本發(fā)明屬于電力電子變換器技術領域，涉及單相逆變器有限時間控制方法，更為具體地說，是涉及一種基于輸出反饋和有限時間干擾觀測器的單相逆變器有限時間控制方法。

背景技術：

近年來，單相逆變器被廣泛應用于不間斷電源、變頻電源、交流電機傳動系統(tǒng)、電網(wǎng)無功補償器、風電和光伏發(fā)電技術等工業(yè)領域中，為降低系統(tǒng)的成本和提高系統(tǒng)的容錯能力，無電流傳感技術也成為研究的熱點。

眾所周知，單相逆變器的控制效果極易受到各種多源干擾與不確定性的影響。單相逆變器系統(tǒng)常常會受到諸如電磁干擾、諧波干擾等多種形式的外部干擾，這些干擾將對系統(tǒng)的調壓性能產(chǎn)生很大的影響，嚴重時甚至會導致系統(tǒng)不穩(wěn)定。此外，負載突變、輸入電壓波動、電路參數(shù)攝動以及逆變器電路系統(tǒng)的本質非線性特征等因素，也都是限制單相逆變器系統(tǒng)性能提升的主要原因。

傳統(tǒng)的pid控制方法作為工程中最為常見的控制方法，因其在控制設計時無需知道系統(tǒng)模型、操作便捷、易于在工程中實現(xiàn)等優(yōu)點而得到廣大工程師的青睞與應用。盡管傳統(tǒng)的pid控制方法通?？梢赃_到控制目標，但其控制器參數(shù)的選擇仍依賴于單相逆變器的模型參數(shù)。在實際應用中，如果與實際參數(shù)不匹配，則會導致控制器的控制精度受到影響，甚至還可能使得系統(tǒng)不穩(wěn)定。此外，當需要處理負載干擾、輸入電壓波動以及因參數(shù)變化而造成的干擾時，傳統(tǒng)pid控制策略將無法獲得足夠好的控制性能。隨著控制算法研究的深入，大量的先進非線性控制方法得以研究和成功應用于單相逆變器系統(tǒng)，例如魯棒控制、抗干擾控制、自適應控制、最優(yōu)控制、滑?？刂频?，上述方法都從不同方面極大地促進了單相逆變器控制技術的進步。

值得提出的是，自抗擾控制因其對于參數(shù)不確定以及外界干擾有著很強的魯棒性，在電力電子變換器系統(tǒng)中得到廣泛研究。文獻(韓京清.自抗擾控制技術[j].前沿科學，2007，01：24-31)指出，自抗擾控制能夠有效消除因周期性的、未知的系統(tǒng)參數(shù)變化而產(chǎn)生的對系統(tǒng)輸出的影響，其優(yōu)點是誤差收斂的速度較快，無需知道控制系統(tǒng)的數(shù)學模型，且在大負載干擾的情況下系統(tǒng)能夠保持穩(wěn)定。文獻(rocaceres,ibarbi.aboostdc-acconverter:analysis,designandexperimentation[j].ieeetransactionsonpowerelectronics,1999,14(1):134-141)中針對單相逆變器設計了自抗擾控制器，實驗結果表明該方案能夠實現(xiàn)對于系統(tǒng)干擾的有效抑制，達到較高的跟蹤精度。但該方法同時需要電壓和電流的測量信息，且只能達到漸近收斂的效果，在一定程度上提高了系統(tǒng)的成本，無法滿足系統(tǒng)的快速跟蹤和高容錯性要求。

技術實現(xiàn)要素：

為解決上述問題，本發(fā)明在自抗擾控制技術的基礎上加以改進，并與有限時間干擾觀測器相結合，設計一種基于干擾觀測器的單相逆變器有限時間控制方法，使逆變器系統(tǒng)能夠在有限時間收斂，能夠在有限時間內實現(xiàn)對單相逆變器參考輸出電壓的快速準確跟蹤以及對多源干擾和不確定性的精確補償抑制。

