一种基于重复模糊控制器的不间断电源逆变系统及其设计方法技术方案

本发明专利技术涉及电力电子技术领域，公开了一种基于重复模糊控制器的不间断电源逆变系统及其设计方法，UPS逆变器跟踪控制输出电压，经驱动模块驱动逆变桥的开关器件的动作使得直流电压对电感进行充放电，经滤波器后，在负载侧获得交流电压，本发明专利技术利用模糊控制器将重复控制与模糊控制结合可以得到基于重复模糊控制器的单相逆变器模型，引入模糊控制，改进重复控制的补偿环节，提出了重复模糊控制策略在逆变器中的应用。模糊控制避免了重复控制设计复杂补偿器的过程，弥补了现有技术重复控制精确度不高的缺陷，实现正弦信号的无静差跟踪，同时又利用了模糊控制在纯滞后，非线性环境下的优势和快速的动态响应能力，提高了控制器的整体性能。

【技术实现步骤摘要】
一种基于重复模糊控制器的不间断电源逆变系统及其设计方法
本专利技术涉及电力电子
，具体涉及一种基于重复模糊控制器的不间断电源逆变系统及其设计方法。
技术介绍
零相位误差跟踪理论(ZPETC)最早由Tomizuka提出，是一种应用在被控对象精确模型的技术手段，该方法的原理利用已知的未来信息设计补偿器，令目标输入到控制输出的相位在全频率域内为零，消除传递函数上造成不稳定因素的零极点，已达到相位与幅值补偿的目的。在实际工业生产中，工况复杂造成了数学模型多变的情形，也使得该技术对参数变化和扰动较为敏感。当目标输入变化时，会因控制策略滞后造成跟踪误差。将系统引入频域进行分析，误差大致分为了幅值与相位两部分，这就要求控制器对其进行分别补偿。幅值误差可以利用简单的放大器补偿，相位误差就需要零极点对消，需要注意的是这种方法只适用于最小相位系统，在非最小相位系统中不希望消除零极点，就难以满足稳定需求。1992年日本学者舟桥康行、山田学提出了设计该补偿器的新思路，采用两自由度控制系统，不仅将目标输入到控制输出的相位差在频域内补偿到零，还兼容了可控的系统增益特性。但是他所针对的典型信号中并没有包括逆变器要求输出的正弦信号，在跟踪正弦信号时，仍存在幅值误差，而且其设计过程比较复杂，不便于实际应用。
技术实现思路
专利技术目的：针对现有重复控制策略中补偿环节设计复杂，对正弦信号存在参数多变与周期扰动无法精准跟踪的局限性，本专利技术提出了一种基于重复模糊控制器的不间断电源逆变系统及其设计方法，使系统可以适应多类型负载且提供良好的动稳态性能，降低了复杂的非线性系统对控制策略的要求，在一定程度上增强了系统对指令信号无静差跟踪的能力和抗干扰能力。技术方案：本专利技术提供了一种基于重复模糊控制器的不间断电源逆变系统，所述系统包括UPS逆变器、重复模糊控制器和PWM驱动模块；所述UPS逆变器包括直流源、与所述直流源连接的逆变桥以及滤波器；所述重复模糊控制器包括重复控制器、模糊控制器；所述UPS逆变器通过跟踪控制输出电压，经PWM驱动模块驱动所述逆变桥的开关器件的动作使得直流电压对电感进行充放电，经滤波器后，在负载侧获得交流电压；所述重复控制器包括重复内模、稳定环节、周期延时环节以及补偿环节；所述重复内模，外部信号的动力学模型植入所述重复控制器构成反馈控制系统；所述稳定环节，对所述重复内模的改进措施，衰减上周期误差累积输出值；所述周期延时环节，将控制信号延迟一个周期；所述补偿环节，采用模糊控制理论，对系统误差进行跟踪使控制对象的输出跟踪指令信号，对相位和幅值进行补偿；所述模糊控制器，串联于所述重复控制器的重复内模后，使产生的误差进行模糊归纳，通过模糊控制思路计算uf，对重复控制进行动态补偿。进一步地，所述系统还包括蓄电池，所述UPS逆变器接入直流电压，且所述蓄电池电压与其所述直流电压保持一致。进一步地，所述开关器件选择IGBT并带有换路续流二极管，所述滤波器为常用的LC滤波器。