基于分数阶PID离散滑模变结构的逆变器控制方法技术

本发明专利技术公开了基于分数阶PID离散滑模变结构的逆变器控制方法，应用于高阶电压型逆变器系统，为其提供一种新型有效的控制策略。在高阶电压型逆变器系统下，结合分数阶PID控制和滑模变结构控制方法，改善了滑模控制固有的抖振问题；同时，采用萤火虫算法，对控制参数进行最优化整定，一定程度上保证控制方法的优良效果，并使系统具有智能化特征。本发明专利技术控制方法具有控制精度高、跟踪速度快、鲁棒性好、对外界干扰不敏感等优点，能保证逆变器系统的动态性能和稳态性能。

Inverter control method based on fractional order PID discrete sliding mode variable structure

The invention discloses an inverter control method based on fractional order PID discrete sliding mode variable structure, which is applied to the high order voltage source inverter system, and provides a new effective control strategy for the inverter. In the system of high order voltage type inverter, combined with fractional order PID control and sliding mode variable structure control method improves the chattering inherent; at the same time, the firefly algorithm, the control parameters optimization tuning, excellent effect to a certain extent to ensure the control method, and the system has the feature of intelligence. The control method of the invention has the advantages of high control precision, fast tracking speed, good robustness, insensitivity to external interference, etc., and can guarantee the dynamic performance and the steady state performance of the inverter system.

【技术实现步骤摘要】
基于分数阶PID离散滑模变结构的逆变器控制方法
本专利技术涉及基于分数阶PID离散滑模变结构的逆变器控制方法，应用于高阶电压型逆变器系统，属于非线性控制

技术介绍
新能源时代，逆变技术作为电力电子技术的核心代表，在实际生产生活中有着广泛的应用，如：不间断电源、交流电机驱动器、车载适配器等等。伴随这些逆变器应用的普及，人们对它性能的要求也越来越高。传统逆变器控制策略通常利用输出进行反馈，再结合线性控制方法进行控制，所得结果往往波形失真明显，且动态性能较差。当前，应用较为广泛的逆变器控制策略主要有：无差拍控制、重复控制和比例谐振控制等。这些控制方法各有优点，但同时也存在一些不足。例如：无差拍控制动态性能较好，但对运算速度和模型精确度要求较高；重复控制主要用于对周期性扰动的校正，对非周期的扰动控制效果较差；比例谐振控制对稳态误差有一定消除作用，但往往受到带宽的制约。传统的PID(比例-积分-微分)控制器由于结构简单、参数易于整定等特性，成为工业控制领域中十分流行的控制器。基于PID控制方法的逆变器系统在广泛应用的同时却无法真正解决其跟踪速度慢、控制精度差的弱点。近十几年来，源于众多控制系统或真实的物理对象更适用任意阶的微分方程或积分方程表示以及分数阶控制器算法能有效改进系统的控制性能要求的原因，越来越多的研究关注于控制对象或控制器是分数阶的情况。分数阶PIλDμ控制正是顺应该潮流由国际控制领域知名教授Podlubny提出。相比较传统的PID控制，分数阶PIλDμ控制算法因引入额外的自由变量λ与μ，能真正有效的提高控制系统的性能并在控制领域得到了研究与应用。滑模控制作为一类特殊的非线性控制方法，可根据系统实时运行情形改变控制结构，迫使系统状态沿事先设计好的“模态”轨迹滑动，即所谓的“滑模运动”。由于滑模面可以根据实际控制需要进行设计，且与控制对象模型及外部扰动无关，所以滑模控制具有响应迅速、鲁棒性强、对参数变化及扰动不灵敏、物理实现简单等优点，得以在电力系统、船舶系统、飞控系统、航空航天、机器人系统、混沌系统、光伏系统、网络化系统等各个领域得到广泛应用，也越来越多的应用到逆变器系统的控制中。随着数字计算机技术、网络化技术等的快速发展以及工业自动化等工程应用需求，控制算法经常通过数字计算机进行实现，这直接导致离散时间滑模控制在工程实践中越来越扮演着举足轻重的角色。目前，尚未见结合分数阶技术与离散时间滑模控制各自优势的逆变电路系统的控制设计方法发表。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是：提供基于分数阶PID离散滑模变结构的逆变器控制方法，结合分数阶PID控制和滑模变结构控制方法，改善了滑模控制固有的抖振问题，提高了系统的控制性能。本专利技术为解决上述技术问题采用以下技术方案：基于分数阶PID离散滑模变结构的逆变器控制方法，包括如下步骤：步骤1，初始化高阶电压型逆变器系统的参数：直流总线电压vDC，电阻R1、R2、RL，电感L1、L2，以及电容C1、C2；建立高阶电压型逆变器系统的状态空间方程为：y＝Cx其中，为状态向量x的一阶导数，u为控制输入，A为状态矩阵，B为输入矩阵，C为输出矩阵，y为系统输出；选取状态向量x，求得状态矩阵A和输入矩阵B；选取输出变量，求得系统输出方程；步骤2，结合分数阶PID设计滑模变结构控制中的滑模面函数，将滑模面函数与步骤1状态空间方程相结合，求得控制输入；滑模面函数为：其中，为滑模面函数s的一阶导数，kp为比例项系数，ki为分数阶积分项系数，kd为分数阶微分项系数，k0为常数项系数，D-λ为分数阶积分算子，Dμ为分数阶微分算子，分数阶积分项积分次数λ>0，分数阶微分项微分次数μ>0，sgn(s)表示符号函数，求得控制输入为：其中，u(k)为k时刻系统控制输入，S表示切换向量，T为时间间隔，I为单位矩阵，s(k)为k时刻滑模函数，sgn(s(k))表示符号函数，s(k-j)为k-j时刻滑模函数，Ts为时间步长，q0＝1，d0＝1，j＝1,…,k，x(k)为k时刻状态向量，xr(k+1)为k+1时刻状态向量参考值；步骤3，利用萤火虫算法整定控制参数，控制参数包括：比例项系数kp、分数阶积分项系数ki、分数阶微分项系数kd、常数项系数k0、分数阶积分项积分次数λ、分数阶微分项微分次数μ。作为本专利技术的一种优选方案，步骤1所述选取的状态向量x为：xT＝[iC1vC1i2vC2]上标T表示转置，得到的状态矩阵A和输入矩阵B分别为：其中，iC1为电容电流，vC1为电容电压，i2为电感电流，vC2为电容电压，vDC为直流总线电压，R1、R2、RL均为电阻，L1、L2均为电感，C1、C2均为电容。作为本专利技术的一种优选方案，步骤1所述选取的输出变量为：电容电流iC1、电感电流i2、电容电压vC2，得到的系统输出方程为：其中，R1、R2、RL均为电阻，L1、L2均为电感，C1、C2均为电容，iL为电阻电流，iC2为电容电流，vDC为直流总线电压，vC1为电容电压，t为时间。作为本专利技术的一种优选方案，步骤2所述时间步长Ts的取值为0.1。作为本专利技术的一种优选方案，步骤2所述时间间隔T的取值为0.001。本专利技术采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：1、本专利技术在高阶电压型逆变器系统下，结合分数阶PID控制和滑模变结构控制方法，改善了滑模控制固有的抖振问题，提高了系统的控制性能，具有响应速度快、鲁棒性强，跟踪精度高等良好动态和稳态特性。2、本专利技术将控制算法离散化，更适应于在数字计算机上的实现。同时，运用萤火虫算法对参数进行整定，完善控制算法，提高控制精度，充分体现了控制方法的智能性。附图说明图1是单相四阶电压型逆变器(VSI)电路图。图2是系统状态响应图，其中，(a)是电流iC1状态响应图，(b)是电压vC1状态响应图，(c)是电流i2状态响应图，(d)是电压vC2状态响应图。图3是iC1状态误差对比图。图4是vC1状态误差对比图。图5是i2状态误差对比图。图6是vC2状态误差对比图。图7是滑模函数s对比图。图8是控制量u对比图。具体实施方式下面详细描述本专利技术的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本专利技术，而不能解释为对本专利技术的限制。本专利技术的目的在于提出一种新型逆变器控制策略，将分数阶PID与离散时间滑模变结构控制结合起来，保证系统的动态性能和稳态性能。以一个单相四阶电压型逆变器为例，具体步骤如下：1、建立高阶电压型逆变器系统模型如图1所示，为单相四阶电压型逆变器电路，其负载端设置了一个LC网络。vDC为直流总线电压，vC2是输出电压。设系统的状态空间方程表达式为y＝Cx(2)其中，为状态向量x的一阶导数，u为控制输入，A为状态矩阵，B为输入矩阵，C为输出矩阵，y为系统输出；取状态向量xT＝[iC1vC1i2vC2](3)由基尔霍夫电压定律(KVL)及电流定律(KCL)，可得i1＝iC1+i2(5)因此，又得一方面：因此，又可得由得另一方面：因此，将和代入(8)式，可得将v0＝vDC·u代入此外，由基本电路原理及基尔霍夫定理易得综上，系统矩阵及输入矩阵如下取电容电流iC1，电感电流i2，和电容电压vC2作为输出变量，本文档来自技高网...