為了達到上述目的，本發(fā)明提供如下技術方案：

一種基于干擾觀測器的單相逆變器有限時間控制方法，包括如下步驟：

步驟1：通過分析單相逆變器的四種開關模式，采用狀態(tài)空間平均法，建立單相逆變器的受擾狀態(tài)空間平均模型；

步驟2：在步驟1建立的受擾狀態(tài)空間平均模型基礎上，以逆變器實際輸出電壓與參考電壓之間的跟蹤誤差值為狀態(tài)變量，同時考慮參數(shù)攝動、輸入電壓波動和負載突變以及不確定性的影響，建立單相逆變器的誤差動態(tài)模型；并設計有限時間干擾觀測器用于在有限時間內獲得未知的系統(tǒng)狀態(tài)變量和集總干擾的估計值：

步驟3：在步驟2設計的有限時間干擾觀測器基礎上，考慮無電流傳感器和集總干擾的情況，將觀測器的輸出作為前饋補償與輸出反饋控制方法相結合，設計基于有限時間干擾觀測器的有限時間抗干擾控制器；

步驟4：根據(jù)步驟3所設計有限時間抗干擾控制器，將所得到的控制量經(jīng)dspace實時控制系統(tǒng)平臺的spwm模塊輸出，產(chǎn)生spwm驅動信號，通過實時控制逆變器橋臂上開關管的導通與截止，實現(xiàn)單相逆變器輸出電壓的控制。

進一步的，所述步驟1中單相逆變器的受擾狀態(tài)空間平均模型如下：

其中，vo為電容電壓，il為電感電流，c、r、l和vdc分別表示單相逆變器電路中的濾波電容、負載電阻、濾波電感以及輸入直流電壓源，u為控制器的輸出信號信號，t為時間。

進一步的，定義狀態(tài)變量x1：x1(t)＝e＝vref-vo，狀態(tài)變量x2：所述步驟2中單相逆變器的誤差動態(tài)模型表示為：

其中，d(x,u,t)表示為：c0，r0，l0以及vdc0分別為電路中濾波電容c、負載電阻r、濾波電感l(wèi)以及輸入直流電壓源vdc的標稱值，vref為輸出電壓的參考值；

所述有限時間干擾觀測器如下式：

其中，z1為電壓跟蹤誤差x1的估計值，z2為未知狀態(tài)變量x2的估計值，z3為集總干擾d(t)的估計值，v1、v2和v3均為中間變量，觀測器增益k＞0，λi＞0(i＝1,2,3)為可調的有限時間干擾觀測器參數(shù)；

所述集總干擾包括參數(shù)攝動、輸入電壓波動、負載突變和不確定性。

進一步的，所述步驟2中單相逆變器的誤差動態(tài)模型的建立過程包括如下步驟：

步驟21，根據(jù)步驟1建立的受擾狀態(tài)空間平均模型，定義vref為輸出電壓的參考值，并選取輸出電壓的跟蹤誤差值為狀態(tài)變量x1：x1(t)＝e＝vref-vo，對x1(t)進行求導，推得：

據(jù)此，定義狀態(tài)變量x2為：

通過綜合推導與分析，定義系統(tǒng)的輸出量y(t)＝x1(t)，u(t)為系統(tǒng)的控制輸入量，則步驟1所建立的單相逆變器的狀態(tài)空間模型寫成下述積分鏈式系統(tǒng)：

其中，

步驟22，基于步驟21所得的積分鏈式系統(tǒng)，將單相逆變器中的參數(shù)攝動、輸入電壓波動、負載突變和不確定性等多源擾動及不確定性視為集總干擾，并用d(x,u,t)表示為：

d(x,u,t)＝-δa1x1-δa2x2+δbu

其中，c0，r0，l0以及vdc0分別為電路中濾波電容c、負載電阻r、濾波電感l(wèi)以及輸入直流電壓源vdc的標稱值；

經(jīng)過坐標變換，最終得到單相逆變器的誤差動態(tài)模型。

進一步的，所述基于有限時間干擾觀測器的有限時間抗干擾控制器如下式：

其中，c1＞0、c2＞0分別為可調控制器增益，p、q、m、n均為正奇數(shù)且滿足關系：p＜q＜2p,m＞n。

進一步的，所述基于有限時間干擾觀測器的有限時間抗干擾控制器通過如下步驟設計：

步驟31，當有限時間干擾觀測器建立完成并且參數(shù)整定合適時，觀測器的輸出和能夠分別跟蹤狀態(tài)量x2和集總干擾d，利用集總干擾的估計值消除集總干擾d(x,u,t)的不利影響，在步驟23的基礎上，設計控制律：