本专利技术还公开了一种基于重复模糊控制器的不间断电源逆变系统设计方法，包括如下步骤：步骤1：构建不间断电源逆变系统数学模型；步骤2：设计重复控制器，包括设计重复内模、稳定环节、周期延时环节以及补偿环节并对其稳定性进行分析；步骤3：模糊控制器设计；3.1)模糊化：首先对内模输出的包含了指令与干扰信息的信号urpt进行模糊化处理，计算出重复内模输出，即模糊控制输入连续闭区间的物理论域，并将物理论域量化得到离散论域Nrpt，得到模糊集A；同时得到模糊控制器输出uf的离散论域，得到模糊集B；3.2)设计模糊规则：模糊规则Rule设计如下：3.3)进行模糊推理：假设从所述重复内模中检测到误差erpt，量化后得到离散值k，那么可利用离散论域Nrpt在模糊集A中找到该元素所对应的模糊语言以及对应的不为零的隶属度μAi(k)，因为对应隶属度可能不唯一，所以i＝(1,2,3,···,n)的整数来分别表示，这也将使得和i对应数量的模糊规则被激活，通过与运算可以得到模糊推理的过程变量其中，ci为模糊规则中模糊语言在模糊集B里所对应的隶属度集合；最终将各过程变量进行或运算得到模糊推理结果η为输出隶属度函数，即模糊控制器输入与输出的模糊关系：3.4)解模糊化；通过步骤3.3)模糊推理得到了输出隶属度函数为η的模糊量，再通过重心法对其进行解模糊化得到补偿所述重复内模的清晰变量uf，解模糊化公式如下：其中，p为η中元素的个数，为η中各元素与其对应的隶属度的积进行累加，为η中各元素的隶属度和，精确值将对重复内模进行动态补偿，实现重复模糊控制器的无静差跟踪。优选地，所述重复内模的内模传递函数如下：式中，e-Ls为频域中延迟响应的表达式，L为指令信号的周期，当频率为基波频率整数倍时，其输出就是对输入信号的逐周期累加，s为Laplace算子，e为自然底数，U(s)、E(s)分别表示的是重复控制器输出与输入；该传递函数在离散域内可以表示如下：其中，N表示基波周期内的采样点数，即fs为采样频率，f为基波频率。优选地，所述稳定环节的特征方程为：E(Z)＝R(Z)·(1-Z-N)+E(Z)·Z-N·[1-P(Z)]其中，E(Z)、R(Z)、P(Z)分别表示离散域控制器输入、指令信号与被控对象的表达式，R(Z)·(1-Z-N)稳定收敛于给定的指令信号R(Z)，因此，只需满足E(Z)·Z-N·[1-P(Z)]也收敛，才能使系统稳定；根据李雅普诺夫稳定性理论系统渐进稳定的约束条件为：||Q·[1-P(Z)]||∞＜1其中，||·||∞为欧几里得范数，代表向量的长度；Q为衰减系数，重复内模每周期都会增加输出量，因此取小于1的常数，或其他形式的函数用于维持输出稳定，该式在李雅普诺夫意义下表示，在稳定的平衡状态下，时域上任意的解t→∞时，函数值都收敛于半径为1的球域上，就认为其渐进稳定。优选地，所述周期延时环节为：在前向通道上的Z-N使控制信号延迟N拍。优选地，所述补偿环节C(Z)加在所述重复内模输出后，在重复内模输出包含指令和扰动信号时，针对被控对象P(Z)的特性来弥补系统控制的误差，其误差传递函数如下：有益效果：本专利技术引入模糊控制，改进重复控制的补偿环节，提出了重复模糊控制策略在逆变器中的应用。模糊控制避免了重复控制设计复杂补偿器的过程，弥补了现有技术重复控制精确度不高的缺陷，实现正弦信号的无静差跟踪，同时又利用了模糊控制在纯滞后，非线性环境下的优势和快速的动态响应能力，提高了控制器的整体性能。附图说明图1为本专利技术单相逆变器主电路结构图；图2为本专利技术基于重复模糊控制的单相逆变器模型；图3为重复内模在Z域下的等效结构图；图4为理想状态下闭环重复控制器等效结构图；图5为内模的结构图等效变换本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于重复模糊控制器的不间断电源逆变系统，其特征在于，所述系统包括UPS逆变器、重复模糊控制器和PWM驱动模块；所述UPS逆变器包括直流源、与所述直流源连接的逆变桥以及滤波器；所述重复模糊控制器包括重复控制器、模糊控制器；/n所述UPS逆变器通过跟踪控制输出电压，经PWM驱动模块驱动所述逆变桥的开关器件的动作使得直流电压对电感进行充放电，经滤波器后，在负载侧获得交流电压；/n所述重复控制器包括重复内模、稳定环节、周期延时环节以及补偿环节；所述重复内模，外部信号的动力学模型植入所述重复控制器构成反馈控制系统；所述稳定环节，对所述重复内模的改进措施，衰减上周期误差累积输出值；所述周期延时环节，将控制信号延迟一个周期；所述补偿环节，采用模糊控制理论，对系统误差进行跟踪使控制对象的输出跟踪指令信号，对相位和幅值进行补偿；/n所述模糊控制器，串联于所述重复控制器的重复内模后，使产生的误差进行模糊归纳，通过模糊控制思路计算u

