学位论文 > 优秀研究生学位论文题录展示

Buck型逆变器高阶系统布尔型滑模控制及反馈线性化最优控制研究

作　者: 陈江辉
导　师: 谢运祥
学　校: 华南理工大学
专　业: 电力电子与电力传动
关键词: Buck型逆变器 滑模变结构控制 软开关 微分几何 状态反馈精确线性化 最优控制 无源性控制
分类号: TM464
类　型: 博士论文
年　份: 2010年
下　载: 404次
引　用: 0次
阅　读: 论文下载
 

内容摘要


随着电力电子技术的飞速发展,逆变器在国防、通讯、工业和交通运输等领域的应用越来越广泛,且在新型能源产业发展中具有广阔的应用前景,因此对逆变器的要求也越来越高。针对传统逆变器性能上所存在的不足,人们从主电路或控制策略入手改善和提高逆变器的性能指标,其中由直流变换器构成的逆变器具有独特优势,人们对它越来越重视,成为逆变器的研究热点。同时直流变换型逆变器是一类典型的开关非线性系统,将传统控制理论应用于这类系统具有较大的局限性,其动态响应及控制精度不尽如人意。因此将非线性控制理论引入到逆变器的控制策略中,提高逆变器控制性能,具有重要的理论意义和实际意义。滑模变结构控制(简称滑模控制)本质上是一类特殊的非线性控制技术,其具有稳定范围宽、动态响应快、对参数变化和扰动不敏感等优点。从逆变器本身的开关工作特性来看,它正是周期性的变结构系统,因此滑模变结构控制方法是对它具有强适用性的控制方式。本文在总结和归纳现有的逆变器控制技术基础上,围绕逆变器的滑模控制技术展开研究,提出了基于逆变器高阶系统布尔型滑模控制策略,并将其应用到Buck型逆变器(单Buck型逆变器和双Buck型逆变器)中,取得了非常好的控制效果,拓展滑模控制方法在逆变器中的应用。本文深入研究基于Buck型DC-DC变换器实现逆变器的方法和理论,系统地分析了电路拓扑、等效电路模型和数学模型;给出基于类似Lyapunov函数的布尔型滑模控制方法的理论分析。针对单Buck型逆变器,提出了一种带有源缓冲电路软开关单Buck逆变器,建立了三阶系统状态空间平均法模型,构建了全状态变量滑模切换函数,给出了基于类似Lyapunov函数布尔型滑模控制的实际控制律推导过程。数值仿真和实验结果表明该带有源缓冲电路单Buck型逆变器提高了系统效率,同时验证单Buck型逆变器所采用布尔型滑模控制的正确性和可行性。另外针对双Buck型逆变器,应用状态空间平均建模法,建立了双Buck型逆变器的四阶系统模型,构建其全状态二阶滑模切换函数,同样采用基于类似Lyapunov函数指标的布尔型滑模控制策略,对系统进行分析得出实际控制律,数值仿真和实验验证了理论分析的正确性。最后对Buck型逆变器各阶系统的布尔型滑模控制策略进行了比较分析。基于微分几何理论的反馈精确线性化非线性控制方法近年来引起了大量研究者的关注,这种方法的核心思想是把一个非线性系统通过状态变换成一个完全或者部分线性系统,因此能够应用线性系统控制的技巧;该方法已经成功地用于解决电力系统、电机控制和电力电子直流变换器控制领域,然而这些研究都没有涉及到逆变器非线性系统。本文将微分几何理论应用于逆变器控制中,提出了基于Buck型逆变器的状态反馈线性化非线性控制策略,该控制策略是建立在Buck型逆变器非线性数学模型的基础上,采用状态反馈精确线性化的方法推导出线性系统模型,并辅以成熟线性控制理论,获得良好控制效果,是非线性控制理论应用于逆变器领域的一个新尝试。本文简要介绍了反馈线性化非线性控制的基本理论,详细分析了开关变换器反馈线性化特性,给出了非线性系统实现状态反馈线性化的条件和反馈精确线性化的设计步骤。以Buck型逆变器为研究对象,对其进行建模分析,得到适用于微分几何理论的仿射非线性模型,应用微分几何理论分析了Buck型逆变器状态反馈精确线性化的充要条件,同时分别推导出单Buck型逆变器和双Buck型逆变器的坐标变换矩阵,将原非线性系统转化为线性系统。针对Buck型逆变器的线性系统,分别采用二次型指标最优控制策略与在其基础上的无源性指标最优控制策略导出两种控制策略的加权矩阵Q和R,得出相应线性反馈控制律,在此基础上得出原非线性系统的反馈控制律。数值仿真结果表明采用非线性控制策略所构建的反馈系统具有良好的稳定特性,同时动态响应特性得到明显的改善,使得微分几何理论在逆变器控制系统中的应用具有一般性理论和实际应用意义。最后就单Buck型和双Buck型逆变器,对状态反馈精确线性最优控制策略和高阶系统布尔滑模控制策略进行了比较分析。

