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1、(10)申请公布号 CN 102299656 A(43)申请公布日 2011.12.28CN102299656A*CN102299656A*(21)申请号 201110265846.4(22)申请日 2011.09.08H02M 7/48(2007.01)H02M 7/5387(2007.01)(71)申请人天津理工大学地址 300384 天津市西青区宾水西道391号(72)发明人周雪松 梁芳 马幼捷 陈浩刘思佳(74)专利代理机构天津天麓律师事务所 12212代理人王里歌(54) 发明名称一种基于自抗扰控制技术的逆变器控制系统及其控制方法(57) 摘要一种基于自抗扰控制理论的逆变器控制系统，
2、它是由采样电路、驱动电路、ADRC控制器、I/O转换模块及PWM发生器组成；其控制方法为：建立控制量模型、采集信号到自抗扰控制器、得出控制规律、控制信号输出；其优越在于：1.它对非线性、复杂系统具有较好的控制品质，并具有良好的抗干扰能力；2.超调小、过渡过程短的特点，在很大范围内可以适应对象模型和周围环境的变化，且不影响控制器的控制品质，具有很好的鲁棒性。(51)Int.Cl.(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请权利要求书 2 页 说明书 4 页 附图 1 页CN 102299666 A 1/2页21.一种基于自抗扰控制理论的逆变器控制系统，包括由直流电源、有VT1管、VT
3、2管、VT3管、VT4管的逆变器和负载组成的主电路，其特征在于它包括采样电路、驱动电路、ADRC控制器、I/O转换模块及PWM发生器；其中，所述采样电路的输入端采集主电路中负载的电压信号，其输出端连接I/O转换模块的输入端；所述ADRC控制器的输入端接收由I/O转换模块发出的信号，其输出端连接PWM发生器的输入端；所述驱动电路的输入端连接PWM发生器的输出端，其输出端输出驱动信号送入逆变器实现对其的控制。2.根据权利要求1中所述一种基于自抗扰控制理论的逆变器控制系统，其特征在于所述I/O转换模块及PWM发生器均采用了DSPACE公司的DSP控制板DS1102作为主控单元。3.一种基于自抗扰控制
4、理论的逆变器的控制方法，其特征在于由以下步骤组成：(1)首先，从主电路逆变器的性能出发，以微分形式表示逆变器的特性，得到控制量：式中：X(t)-n维变量；u-控制输入；A(t)，B(t)-系数矩阵，包含了逆变器的各个参数值(如电感、电容、负载电阻等)；-电感、电容的寄生电阻和电路内外的干扰；u1时表示逆变器中VT1管和VT4管导通，u0时表示VT2管和VT3管导通，此时可以得到状态方程：当u1时，当u0时，进而得到逆变电路模型是一个双输入、单输出二阶系统，两个输入量分别是输入电压udc和负载电流i0，u体现了控制作用，i0视为扰动。对于任一输入量，v0输出电压都是可控的；(2)由控制电路中的采
5、样模块从主电路中采集到电流信号经过I/O转换送入自抗扰控制器。自抗扰控制只需检测输入和输出电压，以任意给定的v0*为ADRC的参考输出，u为控制输入量，控制的目的是要达到使系统输出v0能跟踪给定值v0*，则得出自抗扰控制方法为：权 利 要 求 书CN 102299656 ACN 102299666 A 2/2页3(3)调整自抗扰控制算法中各部分参数，即调整跟踪微分器(TD)参数，使其能够快速准确的跟踪输出信号及其微分，为状态误差信号及其微分的提取提供基础；(4)调整扩张状态观测器(ESO)的参数，估计出系统状态量及扰动量；(5)调整非线性反馈控制律的参数使闭环系统达到理想的效果，最后将其输出送
