三相電壓源型PWM整流器3VSR的控制方法

控制技術(shù)是整流器技術(shù)的關(guān)鍵問題，全面綜述性介紹了三相電壓型PWM整流器的各種控制策略，并按控制理論發(fā)展規(guī)律對這些方法進(jìn)行了科學(xué)分類，還分析了這些方法的原理及特點(diǎn)。盡管PWM整流器控制研究已經(jīng)取得了很大的成績，但一些問題還沒有得到滿意的解決，展望了三相PWM整流器控制技術(shù)的發(fā)展趨勢。PWM控制技術(shù)是一項(xiàng)應(yīng)用廣泛的實(shí)用化技術(shù)，隨著研究的不斷深入，必將對國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展做出重要的貢獻(xiàn)。對三相電壓型PWM整流器控制方法的研究與選擇有一定參考指導(dǎo)價(jià)值。2100433B

整流器經(jīng)歷了不可控整流、相控整流和PWM整流三個(gè)階段的發(fā)展，其中前兩種整流存在交流側(cè)輸入電流畸變嚴(yán)重、網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)較低等問題，而PWM整流器克服了這些缺點(diǎn)，它是一種高效、可靠、綠色的電能變換器，具有雙向的功率流動(dòng)、低畸變率且正弦化的輸入電流、單位或可調(diào)的功率因數(shù)、可調(diào)的直流電壓等特點(diǎn)。因此PWM整流器得到了廣泛的應(yīng)用。根據(jù)直流側(cè)電源類型，PWM整流器可分為電壓源型整流器(VSR)、電流源型整流器(CSR)和Z源整流器(ZSR)。由于VSR的結(jié)構(gòu)簡單、儲能效率高、損耗較低、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、控制方便。因此VSR一直是PWM整流器研究和應(yīng)用的重點(diǎn)。根據(jù)并網(wǎng)交流信號不同，VSR又可分為電壓控制和電流控制。由于電流控制的方法簡單、直接，且具有限流和短路保護(hù)作用，因此使用比較廣泛。VSR的電流控制方案一般采用以直流電壓為外環(huán)、交流電流為內(nèi)環(huán)的雙環(huán)控制結(jié)構(gòu)。根據(jù)電流內(nèi)環(huán)是否引入交流電流反饋，可分為直接、間接兩種電流控制，由于直接電流控制響應(yīng)速度快，魯棒性好，占主導(dǎo)地位。

將全面完整地綜述三相VSR直接電流控制(簡稱VSR)的各種控制策略降，并展望三相PWM整流器控制技術(shù)的發(fā)展前景 。

在電壓源型整流器的雙環(huán)控制方式中，電壓外環(huán)僅需直流電壓恒定，控制比較容易，一般采用PI算法即可，但電流外環(huán)需要輸出穩(wěn)定高質(zhì)量的正弦波電流與公共電網(wǎng)同壓、同頻、同相位，控制比較困難，因此提出的控制算法很多。按照電流內(nèi)環(huán)的控制方式不同，VSR控制方式可分為傳統(tǒng)的線性/非線性控制、現(xiàn)代的非線性控制和智能控制3大類 。

三相電壓源型 PWM 整流器控制傳統(tǒng)的線性/非線性控制方法

在交流小信號分析時(shí)，整流器被視為一個(gè)線性系統(tǒng)，可用成熟的線性控制理論的方法研究;由于整流器本質(zhì)上是一個(gè)強(qiáng)非線性的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)，采用非線性控制技術(shù)才能使系統(tǒng)對參數(shù)變化和外來擾動(dòng)具有魯棒性和適應(yīng)性。下面介紹幾種傳統(tǒng)的線性/非線性控制方法 。

(1)滯環(huán)電流控制。它是由Thomas A F.在1967年首次提出，并在電流內(nèi)環(huán)采用這種滯環(huán)電流控制方式。雙閉環(huán)系統(tǒng)將外環(huán)PI調(diào)節(jié)器的輸出分別乘以與相電壓同相位的正弦電壓，得到一個(gè)指令正弦電流，將它與實(shí)際檢測到的交流電流進(jìn)行比較，兩者的偏差作為滯環(huán)比較器的輸入，通過滯環(huán)比較器產(chǎn)生控制主電路中開關(guān)通斷的PWM信號，該P(yáng)WM信號經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路控制并網(wǎng)逆變器的相應(yīng)開關(guān)器件通斷，使實(shí)際電流追蹤指定的電流的變化。滯環(huán)電流比較器集電流控制與PWM產(chǎn)生于一體，它兼有電流控制器和PWM產(chǎn)生作用。

優(yōu)點(diǎn)：控制結(jié)構(gòu)簡單，容易實(shí)現(xiàn)，電壓利用率高，動(dòng)態(tài)性能較好；當(dāng)功率器件的開關(guān)頻率很高時(shí)，電流響應(yīng)快，可實(shí)時(shí)控制;不存在載波，輸出電壓中不含特定頻率的諧波分量；若滯環(huán)的環(huán)寬固定，電流跟蹤的誤差范圍是固定的;控制運(yùn)算中未使用電路參數(shù)，對負(fù)載及電路參數(shù)變化不敏感，系統(tǒng)魯棒性好，應(yīng)用較廣。缺點(diǎn)：開關(guān)頻率在一個(gè)工頻周期內(nèi)不固定，且隨著系統(tǒng)運(yùn)行條件的變化而變化，不能有效地控制開關(guān)器件的最高開關(guān)頻率；諧波電流頻譜隨機(jī)分布，增加了濾波器設(shè)計(jì)困難;開關(guān)的損耗較大;對外界的電磁干擾也較大。因此，此法現(xiàn)己基本不采用。