【技术保护点】
基于分数阶PID离散滑模变结构的逆变器控制方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1，初始化高阶电压型逆变器系统的参数：直流总线电压vDC，电阻R1、R2、RL，电感L1、L2，以及电容C1、C2；建立高阶电压型逆变器系统的状态空间方程为：

【技术特征摘要】
1.基于分数阶PID离散滑模变结构的逆变器控制方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1，初始化高阶电压型逆变器系统的参数：直流总线电压vDC，电阻R1、R2、RL，电感L1、L2，以及电容C1、C2；建立高阶电压型逆变器系统的状态空间方程为：y＝Cx其中，为状态向量x的一阶导数，u为控制输入，A为状态矩阵，B为输入矩阵，C为输出矩阵，y为系统输出；选取状态向量x，求得状态矩阵A和输入矩阵B；选取输出变量，求得系统输出方程；步骤2，结合分数阶PID设计滑模变结构控制中的滑模面函数，将滑模面函数与步骤1状态空间方程相结合，求得控制输入；滑模面函数为：其中，为滑模面函数s的一阶导数，kp为比例项系数，ki为分数阶积分项系数，kd为分数阶微分项系数，k0为常数项系数，D-λ为分数阶积分算子，Dμ为分数阶微分算子，分数阶积分项积分次数λ>0，分数阶微分项微分次数μ>0，sgn(s)表示符号函数，求得控制输入为：其中，u(k)为k时刻系统控制输入，S表示切换向量，T为时间间隔，I为单位矩阵，s(k)为k时刻滑模函数，sgn(s(k))表示符号函数，s(k-j)为k-j时刻滑模函数，Ts为时间步长，q0＝1，d0＝1，j＝1,…,k，x(k)为k时刻状态向量，xr(k+1)为k+1时刻状态向量参考值；步骤3，利用...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭伟，魏妙，李涛，周成杰，王心，
申请(专利权)人：南京信息工程大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32