全文目录


摘要  5-7
Abstract  7-15
第一章 绪论  15-36
  1.1 课题的背景及研究意义  15-17
  1.2 逆变器技术的研究现状  17-22
    1.2.1 逆变器技术的发展  17
    1.2.2 逆变器传统拓扑的研究现状  17-20
      1.2.2.1 推挽式逆变器  17-18
      1.2.2.2 桥式逆变器  18-19
      1.2.2.3 多电平逆变器  19
      1.2.2.4 高频链环节逆变器  19-20
    1.2.3 基于DC-DC 直流变换器新型逆变器的拓扑研究背景  20-22
      1.2.3.1 组合DC-DC 直流变换器逆变器拓扑  20-21
      1.2.3.2 单DC-DC 变换器逆变器拓扑  21-22
  1.3 逆变器软开关技术的研究现状  22-25
    1.3.1 带有损缓冲电路逆变器  23
    1.3.2 带无损缓冲电路逆变器  23-24
    1.3.3 直流谐振环逆变器  24-25
    1.3.4 极谐振逆变器  25
  1.4 逆变器闭环控制技术的研究现状  25-32
    1.4.1 PID 控制技术  25-26
    1.4.2 非线性控制技术与策略  26-29
      1.4.2.1 重复控制  26-27
      1.4.2.2 无差拍控制  27
      1.4.2.3 模糊控制  27-28
      1.4.2.4 神经网络控制  28
      1.4.2.5 无源性控制  28-29
      1.4.2.6 基于Lyapunov 稳定性理论的控制方法  29
    1.4.3 滑模变结构控制技术的现状  29-31
    1.4.4 反馈线性化非线性控制应用现状  31-32
  1.5 本文课题的提出及其研究内容和创新点  32-36
    1.5.1 本文课题来源  32
    1.5.2 本文创新之处  32-34
    1.5.3 本文主要研究内容  34-36
第二章 Buck 型逆变器建模及其高阶系统布尔型滑模控制理论分析  36-50
  2.1 引言  36
  2.2 单Buck 型逆变器的建模分析  36-39
    2.2.1 单Buck 型逆变器的基本拓扑和工作原理  36-38
    2.2.2 单Buck 型逆变器的二阶状态空间方程  38-39
  2.3 双Buck 型逆变器的建模分析  39-41
    2.3.1 双Buck 型逆变器的基本拓扑和工作原理  39-40
    2.3.2 双Buck 型逆变器的二阶状态空间方程  40-41
  2.4 基于高阶系统类似Lyapunov 函数布尔型滑模控制理论分析  41-49
    2.4.1 滑模切换函数存在及其运动可达性理论分析方法  41-45
      2.4.1.1 单输入N 阶系统滑模控制存在滑模运动一般分析方法  41-43
      2.4.1.2 基于李导数的单输入N 阶系统滑模控制存在滑模运动分析方法  43-44
      2.4.1.3 单Buck 型逆变器二阶系统存在滑模运动李导数分析实例  44-45
    2.4.2 基于类似Lyapunov 函数的布尔型控制律设计理论分析  45-49
      2.4.2.1 第一种情况  46-47
      2.4.2.2 第二种情况  47-48
      2.4.2.3 第三种情况  48-49
  2.5 本章结论  49-50
第三章 带有源缓冲电路单Buck 型逆变器高阶系统布尔型滑模控制研究  50-70
  3.1 引言  50-51
  3.2 带有源缓冲电路单Buck 型逆变器拓扑及其软开关工作原理  51-56
    3.2.1 有源缓冲电路单Buck 型逆变器拓扑  51-52
    3.2.2 有源缓冲电路网络的工作过程分析  52-56
    3.2.3 有源缓冲电路的主要器件参数设计  56
  3.3 单Buck 型逆变器三阶系统布尔型滑模控制器设计  56-62
    3.3.1 单Buck 型逆变器三阶系统状态方程建模  57-59
    3.3.2 单Buck 型逆变器的三阶系统滑模运动的充要条件分析  59-60
    3.3.3 单Buck 型逆变电路基于类似Lyapunov 函数布尔型滑模控制分析  60-61
    3.3.4 滑模切换区和条件推导  61-62
  3.4 数值仿真结果及其分析  62-66
    3.4.1 系统参数  62-63
    3.4.2 系统仿真波形  63-66
      3.4.2.1 稳态输出波形及分析  63
      3.4.2.2 负载瞬态响应分析  63-66
    3.4.3 有源缓冲电路仿真波形  66
  3.5 实验结果及其分析  66-69
    3.5.1 单Buck 型逆变器PD 控制实验结果  66-67
    3.5.2 布尔型滑模控制实验结果  67-69
