的来说，对各种各样 的功率控制装置提出的技术要求中，除了稳定性、可靠性、精确性、高效率等方面的要求 外，小型化和轻量化也是十分迫切的需求【l 引。目前解决的主要手段有高频化、元器件和结 构的小型化。上世纪8 0 年代，提出了调压器制造中电力电子集成概念，明确了集成化是 电力电子技术未来发展的方向，是解决电力电子技术发展面临障碍的最有希望的出路【i 6 1 。 1 5 课题研究的目的和意义 目前，我国某些地区电网供电质量较差，电网电压波动范围较大。电网电压波动对敏 感性负载，如计算机、通信设备等影响很大，有可能导致这些系统有效数据丢失、通信中 断等严重后果。因此，调节电网电压对敏感性负载的正常运行是很重要的。目前，工频交 流调压器在工业加热、照明控制、感应电机的软启动、风机和水泵的速度控制等方面得到 了广泛应用，在实际应用中大多数采用的是传统的相控式交流调压器，采用的开关器件为 晶闸管【l7 1 。它们的优点是控制电路简单、功率容量大，缺点是当控制角增大时，功率因数 减小，电流中谐波的幅值相对大，滤波器体积大【1 8 】。采用p w m 型数字式交流调压器可以 克服上述缺点。 市场上的开关型交流调压器产品一般采用相控交流交流变换器加隔离升压变压器结 构。由于采用了各周期相控技术，其响应时间可以小于一个电网电压周期。但其输出电压 和电流的谐波含量较高，需要较大容量的滤波环节，并且输入功率因数较低。从国内外的 研究现状来看，交流斩波调压控制技术是一种新型高性能交流调压技术【1 9 1 。 国内目前的晶闸管调压器中触发脉冲电路大部分为模拟电路元件形式，易受电网电压 影响，触发脉冲的不对称较高，使负载输出电压正、负面积不对称，有直流分量，且无法 实时检测电路工作电压、电流值。鉴于这些原因，为提高该部分性能设计了单片机控制的 数字式交流调压器，该触发器控制精度优于1 ，变压器次端电压变化率优于0 1 v 。根据 按键设置，可工作在电流负反馈或电压负反馈方式下，具有完善的保护功能，可时时显示 负载的工作电压、电流、故障状态等。提高了电路的性能，同时可用于其他需要交流调压、 调功的场合1 2 们，具有很好的性能。 采用交流斩波方式的交流调压器直接联结于交流电源和负载之间，电压调节装置的容 量一般大于负载容量，功率开关元件的容量也较大。因而它适用于改善中小容量用电设备 江苏大学硕士学位论文 的供电条件2 1 1 。 1 6 本课题所做的工作 论文主要工作有以下几个方面： l 、从理论方面( 主要是谐波分析方面) 详细阐述了斩波调压的理论原理。根据数字斩控式 交流调压器输出电压的特点，利用自然采样调制的分析方法，对调压器输出电压进行了定 量的分析，并得出了输出电压频率成分与电子开关频率、输入电压频率以及占空比之间的 定量关系； 2 、对比几种斩控式交流调压电路的主拓扑结构的优缺点，确定本课题的主电路拓扑结构， 并分析设计了触发电路和继电器输出电路； 3 、本课题针对斩波调压的方法对阻性及感性负载的控制中存在的问题，采用电压、电流 检测的控制方式。设计了电压、电流过零点检测电路；在分析了s c r 驱动的特殊问题以及 s c r 在主电路中的位置的基础上，利用继电器a p a 3 3 1 l 芯片设计了s c r 的驱动电路； 4 、介绍了传统的数字p i d 控制，在此基础上，在环路控制中采用模糊p i d 控制，在抗 干扰方面采用数字滤波技术； 5 、d s p i c 3 0 f 6 0 1 4 a 单片机作为核心控制器件，用软件编程的方法来产生s c r 的驱动信号， 并通过检测电压、电流的过零点检测电路的信号，来实现非互补控制； 6 、软、硬件电路调试。 6 江苏大学硕士学位论文 第二章数字式交流调压器的控制原理及控制电路的设计 2 1 斩控式交流调压器与相控式交流调压器的比较 2 1 1 相控式交流调压器原理 相控交流调压器是通过控制主电路中电力电子开关器件在电源电压正负半周的起始 导通时刻( 即相位角0 【) 来改变施加于负载上的电源电压的大小，实现对负载电压有效值的控 制。