其中，c0，r0，l0以及vdc0分別為電路中濾波電容c、負載電阻r、濾波電感l(wèi)以及輸入直流電壓源vdc的標稱值，v為虛擬控制量；

步驟32，在步驟31的基礎上，結合有限時間干擾觀測器輸出的系統(tǒng)未知狀態(tài)x2的估計值，將虛擬控制量設計為：由此得到基于有限時間干擾觀測器的有限時間抗干擾控制器。

進一步的，所述步驟4包括如下步驟：

步驟41，在得到的有限時間控制器基礎上，利用dspace實時控制系統(tǒng)平臺中的a/d采樣模塊，將單相逆變器中的電壓傳感器所采集得到的電容電壓即輸出電壓轉換為數(shù)字信號；

步驟42，通過dspace實時控制系統(tǒng)平臺中的spwm模塊，輸出有限時間控制器的控制量，得到頻率固定占空比可變的spwm驅動信號；

步驟43，利用步驟42中所得到的spwm驅動信號，控制單相逆變器橋臂上開關管的導通與截止，實現(xiàn)對單相逆變器的輸出電壓的控制。

與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點和有益效果：

本發(fā)明提供的將基于干擾觀測器的有限時間控制技術應用于單相逆變器系統(tǒng)，基于狀態(tài)空間平均模型和輸出反饋控制方法，使單相逆變器在無電流傳感器和受擾的情況下，在有限時間內實現(xiàn)對參考輸出電壓的精確跟蹤。在系統(tǒng)存在參數(shù)攝動、輸入電壓波動、負載突變等多源擾動的情況下，使用有限時間干擾觀測器，在有限時間內實現(xiàn)對集總干擾和系統(tǒng)狀態(tài)變量的準確估計，實現(xiàn)對于負載突變、輸入電壓波動、電磁干擾等多源干擾的抑制，并消除干擾的不良影響，提高了逆變器系統(tǒng)的抗干擾能力，擴大處理干擾類型的范圍，從而能在有限時間內快速準確跟蹤參考輸出電壓，使得逆變器系統(tǒng)能夠獲得良好的動態(tài)響應和穩(wěn)態(tài)性能，并具有較低的諧波失真度以及高效的工作性能。本發(fā)明系統(tǒng)無需電流傳感器，降低了系統(tǒng)成本，提高系統(tǒng)的容錯性，滿足電力電子單相逆變器系統(tǒng)在高性能、高精度領域的發(fā)展要求和應用前景。

附圖說明

圖1(a)是單相逆變器的控制電路框圖。

圖1(b)是單相逆變器所在平臺結構示意圖。

圖2是本發(fā)明基于干擾觀測器的單相逆變器有限時間控制方法的原理圖。

圖3(a)是本發(fā)明方法和adrc方法在負載由100ω突變?yōu)?0ω情況下的輸出電壓響應曲線圖。

圖3(b)本發(fā)明方法和adrc方法在負載由100ω突變?yōu)?0ω情況下的控制量曲線圖。

圖4(a)是本發(fā)明方法和adrc方法在階躍輸入擾動情況下的輸出電壓響應曲線圖。

圖4(b)是本發(fā)明方法和adrc方法在階躍輸入擾動情況下的控制量曲線圖。

圖5是本發(fā)明單項逆變器的硬件實驗平臺實物圖。

具體實施方式

以下將結合具體實施例對本發(fā)明提供的技術方案進行詳細說明，應理解下述具體實施方式僅用于說明本發(fā)明而不用于限制本發(fā)明的范圍。

圖1(a)為單相逆變器的基本控制電路框圖，其中，vo為電容電壓，即輸出電壓，vref為輸出電壓的參考值，il為電感電流，c、r、l和vdc分別表示單相逆變器電路中的濾波電容、負載電阻、濾波電感以及輸入直流電壓源，u為控制器的輸出信號，t為時間。圖1(b)為單相逆變器所在的平臺結構。利用電壓傳感器采集測量得到系統(tǒng)的輸出電壓信號，將其輸入到dsapceds1103實時控制系統(tǒng)平臺的a/d采集端口，在powerpc處理器中進行控制算法運算，得到控制量信號，并將其輸入到實時控制器的spwm輸出模塊中，可直接輸出頻率固定占空比可變的控制信號，經(jīng)驅動電路模塊控制單相逆變器橋臂上開關管的導通與截止，從而實現(xiàn)對單相逆變器的實際輸出電壓vo對參考輸出電壓vref的精確跟蹤。

