电力电子开关变换器反馈线性化非线性控制研究

摘要

电力电子开关变换器是一类典型的开关非线性系统，将线性控制理论应用于这类系统具有很大的局限性，其动态响应及控制精度不尽如人意。研究新型非线性控制技术，可以从根本上解决传统线性控制技术用于开关变换器的不足。
　　 反馈线性化是一种非线性控制设计的方法，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和状态反馈精确地转化为一个完全或者部分线性系统，以便可以应用线性系统控制的技巧。该方法已经被成功地用于解决电力电子开关变换器的控制，现有研究大都采用输入-状态线性化方法以实现非线性系统的完全精确线性化，但是输入-状态线性化方法只是输入-输出线性化的一种特殊情况（系统相对阶等于系统阶数），需要满足严格的能控性条件和对合条件。而且从实用角度，实现非线性系统完全线性化并不比部分线性化更为理想。
　　 本文采用反馈线性化非线性控制方法系统地分析了具有代表性的电力电子开关变换器的反馈线性化非线性特性。从反馈线性化控制的角度将电力电子开关变换器归纳分类为三种情况，根据控制对象所属类型采用不同反馈线性化方法（输入-输出线性化或输入-状态线性化）实现原非线性系统的完全或部分线性化，避免了盲目实现系统的完全线性化，使得反馈线性化非线性控制方法成为一种系统的电力电子开关变换器控制方法。
　　 对于第一种类型的开关变换器，如Buck变换器和单相全桥逆变器等，由系统事先定义的输出函数计算得到的相对阶为n（n为非线性系统的阶数），可以实现输入-状态线性化即完全线性化。采用输入-状态反馈线性化理论，推导出非线性状态反馈表达式，实现了原系统的完全线性化；进一步，基于无源性控制方法的思想，提出一种二次型性能指标，导出其加权矩阵Q，利用二次型最优控制对状态反馈系数进行优化设计。
　　 对于第二种类型的开关变换器，如Boost和Buck-Boost变换器等，由系统定义的输出函数计算得到的相对阶r　　 对于第三种类型的开关变换器，如Cuk、Zeta和Sepic变换器等，经检验这类非线性系统只能实现部分线性化（输入-输出线性化），并且需要考虑系统内动态稳定性。对于这类开关变换器本文提出了两种非线性控制方案：李亚普诺夫直接法和输入-输出线性化控制法；在李亚普诺夫直接法的基础上研究了Cuk，Zeta和Sepic等三种高阶变换器的内动态稳定性，通过直接控制电感电流iL1，间接获得期望的输出电压，实现了原系统的部分线性化即输入-输出线性化；并指出输入-输出线性化比李亚普诺夫直接法控制系统结构更简单，控制代价更低。
　　 对于多输入-多输出电力电子开关变换器，以三相电压型PWM整流器为例深入研究了其反馈线性化控制，论述了输入-状态线性化和输入-输出线性化控制过程，并对比分析了两种控制方法的优缺点；进而对系统模型进行改进，综合利用输入-输出线性化控制方法和滑模控制的优点，提出一种新型三相电压型PWM整流器非线性控制系统，电压外环采用滑模控制方法，电流内环采用输入-输出线性化方法将原非线性系统精确线性化，采用SVPWM技术对电流内环输出控制信号进行调制。在理论分析的基础上，将反馈线性化非线性控制方法首次应用于工业实际，采用所提新型三相电压型PWM整流器非线性控制方法设计了满足客户要求的军工级工业产品-三相高功率因数PWM整流器，使得反馈线性化非线性控制方法成为一种实用的高性能电力电子开关变换器控制方法。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章 绪论