  3.6 本章结论  69-70
第四章 双Buck 型逆变器高阶系统布尔型滑模控制研究  70-87
  4.1 引言  70
  4.2 双Buck 逆变器拓扑及其工作原理  70-72
  4.3 双Buck 型逆变器四阶系统布尔型滑模控制器设计  72-77
    4.3.1 双Buck 型逆变器四阶系统状态方程建模  72-73
    4.3.2 双Buck 逆变器的四阶系统滑模运动的充要条件分析  73-74
    4.3.3 双Buck 型逆变器基于类似Lyapunov 函数布尔型滑模控制分析  74-76
    4.3.4 滑模切换区和参数和条件推导  76-77
    4.3.5 滑模控制抖动问题的解决方案  77
  4.4 数值仿真结果及其分析  77-84
    4.4.1 系统参数  77-78
    4.4.2 系统仿真波形  78-84
      4.4.2.1 稳态输出波形及分析  78
      4.4.2.2 负载瞬态响应分析  78-84
  4.5 实验结果及其分析  84-86
  4.6 本章结论  86-87
第五章 Buck 型逆变器输入-状态反馈线性化最优控制研究  87-127
  5.1 引言  87-88
  5.2 基于微分几何反馈线性化非线性控制基础理论  88-93
    5.2.1 精确反馈线性化的数学基础  88-90
    5.2.2 单输入-单输出仿射非线性系统状态反馈精确线性化分析  90-93
      5.2.2.1 状态反馈精确线性化的定义  90-91
      5.2.2.2 状态反馈精确线性化的条件  91-92
      5.2.2.3 状态反馈精确线性化的设计方法  92-93
  5.3 单Buck 型逆变器输入-状态反馈精确线性化最优控制研究  93-108
    5.3.1 引言  93-94
    5.3.2 单Buck 型逆变器输入-状态反馈精确线性化理论分析  94-96
    5.3.3 单Buck 型逆变器输入-状态反馈精确线性化最优控制器设计  96-100
      5.3.3.1 单Buck 型逆变器输入-状态反馈线性化及其控制律  96
      5.3.3.2 基于二次型最优控制的单Buck 型逆变器线性系统综合  96-98
      5.3.3.3 基于无源性指标最优控制的单Buck 型逆变器线性系统综合  98-100
    5.3.4 数值仿真结果及其分析  100-107
      5.3.4.1 基于二次型最优控制的数值仿真结果及其分析  100-104
      5.3.4.2 基于无源性指标最优控制的数值仿真结果及其分析  104-107
    5.3.5 单Buck 型逆变器两种最优控制策略对比分析  107-108
    5.3.6 小结  108
  5.4 双Buck 型逆变器输入-状态反馈精确线性化最优控制研究  108-125
    5.4.1 引言  108-109
    5.4.2 双Buck 型逆变器输入-状态反馈精确线性化理论分析  109-111
    5.4.3 双Buck 型逆变器输入-状态反馈精确线性化最优控制器设计  111-115
      5.4.3.1 双Buck 型逆变器输入-状态反馈线性化及其控制律  111-112
      5.4.3.2 基于二次型最优控制的双Buck 型逆变器线性系统综合  112-113
      5.4.3.3 基于无源性指标最优控制的双Buck 型逆变器线性系统综合  113-115
    5.4.4 数值仿真结果及其分析  115-124
      5.4.4.1 基于二次型最优控制的数值仿真结果及其分析  115-119
      5.4.4.2 基于无源性指标最优控制的数值仿真结果及其分析  119-124
    5.4.5 双Buck 型逆变器两种最优控制策略对比分析  124-125
    5.4.6 小结  125
  5.5 本章小结  125-127
第六章 Buck 型逆变器滑模控制与反馈线性化最优控制性能对比分析  127-131
  6.1 单Buck 型逆变器滑模控制与反馈线性化最优控制性能对比分析  127-128
    6.1.1 单Buck 型逆变器滑模控制与二次型最优控制性能对比分析  127-128
    6.1.2 单Buck 型逆变器滑模控制与无源性指标最优控制性能对比分析  128
  6.2 双Buck 型逆变器滑模控制与反馈线性化最优控制性能对比分析  128-131
    6.2.1 双Buck 型逆变器滑模控制与二次型最优控制性能对比分析  128-129
    6.2.2 双Buck 型逆变器滑模控制与无源性指标最优控制性能对比分析  129-131
结论  131-134
  1 本文主要结论和主要工作  131-132
  2 研究展望  132-134
参考文献  134-150
攻读博士期间取得的研究成果  150-152
致谢  152