在實際運行過程中，dspaceds1103實時控制系統(tǒng)平臺可以與上位機軟件進行實時的數(shù)據(jù)傳輸，能夠測量并顯示實時電壓波形，并實時更改控制器參數(shù)以調節(jié)系統(tǒng)的輸出電壓跟蹤性能。

本發(fā)明原理圖如圖2所示，其提供的基于干擾觀測器的單相逆變器有限時間控制方法，包括如下步驟：

步驟1，通過分析單相逆變器的四種開關模式，采用狀態(tài)空間平均法，通過以下公式建立單相逆變器的受擾狀態(tài)空間平均模型：

其中，vo為電容電壓，il為電感電流，c、r、l和vdc分別表示單相逆變器電路中的濾波電容、負載電阻、濾波電感以及輸入直流電壓源，u為控制器的輸出信號，t為時間。

步驟2，如圖1控制框圖所示，在所建立的受擾狀態(tài)空間平均模型基礎上，利用系統(tǒng)的輸出電壓vo以及控制量u的信息，設計有限時間干擾觀測器，在實現(xiàn)估計的同時，實現(xiàn)對于系統(tǒng)未知狀態(tài)變量和多源干擾及不確定性的集總干擾的準確估計。具體包括如下步驟：

步驟21，根據(jù)步驟1所建立的受擾狀態(tài)空間平均模型，定義vref為輸出電壓的參考值，并選取輸出電壓的跟蹤誤差值為狀態(tài)變量x1：x1(t)＝e＝vref-vo，對x1(t)進行求導，可以推得：

據(jù)此，可以定義狀態(tài)變量x2為：

通過綜合推導與分析，定義系統(tǒng)的輸出量y(t)＝x1(t)，u(t)為系統(tǒng)的控制輸入量，則步驟1所建立的單相逆變器的狀態(tài)空間模型可以寫成下述積分鏈式系統(tǒng)：

其中，

步驟22，基于步驟21所得的積分鏈式系統(tǒng)，將單相逆變器中的參數(shù)攝動、輸入電壓波動、負載突變和不確定性等多源擾動及不確定性視為集總干擾，并用d(x,u,t)表示為：

d(x,u,t)＝-δa1x1-δa2x2+δbu

其中，c0，r0，l0以及vdc0分別為電路中濾波電容c、負載電阻r、濾波電感l(wèi)以及輸入直流電壓源vdc的標稱值。

經(jīng)過坐標變換，最終單相逆變器的誤差動態(tài)模型可以寫成如下形式：

其中，

步驟23，為了在有限時間內獲得未知的系統(tǒng)狀態(tài)變量和集總干擾的估計值，構造有限時間干擾觀測器：

其中，z1為電壓跟蹤誤差x1的估計值，z2為未知狀態(tài)變量x2的估計值，z3為集總干擾d(x,u,t)的估計值，v1、v2和v3均為中間變量，觀測器增益k＞0，λi＞0(i＝1,2,3)為可調的有限時間干擾觀測器參數(shù)。

步驟3：在步驟2設計的有限時間干擾觀測器基礎上，考慮無電流傳感器和集總干擾的情況，將觀測器的輸出作為前饋補償與輸出反饋控制方法相結合，設計基于有限時間干擾觀測器的有限時間抗干擾控制器。具體包括如下步驟：

步驟31，當有限時間干擾觀測器建立完成并且參數(shù)整定合適時，觀測器的輸出和能夠分別跟蹤狀態(tài)量x2和集總干擾d。利用集總干擾的估計值消除集總干擾d(x,u,t)的不利影響。在步驟23的基礎上，設計控制律：

其中，c0，r0，l0以及vdc0分別為電路中濾波電容c、負載電阻r、濾波電感l(wèi)以及輸入直流電壓源vdc的標稱值，v為虛擬控制量。

步驟32，在步驟31的基礎上，結合有限時間干擾觀測器輸出的系統(tǒng)未知狀態(tài)x2的估計值，將虛擬控制量設計為：由此可將基于有限時間干擾觀測器的有限時間控制器設計為：