1.1 课题的背景及研究意义

1.2 非线性控制理论的发展及其在电力电子中的应用现状

1.3 反馈线性化非线性控制的发展及其在电力电子中的应用现状

1.4 论文的研究内容和创新之处

1.5 本章小结

第二章 电力电子开关变换器反馈线性化分析及其分类

2.1 引言

2.2 反馈线性化非线性控制基本理论

2.2.1 数学工具

2.2.2 单输入-单输出系统的输入-输出线性化

2.2.3 单输入-单输出系统的输入-状态线性化

2.2.4 多输入-多输出系统的反馈线性化

2.3 电力电子开关变换器反馈线性化分析

2.3.1 建模方法选取

2.3.2 低阶电力电子开关变换器反馈线性化控制分析

2.3.3 高阶电力电子开关变换器反馈线性化控制分析

2.4 基于反馈线性化控制理论的电力电子开关变换器分类

2.5 本章小结

第三章 电力电子开关变换器输入-状态反馈线性化控制

3.1 引言

3.2 Buck变换器输入-状态反馈线性化及其最优控制

3.2.1 Buck变换器输入-状态反馈线性化

3.2.2 二次型最优控制及基于无源性理论性能指标矩阵Q和R选择

3.2.3 Buck变换器输入-状态反馈线性化数值仿真

3.3 单相全桥逆变器输入-状态反馈线性化及其最优控制

3.3.1 单相全桥逆变器输入-状态反馈线性化

3.3.2 二次型最优控制及基于无源性理论性能指标矩阵Q和R选择

3.3.3 单相全桥逆变器输入-状态反馈线性化数值仿真

3.3.4 实验验证

3.4 本章小结

第四章 电力电子开关变换器输入-状态反馈线性化与输入-输出反馈线性化

4.1 引言

4.2 Boost变换器输入-状态反馈线性化控制

4.2.1 控制律求取

4.2.2 反馈系数的选定

4.2.3 数值仿真验证

4.3 Boost变换器输入-输出反馈线性化控制

4.3.1 基于输入-输出反馈线性化的Boost 变换器内动态稳定性分析

4.3.2 Boost变换器输入-输出反馈线性化控制设计

4.3.3 实验验证及结果分析

4.3.4 控制系统修正及实验分析

4.4 Boost变换器输入-状态反馈线性化与输入-输出反馈线性化比较分析

4.5 Buck-Boost变换器输入-状态反馈线性化控制

4.5.1 控制律求取

4.5.2 反馈系数的选定

4.5.3 数值仿真验证

4.6 Buck-Boost变换器输入-输出反馈线性化控制

4.6.1 基于输入-输出反馈线性化的Buck-Boost变换器内动态稳定性分析

4.6.2 Buck-Boost 变换器输入-输出反馈线性化控制设计

4.6.3 数值仿真验证

4.7 本章小结

第五章 电力电子开关变换器输入-输出反馈线性化

5.1 引言

5.2 Cuk变换器输入-输出反馈线性化控制

5.2.1 Cuk变换器李亚普诺夫直接法控制研究

5.2.2 Cuk变换器输入-输出反馈线性化控制研究

5.2.3 数值仿真验证

5.2.4 Cuk变换器李亚普诺夫直接法与反馈线性化方法对比分析

5.3 Zeta变换器输入-输出反馈线性化控制

5.3.1 Zeta变换器李亚普诺夫直接法控制研究

5.3.2 Zeta变换器输入-输出反馈线性化控制研究

5.3.3 数值仿真验证

5.4 Sepic变换器输入-输出反馈线性化控制

5.4.1 Sepic变换器李亚普诺夫直接法控制研究

5.4.2 Sepic变换器输入-输出反馈线性化控制研究

5.4.3 数值仿真验证

5.5 本章小结

第六章 多输入-多输出电力电子开关变换器反馈线性化控制

6.1 引言

6.2 三相电压型PWM整流器数学模型

6.3 三相电压型PWM整流器反馈线性化分析

6.3.1 三相电压型PWM整流器d-q开关函数模型反馈线性化分析

6.3.2 三相电压型PWM整流器d-q简化模型反馈线性化分析

6.4 三相电压型PWM整流器输入-状态反馈线性化控制

6.4.1 三相电压型PWM整流器输入-状态反馈线性化控制系统设计

6.4.2 数值仿真验证

6.5 三相电压型PWM整流器输入-输出反馈线性化控制

6.5.1 直接电压控制

6.5.2 直接电流控制

6.5.3 数值仿真验证

6.5.4 输出直流电压特性分析

6.6 输入-状态反馈线性化与输入-输出反馈线性化比较分析

6.7 一种新型三相电压型PWM整流器混合非线性控制系统

6.7.1 改进的系统模型

6.7.2 直流电压滑模控制

6.7.3 基于输入-输出反馈线性化的电流内环控制

6.7.4 数值仿真验证

6.7.5 实验结果

6.8 本章小结

第七章 反馈线性化控制在电力电子工程实际中的应用

7.1 引言

7.2 性能指标

7.3 三相PWM整流器硬件设计

7.4 控制系统的软件设计

7.4.1 系统资源分配

7.4.2 控制系统的软件构成

7.5 工业样机

7.6 实验结果及分析

7.7 本章小结

结论

1 本文主要结论

2 本文创新点

3 研究展望

参考文献

攻读博士学位期间取得的研究成果

致 谢