与斩控式相比，负载性质对电路的工作情况有较大的影响，下面分别对纯电阻负载进 行分析。相控式交流调压器的波形如图2 1 所示。 lz l f = 2 u s i n w t 价2 丌 0 4 趸k iz w 7 ：万一a7 i 斗兰：i i i i i iii i 树| ：量。 0 c ； 厦ki 面 ：、口：万一a7 ：u 图2 1 电阻负载波形 在交流电源的正半周w t = 0 【时触发导通t l 、导通角秒= 万一0 【。在负半周w t = 万+ 0 c 时 触发导通乾，导通角秒= 万一0 【。负载端电压蜘、电流i o 如图2 1 所示。这时负载电压u o ， 电流i o 为正弦波的一部分，宽度为7 c 一仅，负载电压有效值为为 u o =( 2 一1 ) 随着控制角的增大，负载电压减小，控制角的移相范围为0 仅 r 2 0 所以u 1 的3 脚和u 2 的2 脚约等于0 。r 2 1 、c 3 0 组成输出r c 低通滤波 器，r 2 2 为上拉电阻。 2 6 3 电流过零点检测电路 本论中使用t a l 7 - 1 2 精密电流互感器对电流进行检测，t i l l 7 系列电流互感器采用优质 坡膜合铁芯，进口环型绕线机绕制使线性度优于1 。，典型应用电路如图2 - 1 4 所示。 耐 图2 1 4 电流互感器典型应用图 输入电流时次级会产生一个与变比相应的输出电流，在输出端并接电阻得到取样电 压，取样电阻应小于1 0 0 1 l ，再通过运算放大电路将转换的电压信号放大。电流过零点检 测与电压过零点检测工作原理相同。 砺甜：，2 r o 丝 ( 2 2 0 ) 2 6 4 电压参考电路设计 电压参考电路如图2 1 5 所示，电压参考电路是将输入的3 3 v 电压经过两级运放变成 1 5 v 的电压。图中运算放大器为l m l 2 4 ，运算放大器的电源电压为1 5 v 。 第一级运放输出电压为 u i = 一生u ( 2 2 1 ) r i 第二级运放输出电压为 ：一r , u l ( 2 2 2 ) r 4 式中u = 3 3 儿经计算输出电压尸1 5 v o 2 0 江苏大学硕士学位论文 2 7 继电保护输出电路设计 = 图2 - 1 5 电压参考电路 晶闸管具有一定的过载能力。调压器所采用的晶闸管正常工作电流为4 a ，提供过载电 流为6 a ，时间为1 0 s 。可见，对于晶闸管调压器应设置保护。本课题使用a p a 3 3 11 继电器 作为继电保护输出电路。 晶闸管继电保护原理框图，如图2 一1 6 所示。电压形成回路是从励磁回路中取出电流 信号，一般采用串电阻方法，其阻值取回路电阻的1 左右，通过强励电流约为2 1 v ，通 过正常工作电流2 a 时，电压降为o 7 v 。这个电压信号直接加到监幅器上，其起动值为2 v 。 一旦监幅器动作，使时限电路工作，其延时时间整定为3 s 。当延时时间到，使执行开关管 导通，把调压器的晶闸管的触发脉冲短接，从而晶闸管失去触发脉冲而关断。 电 监 厂 压 卜 幅 一时阳由辫l a p a 3 31 1 继电 形 v“1 限吧明卜 7 器 么、 靠 器 成 发 图2 - 1 6 继电保护输出电路框图 为了保护电路工作可靠，该电路还采用了延时恢复特性。 2 8 输出滤波器设计 冲 数字斩控式交流调压器的输入、输出电压中含有高次谐波，这些高次谐波会对电网造 成较大的谐波污染，同时高次谐波可能会产生电磁干扰导致周围的一些电子设备、计算机 2 l 江苏大学硕士学位论文 类敏感负载、通讯系统等不能正常工作。因此滤波器的设置和设计具有重要的意义。 由2 1 节可知，输出电压所包含的频率成分与电子开关频率和输入电压频率办有关， 在够的左右成对出现，每一对谐波成分幅值相等。对于用于工频的斩控式交流调压器， 即工频角频率( w r n = 2 万5 0 h z ) ，要比w s 低得多，通常关在5 k h z 以上，这样谐波成分的频 率比基波成分大得多，这为输出电压的滤波创造了有利条件。