6、入PWM发生器产生出发信号通过驱动电路驱动逆变器工作。权 利 要 求 书CN 102299656 ACN 102299666 A 1/4页4一种基于自抗扰控制技术的逆变器控制系统及其控制方法( 一 ) 技术领域 ：0001 本发明涉及一种逆变器领域，尤其是一种基于自抗扰控制技术的逆变器控制系统及其控制方法。( 二 ) 背景技术 ：0002 PWM方法控制逆变器，具有调频调压方便、低次谐波小、主电路结构简单、重量轻、造价低、控制和分析方便等优点。PWM型逆变器是由功率级电路和控制电路组成的闭环系统。电路拓扑和所采用的控制策略决定了系统的性能，因此研究控制策略至关重要。传统线性反馈控制等常规控制方
7、法对逆变器无法取得满意的效果。比如采用PID控制，有较快的动态响应和较强的鲁棒性，但是数字化之后，由于电路的非线性，其稳态输出特性差；采用无差拍控制策略，有较好的稳态输出特性及较快的动态响应，但是系统参数出现较大的波动，而且系统建模一般不准确，特别是在时变负载时，系统将出现很强的振动。纵观电力电子非线性系统，现有控制很难得到满意的效果。0003 自抗扰控制技术是中科院研究员韩京清先生于近年来首次提出的一种非线性鲁棒控制技术，针对复杂工业对象PID控制器不易满足高性能要求的缺点，为了改善PID控制器在强干扰及非线性系统中的控制效果，韩先生在改进非线性PID控制器的基础上提出了自抗扰控制的理念。自
8、抗扰控制器包括跟踪微分器、扩张状态观测器和扰动补偿、状态误差的非线性反馈规律等。基于扩张状态观测器的自抗扰控制，是一种非线性鲁棒控制技术，它用配置非线性结构替代极点配置进行控制系统的设计，依靠期望轨迹与实际轨迹的误差大小和方向实施非线性反馈控制，是一种基于过程误差来减小误差的方法。自抗扰控制器不依赖于被控对象精确的数学模型，算法简单，在未知强非线性和不确定强干扰作用下仍能保证控制精度，显示出良好的工程应用前景。( 三 ) 发明内容 ：0004 本发明的目的在于提供一种基于自抗扰控制技术的逆变器控制系统及其控制方法，它可以克服现有技术的不足，是一种结构简单的系统，其控制方法简单易行，既能对系统模
9、型中的不确定因素和外部干扰进行动态观测，又不影响控制器的控制品质，具有良好鲁棒性和较强的适应能力。0005 本发明的技术方案：一种基于自抗扰控制理论的逆变器控制系统，包括由直流电源、有VT1管、VT2管、VT3管、VT4管的逆变器和负载组成的主电路，其特征在于它包括采样电路、驱动电路、ADRC控制器、I/O转换模块及PWM发生器；其中，所述采样电路的输入端采集主电路中负载的电压信号，其输出端连接I/O转换模块的输入端；所述ADRC控制器的输入端接收由I/O转换模块发出的信号，其输出端连接PWM发生器的输入端；所述驱动电路的输入端连接PWM发生器的输出端，其输出端输出驱动信号送入逆变器实现对其的
10、控制。0006 I/O转换模块及PWM发生器均采用了DSPACE公司的DSP控制板DS1102作为主控单元。说 明 书CN 102299656 ACN 102299666 A 2/4页50007 一种基于自抗扰控制理论的逆变器的控制方法，其特征在于由以下步骤组成：0008 (1)首先，从主电路逆变器的性能出发，以微分形式表示逆变器的特性，得到控制量：0009 0010 式中：X(t)-n维变量；0011 u-控制输入；0012 A(t)，B(t)-系数矩阵，包含了逆变器的各个参数值(如电感、电容、负载电阻等)；0013 -电感、电容的寄生电阻和电路内外的干扰；0014 u1时表示逆变器中VT1
11、管和VT4管导通，u0时表示VT2管和VT3管导通，此时可以得到状态方程：0015 当u1时，当u0时，进而得到逆变电路模型是一个双输入、单输出二阶系统，两个输入量分别是输入电压udc和负载电流i0，u体现了控制作用，i0视为扰动。对于任一输入量，v0输出电压都是可控的；0016 (2)由控制电路中的采样模块从主电路中采集到电流信号经过I/O转换送入自抗扰控制器。自抗扰控制只需检测输入和输出电压，以任意给定的v0*为ADRC的参考输出，u为控制输入量，控制的目的是要达到使系统输出v0能跟踪给定值v0*，则得出自抗扰控制方法为：0017 0018 0019 (3)调整自抗扰控制算法中各部分参数，
