为提高电压源型逆变器的性能,针对其存在的动态未建模、参数不确定和负载扰动等不利因素,提出改进的误差符号积分鲁棒(robust integral of the sign of the error,简称RISE)控制策略.首先,根据电路理论建立包含匹配干扰和不匹配干扰在...
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为提高电压源型逆变器的性能,针对其存在的动态未建模、参数不确定和负载扰动等不利因素,提出改进的误差符号积分鲁棒(robust integral of the sign of the error,简称RISE)控制策略.首先,根据电路理论建立包含匹配干扰和不匹配干扰在内的系统模型;其次,通过引入辅助状态变量,将不匹配干扰转移至控制通道,从而得到等价的集总干扰;再次,设计改进的RISE控制,其中的积分鲁棒项可处理集总干扰,使系统获得渐近跟踪性能;最后,通过仿真验证该文改进RISE控制的优越性.仿真结果表明:相对于双环比例积分(proportional integral,简称PI)控制、传统RISE控制,改进RISE控制的阶跃响应性能更出色、d轴电压暂态波形更平滑、抗负载扰动能力更强、稳态性能更优异.
随着经济和社会的快速发展,人类对能源需求的日益增长,以及传统能源的日趋紧缺,越来越多的学者开始关注分布式发电技术。逆变器作为连接分布式能源发电系统与各种负载之间的枢纽,其控制性能的优劣决定了系统输出电能的质量。因此,如何提高逆变器的控制性能成为当前研究的热门话题。跟踪精度、响应速度和抗扰能力是衡量逆变系统控制性能的重要指标。同时,实际逆变系统中存在负载突变和非线性负载等强扰动,这些强扰动的存在会影响逆变系统输出电能的质量,主要体现在较大的稳态误差和较高的总谐波失真(total harmonic distortion,THD)上。因此,为了提高逆变系统的控制性能,保证输出波形的质量,提出合理有效的逆变系统扰动抑制策略,有着重要的理论意义和应用价值。
本文以单相离网逆变系统为研究对象,以线性自抗扰控制(linear active disturbance rejection control,LADRC)及其在逆变系统中的应用为主题,分别从理论分析和仿真验证上对其进行更为深入的研究。本文的主要工作如下:
(1)阐述了自抗扰控制(active disturbance rejection control,ADRC)的核心思想和基本原理,介绍了线性自抗扰控制的基本算法及参数整定方法,分析了线性自抗扰控制与状态空间控制两种不同控制方法之间的关系,探究了线性自抗扰控制的离散化方法。
(2)搭建了单相全桥逆变器的数学模型,为了抑制单相全桥逆变器的建模误差和非理想特性等干扰的影响,本文首先采用基于模型补偿的线性自抗扰控制(model compensated linear active disturbance rejection control,MC-LADRC),将逆变系统的已知模型视为确知的信息,将系统未建模部分及未知的外部扰动视为系统的总扰动并加以抑制。并对线性扩张状态观测器(linear extended state observer,LESO)的性能和系统稳定性进行了分析,结果表明,增加模型的已知信息之后,被控对象的不确定因素减少,LESO的负担降低,在不降低LESO带宽的情况下,能够更加精确估计总扰动,从而改善系统的控制效果。仿真结果验证了MC-LADRC控制器相较传统LADRC控制器具有更高的跟踪精度。
(3)针对MC-LADRC控制器在某些场合存在抗扰能力不足的问题,首先,采用抗扰能力更强的误差符号鲁棒积分(robust integral of the sign of the error,RISE)来代替传统LADRC中的线性状态误差反馈律(linear state error feedback,LSEF),构成RISE-MCLADRC控制器,有效抑制强扰动对逆变系统的影响;然后,针对基于RISE-MCLADRC的逆变系统存在的跟踪精度低、响应速度慢的问题,将各状态变量与其估计值之间的误差作为调节各状态变量的依据,利用电容电流测量值间接表示输出电压的微分,并在总扰动通道加入一阶惯性环节,从而抑制系统内部的高频噪声,提高系统的控制性能。最后,通过Lyapunov理论证明了控制器的稳定性。仿真结果验证了所提控制策略具有更好的控制性能。
无人水面船舶系统的轨迹跟踪问题是控制领域中的一个研究热点。因船舶自身特性及其作业的环境,不可避免地会出现模型不确定性、未知扰动、输入饱和、输入延迟等问题,这些因素会显著降低无人水面船舶系统的动态和稳态性能,使得无人水面船舶系统轨迹跟踪控制器设计问题极富挑战性。因此,研究无人水面船舶系统的轨迹跟踪控制具有重要的理论意义和应用价值。本文主要以全驱动无人水面船舶系统为研究对象,分别针对模型不确定性、未知扰动、输入饱和、状态和输入延迟等问题,采用误差符号鲁棒积分(robust integration of the signal of the error,RISE)方法,与双曲正切函数、偏微分方程(partial differential equation,PDE)和最优控制等结合,设计无人水面船舶系统的轨迹跟踪控制器。主要成果包括:1.针对具有未知扰动和输入饱和的无人水面船舶系统,研究其轨迹跟踪问题。基于RISE和积分反推相结合的方法,利用双曲正切函数,提出一种新的辅助滤波器结构,有效补偿输入饱和,并且抑制未知扰动。为了处理跟踪误差系统所包含的不连续动态,本文利用Filippov解和微分包含理论,在所设计的连续跟踪控制器下,实现无人水面船舶系统的半全局渐近跟踪。2.针对具有未知扰动、模型不确定性、状态和输入延迟的无人水面船舶系统,研究其轨迹跟踪问题。采用RISE和PDE相结合的方法,设计轨迹跟踪控制器,实现补偿输入和状态延迟,抑制未知扰动和模型不确定性。构造Lyapunov-Krasovskii(LK)泛函,分析闭环系统的稳定性,实现轨迹跟踪误差的一致最终有界。3.针对具有未知扰动和模型不确定性的无人水面船舶系统,研究其轨迹跟踪最优控制问题。首先,假定系统所有动态项已知,利用反馈线性化,并基于Hamilton-Jacobi-Bellman(HJB)优化方法设计控制器,使得给定二次性能指标达到最小。其次,当系统中存在参数不确定性和未知扰动,控制器被修正为带有用于抑制不确定性和未知扰动的RISE反馈控制器。最后,通过Lyapunov稳定性分析,保证控制器渐近地收敛于最优控制器,实现并优化无人水面船舶系统的半全局渐近跟踪。
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