一种用于感应加热电源H无穷控制器的设计方法技术

本发明专利技术公开了一种用于感应加热电源H无穷控制器的设计方法，通过分析感应加热系统，建立基于整流侧的系统的等效电路；通过构建等效电路在abc三相坐标系下的数学模型，进一步将其转换至两相旋转坐标系下，并进行线性化解耦；通过解耦后的数学模型构建PI的双闭环控制系统；根据H∞控制理论求得最优控制率对双闭环控制系统进行改进，达到克服原系统抗干扰能力差等突出问题；最后通过仿真进一步调整参数，实现控制系统的最优化。本发明专利技术具有H∞控制的优点，能够有效地应对模型参数摄动以及实际环境中存在强电磁干扰等问题；控制系统具有较强的鲁棒性和适应性，并且不依赖于系统完全精确的数学模型。

A design method of H infinity controller for induction heating power supply

【技术实现步骤摘要】
一种用于感应加热电源H无穷控制器的设计方法
本专利技术涉及感应加热领域，特别涉及一种用于感应加热电源H无穷控制器的设计方法。
技术介绍
感应加热由于其拥有效率高、精确输出功率控制和高性能等方面的优势，已成为许多工业、家庭和医疗应用的首选加热技术。现有感应加热电源整流器的控制器存在许多缺陷：传统控制算法中控制模型的建立必须基于精确的参数模型，如存在不确定的参数时控制精度会大幅下降；当加热系统工作在存在强电磁干扰的环境下，由于传统控制器的抗干扰能力较差、容错性低，控制效果会出现偏差甚至失去稳定。因此对感应加热电源整流部分控制器的改进意义重大。王忠量等以三项PWM整流器拓扑结构为基础建立了三相VSR和三相CSR的数学模型，并根据模型设计和分析了PWM空间矢量控制方法。MuhammadNawaz等通过对感应加热电源的等效处理，简化了功率控制器设计所需要考虑的因素。之后基于三相CSR在dq旋转坐标系下的数学模型设计了模型预测控制器，并且实现了更好的控制效果。张萌等基于感应加热电源模型分析的基础上，结合了模糊PID控制和神经网络控制理论，设计了模糊神经网络控制器。上述方法中空间矢量控制方法仍然没能有效的解决强干扰情况下的控制问题。模型预测控制和模糊神经网络控制虽然效果都比较理想，但这些先进的控制算法隐含大量微积分环节，在实际系统中难以应用。
技术实现思路
为了克服现有技术中的不足，本专利技术提供一种用于感应加热电源H无穷控制器的设计方法，在面对外部系统的强电磁干扰或系统内部电气元件参数摄动等情况下仍能保持控制精度，具有较强的鲁棒性，同时又不具有过于复杂的微积分环节，方便应用于实际系统的鲁棒控制器设计方法。为了达到上述专利技术目的，解决其技术问题所采用的技术方案如下：一种用于感应加热电源H无穷控制器的设计方法，包括以下步骤：步骤A：对感应加热电源进行等效的简化处理，把逆变器以及后面的感应线圈和实际加热负载等效为纯阻抗，并且根据实际情况计算出等效的电阻值；步骤B：将感应加热系统转化为以整流部分为主的等效电路，并确定电路中的各元器件的参数范围；步骤C：建立基于三相静止abc坐标系的感应加热系统等效电路的数学模型，之后通过坐标变换得到基于dq两相旋转坐标系的感应加热系统数学模型；步骤D：构建等效电路的双闭环控制系统，分别设计电压外环调节器和电流内环调节器；步骤E：通过H∞控制理论得出系统的最优控制率，并对等效感应加热系统的双闭环控制的进行修正。进一步的，所述步骤A具体为：电路建模时将逆变电路和负载等效为纯阻抗电阻，并根据实际情况直接计算出等效的阻值。进一步的，所述步骤B具体为：首先求出基于整流部分的感应加热系统等效电路，之后直接根据整流器元件的参数和系统实际的工作情况确定各个参数的范围。进一步的，所述步骤C具体为：根据基尔霍夫电压定律，建立感应加热系统等效电路的状态方程为：式中，L和R分别为为交流侧的滤波电感和等效电阻，C为直流侧稳压电容，Udc为直流侧负载电压，(ia、ib、ic)、(ea、eb、ec)分别为交流侧电流、交流侧电压abc三相的取值，sa、sb、sc则为abc三相对应的开关函数；之后通过下方坐标变换矩阵，将模型从三相静止坐标系转换至两相静止坐标系：式中，xα、xβ为两相静止坐标系的基，xa、xb、xc为三相静止坐标系的基；得出两相静止坐标系下的方程，再将其向两相旋转坐标系dq变换，引入旋转因子有：Xαβ＝Xdqejθ＝Xd+jXq(θ＝∫ωdt，ω＝2πf)式中，Xαβ为两相静止坐标系的基，Xdq为两相旋转坐标系的基，Xd、Xq分别为两相旋转坐标系下的分量；最终可以推导出等效感应加热系统在dq两相旋转坐标系下的数学模型：式中，ω为电网角频率，Udc为直流侧负载电压，(id、iq)、(ed、eq)、(sd、sq)分别为电网电流、电网电压和开关函数的d、p轴分量，RL为等效负载的电阻值。进一步的，所述步骤D具体为：上述模型包含两个变量的乘积项，属于非线性模型，需对其进行线性化处理，采用前馈解耦的方法进行解耦，使其变成近似的线型系统之后再加入控制器以实现分别控制输入电流的有功和无功功率，得到电流控制器的方程为：式中，KiI和KiP分别为积分调节的系数，和则为d、q坐标系下的电流指令；进一步可以得出包括电压外环和电流内环的双闭环控制模块。进一步的，所述步骤E具体为：根据上文中的控制模型，结合H∞控制理论，将被控对象转化成标准状态方程形式为：式中，x为状态变量，u为输入变量，z和y分别为期望输出和系统输出变量，A、B1、B2、C1、C2、D11、D12、D21、D22则分别为与后续变量对应的参数矩阵；使其满足(A，B1)和(A，B2)为可控，(C1，A)和(C2，A)为能观测，和下式：D11＝0，D22＝0控制器的设计问题可以转换为求解P的两个Riccati方程：式中，X，Y分别为方程组的两个非负解，γ为控制指标，控制器K为：K表达式中：Z∞＝(I-γ-2Y∞x∞)-1带入参数对上式进行求解，得出最优控制率为：之后对双闭环控制模块进行调整，得到系统的H∞控制器模型。本专利技术由于采用以上技术方案，使之与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果：1、本专利技术构建了基于整流侧的系统模型，简化了系统的建模和设计难度；2、本专利技术在功率控制部分对传统的控制器应用H∞鲁棒控制原理进行了改进，使其具有更强的抗干扰能力和鲁棒性。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单的介绍。显而易见，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。附图中：图1为本专利技术的设计流程图；图2为本专利技术中感应加热系统的结构框图；图3为等效的感应加热系统电路图；图4为双闭环控制的电流内环传递函数结构图；图5为双闭环控制的电压外环传递函数结构图；图6为H∞反馈控制系统框图；图7为本专利技术实施例中在Matlab中搭建的等效感应加热系统的控制器模型；图8为本专利技术仿真效果图。具体实施方式以下将结合本专利技术的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述和讨论，显然，这里所描述的仅仅是本专利技术的一部分实例，并不是全部的实例，基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术的保护范围。本实施例以一种常规的感应加热系统为例，设计流程图如图1所示，具本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于感应加热电源H无穷控制器的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：/n步骤A：对感应加热电源进行等效的简化处理，把逆变器以及后面的感应线圈和实际加热负载等效为纯阻抗，并且根据实际情况计算出等效的电阻值；/n步骤B：将感应加热系统转化为以整流部分为主的等效电路，并确定电路中的各元器件的参数范围；/n步骤C：建立基于三相静止abc坐标系的感应加热系统等效电路的数学模型，之后通过坐标变换得到基于dq两相旋转坐标系的感应加热系统数学模型；/n步骤D：构建等效电路的双闭环控制系统，分别设计电压外环调节器和电流内环调节器；/n步骤E：通过H∞控制理论得出系统的最优控制率，并对等效感应加热系统的双闭环控制的进行修正。/n