12、即调整跟踪微分器(TD)参数，使其能够快速准确的跟踪输出信号及其微分，为状态误差信号及其微分的提取提供基础；0020 (4)调整扩张状态观测器(ESO)的参数，估计出系统状态量及扰动量；0021 (5)调整非线性反馈控制律的参数使闭环系统达到理想的效果，最后将其输出送说 明 书CN 102299656 ACN 102299666 A 3/4页6入PWM发生器产生出发信号通过驱动电路驱动逆变器工作。0022 本发明的工作原理为：针对逆变器控制系统的特点，将自抗扰控制技术应用于逆变器的控制中，它利用其扩张状态观测器，将系统模型中的不确定因素和外部干扰进行动态观测，当作一个虚拟的状态量进行估计，通过
13、非线性反馈，在控制输入中消掉该项虚拟的状态量，即自动消除扰动，并利用逆变器交直流两侧参量之间的物理关系确定ADRC的三个基本组件的参数，通过调参，达到良好的控制效果。0023 本发明的优越在于：1.它对非线性、复杂系统具有较好的控制品质，并具有良好的抗干扰能力；2.将自抗扰控制技术用于逆变器控制中，具有超调小、过渡过程短的特点，在很大范围内可以适应对象模型和周围环境的变化，且不影响控制器的控制品质，具有很好的鲁棒性。( 四 ) 附图说明 ：0024 图1为本发明所涉一种基于自抗扰控制技术的逆变器控制系统的整体结构框图；0025 图2为本发明所涉一种基于自抗扰控制技术的逆变器控制系统的控制逆变器
14、的电路原理图；0026 图3为本发明所涉一种基于自抗扰控制技术的逆变器控制系统的基于自抗扰技术的逆变器原理图。0027 其中，L和C表示滤波电感和滤波电容，udc和v0分别是输入电压和输出电压，iL通过电感的电流，iC通过电容的电流，i0是流过负载的电流，R(t)是时变负载，u表示控制量。( 五 ) 具体实施方式 ：0028 实施例：一种基于自抗扰控制理论的逆变器控制系统(见图1)，包括由直流电源、有VT1管、VT2管、VT3管、VT4管的逆变器和负载组成的主电路，其特征在于它是由采样电路、驱动电路、ADRC控制器、I/O转换模块及PWM发生器组成；其中，所述采样电路的输入端采集主电路中负载的
15、电压信号，其输出端连接I/O转换模块的输入端；所述ADRC控制器的输入端接收由I/O转换模块发出的信号，其输出端连接PWM发生器的输入端；所述驱动电路的输入端连接PWM发生器的输出端，其输出端输出驱动信号送入逆变器实现对其的控制。0029 I/O转换模块及PWM发生器均采用了DSPACE公司的DSP控制板DS1102作为主控单元。0030 一种基于自抗扰控制理论的逆变器的控制方法，其特征在于由以下步骤组成：0031 (1)首先，从主电路逆变器的性能出发，以微分形式表示逆变器的特性(见图2、图3)，得到控制量：0032 0033 式中：X(t)-n维变量；0034 u-控制输入；0035 A(t
16、)，B(t)-系数矩阵，包含了逆变器的各个参数值(如电感、电容、负载电阻等)；0036 -电感、电容的寄生电阻和电路内外的干扰；说 明 书CN 102299656 ACN 102299666 A 4/4页70037 u1时表示逆变器中VT1管和VT4管导通，u0时表示VT2管和VT3管导通，此时可以得到状态方程：0038 当u1时，当u0时，进而得到逆变电路模型是一个双输入、单输出二阶系统，两个输入量分别是输入电压udc和负载电流i0，u体现了控制作用，i0视为扰动。对于任一输入量，v0输出电压都是可控的；0039 (2)由控制电路中的采样模块从主电路中采集到电流信号经过I/O转换送入自抗扰控制器；自抗扰控制只需检测输入和输出电压，以任意给定的v0*为ADRC的参考输出，u为控制输入量，控制的目的是要达到使系统输