相似论文

  1. 无尾飞翼式飞行器主动控制的参数化方法,V249.1
  2. 分离镜系统的滑模变结构控制及抖振抑制,TP273
  3. 一类欠驱动Lagrangian系统的最优同步控制,TP13
  4. 基于无源性的控制及其在磁悬浮系统中的应用,TP13
  5. 再入弹头的移动质心控制方法研究,TJ765.23
  6. 基于滑模观测器的环形倒立摆控制系统的设计与实现,TP13
  7. 基于PULL策略的再制造/制造混合系统库存控制研究,F224
  8. 空气球系统建模与控制,TP391.9
  9. 风电与抽水蓄能互联系统稳定与控制,TV743
  10. 大功率臭氧发生器逆变电源的研究与设计,TM464
  11. 开关电源节能技术,TN86
  12. 基于模糊推理的环形多级倒立摆建模及控制,TP13
  13. 航天动力学问题的伪谱迭代求解研究,V412.41
  14. 基于智能优化的交通分配问题的求解算法研究,O224
  15. 视频小卫星姿态控制技术研究,V448.2
  16. 直驱式滚筒洗衣机驱动控制系统设计及实现,TM925.33
  17. 网络遥操作机器人系统模糊变结构控制研究,TP242
  18. 混沌系统基于T-S模糊模型的最优控制研究,O232
  19. 可修复人机储备系统稳态解的最优控制,O232
  20. 一类非线性混林发展系统古典解的存在唯一性及最优控制分析,O232
  21. 具有Size结构的生物种群动力系统的行为分析和最优控制,O232

中图分类: > 工业技术 > 电工技术 > 变压器、变流器及电抗器 > 变流器 > 逆变器
© 2012 www.xueweilunwen.com