【技术特征摘要】
1.一种用于感应加热电源H无穷控制器的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤A：对感应加热电源进行等效的简化处理，把逆变器以及后面的感应线圈和实际加热负载等效为纯阻抗，并且根据实际情况计算出等效的电阻值；
步骤B：将感应加热系统转化为以整流部分为主的等效电路，并确定电路中的各元器件的参数范围；
步骤C：建立基于三相静止abc坐标系的感应加热系统等效电路的数学模型，之后通过坐标变换得到基于dq两相旋转坐标系的感应加热系统数学模型；
步骤D：构建等效电路的双闭环控制系统，分别设计电压外环调节器和电流内环调节器；
步骤E：通过H∞控制理论得出系统的最优控制率，并对等效感应加热系统的双闭环控制的进行修正。


2.根据权利要求1所述的一种用于感应加热电源H无穷控制器的设计方法，其特征在于，所述步骤A具体为：
电路建模时将逆变电路和负载等效为纯阻抗电阻，并根据实际情况直接计算出等效的阻值。


3.根据权利要求1所述的一种用于感应加热电源H无穷控制器的设计方法，其特征在于，所述步骤B具体为：
首先求出基于整流部分的感应加热系统等效电路，之后直接根据整流器元件的参数和系统实际的工作情况确定各个参数的范围。


4.根据权利要求1所述的一种用于感应加热电源H无穷控制器的设计方法，其特征在于，所述步骤C具体为：
根据基尔霍夫电压定律，建立感应加热系统等效电路的状态方程为：



式中，L和R分别为为交流侧的滤波电感和等效电阻，C为直流侧稳压电容，Udc为直流侧负载电压，(ia、ib、ic)、(ea、eb、ec)分别为交流侧电流、交流侧电压abc三相的取值，sa、sb、sc则为abc三相对应的开关函数；
之后通过下方坐标变换矩阵，将模型从三相静止坐标系转换至两相静止坐标系：



式中，xα、xβ为两相静止坐标系的基，xα、xb、xc为三相静止坐标系的基；
得出两相静止坐标系下的方程，再将其向两相旋转坐标系dq变换，引入旋转因子有：
Xαβ＝Xdqejθ＝Xd+jXq(θ＝∫ωdt，ω＝2πf)
式中，Xαβ为两相静止坐标系的基...

【专利技术属性】
技术研发人员：曹家勇，党铭章，吕文壮，许海波，
申请(专利权)人：上海应用技术大学，
类型：发明
国别省市：上海;31