其中，c1＞0、c2＞0分別為可調控制器增益，p、q、m、n均為正奇數(shù)且滿足關系：p＜q＜2p,m＞n。該控制器可使閉環(huán)系統(tǒng)在有限時間內收斂，從而使單相逆變器在有限時間內跟蹤參考輸出電壓。

步驟4：根據(jù)步驟3所設計有限時間抗干擾控制器，將所得到的控制量經(jīng)dspace實時控制系統(tǒng)平臺的spwm模塊輸出，產(chǎn)生spwm驅動信號，通過實時控制逆變器橋臂上開關管的導通與截止，實現(xiàn)單相逆變器輸出電壓的控制。具體包括如下步驟：

步驟41，在得到的有限時間控制器基礎上，利用dspace實時控制系統(tǒng)平臺中的a/d采樣模塊，將單相逆變器中的電壓傳感器所采集得到的電容電壓即輸出電壓轉換為數(shù)字控制器可用的數(shù)字量信號。

步驟42，通過dspaceds1103實時控制系統(tǒng)平臺中的spwm模塊，輸出有限時間控制器的控制量，得到頻率固定占空比可變的spwm驅動信號。

步驟43，將所得到的spwm驅動信號連接到硬件電路中的spwm驅動電路，利用步驟42中所得到的spwm驅動信號，控制單相逆變器橋臂上開關管的導通與截止，實現(xiàn)對單相逆變器的輸出電壓的控制。

為進一步驗證本實例提出的基于干擾觀測器的有限時間控制技術對單相逆變器系統(tǒng)控制的有效性和實用性，本發(fā)明建立了能夠驗證技術效果的實驗平臺。實驗平臺基于單相逆變器系統(tǒng)，運用matlab/simulink工具進行編程，運用dspaceds1103實時控制系統(tǒng)平臺的全數(shù)字控制實現(xiàn)方式。系統(tǒng)的主要組成部分為：由dspace公司的實時控制器為核心組成的控制器部分、由絕緣柵雙極晶體管igbt為核心的單相逆變器主電路部分，由負載功率電阻、霍爾電壓傳感器組成的測量電路部分。

為驗證本發(fā)明所設計的基于干擾觀測器的有限時間控制的有效性，將本發(fā)明設計的控制器在dspaceds1103實時控制系統(tǒng)平臺上進行了具體實現(xiàn)，平臺實物圖如圖5所示。設定輸入直流電壓為50v，參考輸出電壓為30cos(100πt)v，電路系統(tǒng)的參數(shù)見下表1。

表1.單相逆變器系統(tǒng)模型的基本參數(shù)

為論證所提出的基于有限時間干擾觀測器的有限時間控制方法(ftc)在面對系統(tǒng)中的多源干擾時所表現(xiàn)出的抗干擾性和控制效果上的優(yōu)越性能，本發(fā)明在實施過程中，采用基于擴張狀態(tài)觀測器的自抗擾控制方法(adrc)進行對比。

在t＝0.02s時，考慮負載電阻由標稱值100ω突減為50ω，系統(tǒng)的輸出電壓誤差和控制量的曲線如圖3(a)、圖3(b)所示。在所設計的ftc控制下，輸出電壓經(jīng)小幅波動后快速恢復、重新跟蹤上參考輸出電壓，且控制器迅速抑制了負載變化對于電路系統(tǒng)輸出電壓的不良影響。

當逆變器正常運行過程中，在控制輸入通道中加入階躍輸入干擾：

系統(tǒng)的輸出電壓誤差、觀測器估計誤差和控制量的曲線如圖4(a)、圖4(b)所示，同樣可以得到，系統(tǒng)在ftc的控制下跟蹤誤差更小且收斂速度更快。

從圖3(a)、圖3(b)、圖4(a)、圖4(b)可以看出，本發(fā)明所設計的ftc算法具有較強的抗干擾性能、優(yōu)越的控制效果以及廣泛的抗干擾適用范圍，在保證單相逆變器系統(tǒng)的快速性和準確性的同時，兼顧了系統(tǒng)成本的降低和容錯性的提高。

本發(fā)明方案所公開的技術手段不僅限于上述實施方式所公開的技術手段，還包括由以上技術特征任意組合所組成的技術方案。應當指出，對于本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也視為本發(fā)明的保護范圍。