，越高谐波频率就越高，进 行滤波较容易。而且越高谐波频率就越高，在进行低通滤波时滤波元件的参数就越小， 更容易实现，输出滤波器常用l c 低通无源二阶滤波器。 l 、滤波器拓扑结构及数学模型 i 图2 - 17l c 滤波器拓扑结构 若不计电感线圈的内阻及电容器的漏电阻，传递函数为 u o ( s ) ：! ( 2 2 3 ) 。一 一 u ( 刚一1 is 2 + 鸳s + 1 式中：认为u ( s ) 为滤波器输入电压；矾( s ) 为滤波器输出电压；讹= 了厉1 为谐振频率； 毛= 土2 r 三c 为阻尼系数； s 为拉普拉斯算子。 2 、滤波器参数的确定 ( 1 ) 从系统对控制对象频率特性的要求选择滤波器的l ，c 在本课题中， = 5 0 h z ，= 5 k h z ，谐波中最低的频率f i , , ( m i n ) = 4 9 5 0 h z 。为了使滤波 器输出电压接近正弦波同时又不会引起谐振问题，l c 滤波器的截止频率乒必须要远小于 输出电压中所含有的最低次谐波频率，同时又要远大于基波频率。l c 截止频率五选为： 1 0 五 ，也即偏差l p ( f ) l 比较大时，为了避免过大的超调，又使系统有较快的响 应速度，采取比例控制，比例系数取为k p l ，控制输出为 “( 尼) = 五0 l e ( 尼) ( 3 1 2 ) 3 、当l p ( ，) l 缸：，在这种条件下，设定一阙值z ，一 o ，当l “( 后) l a u m “时，p i 控制输出为 ”( 七) = 甜( 尼一1 ) + a a u 。 ( 3 1 3 ) 甜( 七) = z f ( 七) 一甜( 七一1 ) ( 3 1 4 ) = ( k p 2 + k o e ( k ) - k e 2 e ( k - 1 ) 在这里么按下式取值 a = l当u o u o 。 当j 甜( 后) i 甜一时，由式3 1 1 ，可得p i 控制的输出为 “( 后) = u ( k 一1 ) + ( 缸2 + k a ) e ( k ) - k e 2 e ( k - 1 ) 3 2 模糊控制理论与模糊控制器设计 ( 3 - 1 5 ) ( 3 - 1 6 ) 传统的模拟交流调压器大都采用p i d 控制，然而往往由于实际工业生产过程的非线性 和时变不确定性，应用常规p i d 控制不能达到理想的控制效果，而且传统交流调压器不具 有调功功能，存在人机界面差，操作复杂等缺点。本课题设计的系统在电压环采用了模糊 p i d 控制方式，既能发挥模糊控制不需要建立精确的数学模型、鲁棒性强、动态响应好、 上升时间快、超调小的特点，又具有p i d 控制器的动态跟踪品质和稳态精度，兼顾了静态与 动态特性，在实际应用中取得了良好效果。模糊控制器的详细设计见4 4 2 节。 3 2 1 模糊控制器的设计方法 模糊控制系统的核心是模糊控制器，模糊控制器靠软件编程来实现【4 9 1 。实现模糊控制 2 7 江苏大学硕士学位论文 的一般步骤是：首先通过传感器采集被控对象输出信号的精确值，然后将该精确值与给定 值相比较得到误差信号e ，把误差信号e 的精确值进行模糊化变成模糊量，从而得到了误 差e 的模糊语言集合的一个子集e ，e 此时实际上是一个模糊向量，最后，由e 和模糊控 制规则r ( 模糊关系矩阵) 根据推理的合成规则进行模糊决策【5 0 l ，这样就可以得到模糊控 制向量u 为 甜= e r ( 3 - 1 7 ) 为了对被控对象实施精确的控制，还必须把模糊量转换为精确量( 非模糊化) u ，再 经d a 转换为模拟量去控制执行机构采取相应的动作【5 1 1 。上述模糊控制算法的工作过程也 可以用图3 1 所示的方框图形象地表示出来。 模糊控制器 图3 - 1 模糊控制系统的结构框图 一般而说，设计模糊控制器主要包括以下几项内容： 1 、确定模糊控制器的输入变量和输出变量。 2 、归纳和总结模糊控制器的控制规则。 3 、确定模糊化和非模糊化的方法。 