【技术特征摘要】
1.一种基于重复模糊控制器的不间断电源逆变系统，其特征在于，所述系统包括UPS逆变器、重复模糊控制器和PWM驱动模块；所述UPS逆变器包括直流源、与所述直流源连接的逆变桥以及滤波器；所述重复模糊控制器包括重复控制器、模糊控制器；
所述UPS逆变器通过跟踪控制输出电压，经PWM驱动模块驱动所述逆变桥的开关器件的动作使得直流电压对电感进行充放电，经滤波器后，在负载侧获得交流电压；
所述重复控制器包括重复内模、稳定环节、周期延时环节以及补偿环节；所述重复内模，外部信号的动力学模型植入所述重复控制器构成反馈控制系统；所述稳定环节，对所述重复内模的改进措施，衰减上周期误差累积输出值；所述周期延时环节，将控制信号延迟一个周期；所述补偿环节，采用模糊控制理论，对系统误差进行跟踪使控制对象的输出跟踪指令信号，对相位和幅值进行补偿；
所述模糊控制器，串联于所述重复控制器的重复内模后，使产生的误差进行模糊归纳，通过模糊控制思路计算uf，对重复控制进行动态补偿。


2.根据权利要求1所述的基于重复模糊控制器的不间断电源逆变系统及其设计方法，其特征在于，所述系统还包括蓄电池，所述UPS逆变器接入直流电压，且所述蓄电池电压与其所述直流电压保持一致。


3.根据权利要求1所述的基于重复模糊控制器的不间断电源逆变系统及其设计方法，其特征在于，所述开关器件选择IGBT并带有换路续流二极管，所述滤波器为常用的LC滤波器。


4.一种基于重复模糊控制器的不间断电源逆变系统设计方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：构建不间断电源逆变系统数学模型；
步骤2：设计重复控制器，包括设计重复内模、稳定环节、周期延时环节以及补偿环节并对其稳定性进行分析；
步骤3：模糊控制器设计；
3.1)模糊化：首先对内模输出的包含了指令与干扰信息的信号urpt进行模糊化处理，计算出重复内模输出，即模糊控制输入连续闭区间的物理论域，并将物理论域量化得到离散论域Nrpt，得到模糊集A；同时得到模糊控制器输出uf的离散论域，得到模糊集B；
3.2)设计模糊规则：
模糊规则Rule设计如下：



3.3)进行模糊推理：
假设从所述重复内模中检测到误差erpt，量化后得到离散值k，那么可利用离散论域Nrpt在模糊集A中找到该元素所对应的模糊语言以及对应的不为零的隶属度μAi(k)，因为对应隶属度可能不唯一，所以i＝(1,2,3,···,n)的整数来分别表示，这也将使得和i对应数量的模糊规则被激活，通过与运算可以得到模糊推理的过程变量

【专利技术属性】
技术研发人员：王业琴，洪程，杨艳，李文涛，吴婷婷，陈煜洋，邵友成，李子昕，
申请(专利权)人：淮阴工学院，
类型：发明
国别省市：江苏;32