4 、选择论域并确定有关参数。 5 、模糊控制器的软、硬件实现。 6 、合理选择采样时间。 3 2 2 模糊控制器的结构设计 在手动控制过程中，人对误差、误差的变化以及误差变化的速率这三个信息的敏感程 度是完全不同的旧【5 3 1 。比如，在往空桶中放水时，人对水面高度离桶上边的距离( 误差) 比较敏感；而对液位差减小的速度就比较迟钝；对液位差减小速度的变化率就很难感觉出 来【5 4 】【5 5 1 。由于模糊控制器的控制规则往往是根据手动控制的大量实践经验总结出来的，因 此模糊控制器的输入变量自然也可以有三个：即误差、误差的变化和误差变化的速率；而 输出变量则一般选择为控制量的变化，即增量1 5 6 1 。 2 r 江苏大学硕士学位论文 ( 口) 岈 模糊控制器 曩 模糊控制器 图3 - 2 模糊控制器一般结构形式 ( a ) 一维；( b ) 二维；( c ) 三维 通常将模糊控制器输入变量的个数称为模糊控制的维数。常见的模糊控制器的结构有 三种形式，如图3 2 所示。从理论上讲，模糊控制器的维数越高，控制的效果也越好，但 是维数高的模糊控制器实现起来相当复杂和困难。而维数低的模糊控制器，控制效果又不 理想，因此，目前大都使用二维模糊控制器，其控制精度一般可以满足要求5 7 1 。 3 2 3 模糊控制规则设计 模糊控制规则的设计是设计模糊控制器的关键，具体的设计内容一般包括以下三个部 分： 1 、选择描述输入输出变量的词集一般要求词集中词汇少，并且利用这些词汇又可 以对各种自然现象进行准确的描述。 模糊控制器的控制规则一般表示为一组模糊条件语句。在条件语句中用于描述输入输 出变量状态的词汇的集合，称为这些变量的词集，亦称变量的模糊状态。 一般选用“大、中、小 三个词汇来描述输入输出变量的状态。由于人的行为在正、 负两个方向的判断基本是对称的，将大、中、小再加上正、负两个方向( 极性) 并考虑零 状态，这样一共就有七个词汇，即 负大、负中、负小、零、正小、正中、正大) 或用英文词头缩写的形式表示为： n b ，n m ，n s ，0 ，p s ，p n ，p b 对误差的变化这个输入变量，在选择描述其状态的词汇时，常常将“零”分为“正零” 2 9 江苏大学硕士学位论文 和“负零”，以表示误差的变化在当前是“增加趋势还是”减少”趋势。于是词集中又增加 了负零和正零，即 负大、负中、负小、负零、正零、正小、正中、正大) 缩写为： n b 、n m 、n s 、n o 、p o 、p s 、p n 、p b ) 2 、定义各模糊变量的模糊子集由于模糊变量没有明确的外延，如何用具体的数据 来刻画一个模糊变量的性质，这就是模糊子集的确定问题。对模糊子集的理想要求是它必 须客观地反映实际情况。 定义一个模糊子集，实际上就是要确定模糊子集隶属函数曲线的形状。将确定的隶属 函数曲线离散化，就得到了有限个点上的隶属度，便构成了一个相应的模糊变量子集。 3 、建立模糊控制器的控制规则模糊控制规则应该是人们在手动控制过程中经过长 期操作实践，不断修j 下完善后的一套行之有效的控制策略。 模糊控制器的控制规则是以手动控制策略为基础的。它利用模糊集合理论将手动控制 策略上升为具体的数值计算，根据推理运算的结果做出相应的控制动作，使执行机构控制 被控对象的运行。 要建立模糊控制器的控制规则，就是要利用语言来归纳手动控制过程中所使用的控制 策略。手动控制策略一般都可以用“i f t h e n 形式的条件语句来加以描述。 通过模糊关系，就可以总结出在控制操作时所使用的控制策略，得到模糊控制规则表。 选取控制量变化的原则是，当误差大或较大时，选择控制量以尽快消除误差为主；而当误 差较小时，选择控制量要以防止超调，保证系统的稳定性为主。 3 2 4 精确量与模糊量之间的相互转换 由图3 1 所示的模糊控制系统的方框图可知，模糊控制器的输入与输出信号均是精确 量，而进行模糊推理需要模糊量，这样就需要在模糊控制算法实现过程中，能够进行精确 量与模糊量之间的相互转换【5 引。 1 、模糊化方法 将精确量( 实际上是数字量) 转化为模糊量的过程称为模糊化或称模糊量化。模糊化 一般采用的方法有两种： 把精确量离散化如把在【- 6 ，6 】之间变化的连续量分为7 个档次，每个档次对应 一个模糊集，这样处理使模糊化过程比较简单。否则，将每一精确量对应一个模糊子集， 3 0 江苏大学硕士学位论文 有无穷多个模糊子集，使模糊化过程复杂化。 表3 1 模糊化量化表 语言变量 6543_ 210123456 p b0oo00000o0 10 40 81 o p m00 00000oo 2 0 71 0o 7o 2 p s0ooo000o 91 00 7o 2o0 000o0o0 5lo 5o0000 n so0o 2o 71 o0 9o00 oooo n m0 2o 71 0o 70 2o 0 0oo0oo n b1 0o 80 40 100000o00o 如表3 1 所示，在 - 6 ，6 区i n j 离散化了精确量与表示模糊语言的模糊量建立了对应关 系，这样，就可以将【- 6 ，6 1 之间的任意精确量用模糊量y 来表示。如在6 附近称为负大， 用n b 表示；在一4 附近称为负中，用n m 表示；如果y = 一5 时，这个精确量没有在档次上， 但是由于 u n m ( - - 5 ) = 0 7 ，u n s ( - - 5 ) = o 8 ，“加 z f 埘 ( 3 - 1 8 ) 因此5 用n b 表示。 如果精确量x 的实际变化范围为 a ，b ，将 a ，b 】区间的精确量转换为【一6 ，6 】区间变化 的变量y ，采用如下公式 1 2 x 一掣】 。1 劝 。 ( b a ) 第二种方法比较简单，它是将在某区间的精确量x 模糊化成这样的一个模糊子集， 它在点x 处的隶属度为1 ，除x 点外其余各点的隶属度均取0 ，显然这种模糊化方法相对 粗略一点。 2 、模糊量到精确量的转换方法 模糊控制器的输出是一个模糊量，这个模糊量不能用于控制执行机构，还需要把这个 模糊量转化为一个精确量，这种转换过程称为清晰化，或者称为非模糊化，也称为判决。 一般而言，非模糊化方法有三种： 选择最大隶属度方法 最大隶属度法是指在推理结论的模糊集合中选取隶属度最大的元素作为精确控制量 江苏大学硕士学位论文 的方法。如果论域上多个元素同时出现最大隶属度值，则取它们的平均值作为解模糊判决 的结果3 3 l 。设存在模糊集合c ，所选择的隶属度最大的元素u 应满足： 甜。( 甜) 甜。( z f ) ，“u ( 3 2 0 ) 重心法 它取模糊推理输出模糊集合隶属函数曲线与横坐标轴所围成面积的重心作为代表点， 即： i x , u n ( x ) d x ( 3 2 1 ) 甜= 7 一 i # n ( x ) d x 当输出变量的隶属函数为离散单点集时，则为： “= 宅搿 。2 2 系数加权平均法 系数加权平均法是指输出模糊集合中各元素进行加权平均后的输出值作为输出执行 量，其值为： 陬( x ) ( 3 2 3 ) i 后( x ) 当输出变量为离散单点集时，则为： 甜= 皆 。乏4 这里的加权系数俐、岛的选择要根据实际情况确定，不同的加权系数决定不同的相应 特性。当该系数选择尼( x ) = 脚( 石) 或量= 肌( 薯) ( 即为其隶属度) 时，就归为重心法【5 9 1 。 3 2 5 量化因子和比例因子的选择 在实现模糊控制算法时，通过每隔一定时间( 采样周期) 采样被控对象的输出信号( 数 字量) 后，把该数字量和内部数字设定信号( 参考输入信号) 进行比较就得到当前的输入 变量信号( 误差信号) 。通过前后两次采样对应的误差信号除以时间间隔就是误差变化率 信号。为了进行模糊运算，必须把这两个精确量转换为模糊集的论域中的某一个相应的值。 这实际上就是要进行基本论域( 精确量) 到模糊集的论域( 模糊量) 的转换，这种转换过 3 2 江苏大学硕士学位论文 程的实现就需要引入量化因子的概念。 通常可以定义误差的