(2)三角載波比較法的控制。它是由WuRusong等在1990年提出，它采用由時(shí)鐘定時(shí)控制的比較器代替滯環(huán)比較器，它是將指令電流與實(shí)際輸出電流進(jìn)行比較，兩者的電流偏差通過PI調(diào)節(jié)后再與一個(gè)固定頻率的三角載波比較，以產(chǎn)生PWM信號，因而實(shí)現(xiàn)固定的逆變器開關(guān)頻率。

優(yōu)點(diǎn)：開關(guān)頻率固定，很少產(chǎn)生噪聲，開關(guān)消耗也較少；控制算法簡便，物理意義清晰，實(shí)現(xiàn)方便；由于開關(guān)頻率固定，網(wǎng)側(cè)變壓器及濾波電感設(shè)計(jì)容易；并網(wǎng)電流的閉環(huán)控制，提高了電流控制性能，增強(qiáng)了系統(tǒng)魯棒性；隨著功率器件開關(guān)頻率的增加，控制性能得到改善。缺點(diǎn)：必須存在電流偏差(相位延遲和幅值誤差)才能產(chǎn)生PWM波，這種相位偏差對高性能驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是有害的；電流跟隨誤差較大，軟件實(shí)現(xiàn)較復(fù)雜；由于加入了PI調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)，電流動(dòng)態(tài)響應(yīng)不如滯環(huán)比較法快。

(3)靜態(tài)PID控制及其改進(jìn)。 PID控制是通過比例、積分、微分算法來實(shí)現(xiàn)對被控對象的控制。由于其算法簡單成熟、魯棒性和可靠性較高、控制效果良好，因此，已廣泛應(yīng)用于PWM整流器控制，在三相靜止abc坐標(biāo)系下需要采用三個(gè)PID控制器。

優(yōu)點(diǎn)：控制策略的物理意義清晰，實(shí)現(xiàn)相對簡單;算法簡單明了，參數(shù)易于整定，設(shè)計(jì)過程不過分依賴系統(tǒng)參數(shù)，控制的適應(yīng)性好，魯棒性較強(qiáng)，可靠性高。缺點(diǎn):局限于線性定常系統(tǒng)，對于模型參數(shù)大范圍變化且非線性較強(qiáng)系統(tǒng)，PID控制難以滿足高精度、快響應(yīng)的控制要求;由于反饋電流為交流輸出電流的瞬時(shí)值，參考電流和輸出電流問存在相位誤差，對于交流正弦系統(tǒng)，PID調(diào)節(jié)不能夠?qū)崿F(xiàn)無靜差控制，因此輸出電流的穩(wěn)態(tài)誤差較大，不能及時(shí)跟蹤正弦波給定電流。引入電網(wǎng)電壓前饋控制可克服穩(wěn)態(tài)誤差問題，但也易引起電網(wǎng)的畸變。

(4)同步矢量PID控制。為克服上面控制方法存在靜差的缺點(diǎn)，整流器的內(nèi)環(huán)一般都采用同步旋轉(zhuǎn)Pq坐標(biāo)系下PI控制。先將三相靜止坐標(biāo)系的量轉(zhuǎn)換成為兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)量，這樣可把對交流量的控制轉(zhuǎn)變成對直流量的控制，然后采用兩個(gè)PID運(yùn)算，最后反變換轉(zhuǎn)換為各相的控制量。該控制可分為基于電壓定向(VOC)和基于虛擬磁鏈定向(VFOC)兩種控制策略，其中VOC具有直接電流控制的動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、穩(wěn)態(tài)性能好、白身有限流保護(hù)能力等優(yōu)點(diǎn)，還可以消除電流穩(wěn)態(tài)誤差，達(dá)到單位功率因數(shù)，因此應(yīng)用十分廣泛；VFOC雖然其算法復(fù)雜，但輸入側(cè)省去了電流傳感器，控制回路中省去了兩個(gè)電流調(diào)節(jié)器，簡化了電路結(jié)構(gòu)，優(yōu)化了系統(tǒng)性能，具有良好的動(dòng)態(tài)性能和高的功率因數(shù)。

優(yōu)點(diǎn)：在同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下，交流電流分量變?yōu)橹绷鞣至浚瑢χ绷髁靠梢詫?shí)現(xiàn)無靜差控制，系統(tǒng)具有更好的穩(wěn)態(tài)性能;在旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下，更有利于有功電流和無功電流的獨(dú)立控制。缺點(diǎn):模型上相互禍合，對控制的靜、動(dòng)態(tài)性能不利，為完全克服有功電流分量和無功電流分量之問交義禍合電勢的作用，實(shí)現(xiàn)完全解禍控制，可采用內(nèi)模解禍控制方式;PI控制器的參數(shù)設(shè)計(jì)與選擇要經(jīng)過一系列的測試才能獲得性能較優(yōu)的參數(shù)。

(5)比例諧振控制。PWM整流器內(nèi)環(huán)電流的矢量控制需要經(jīng)過多次坐標(biāo)變換，且需要前饋解禍控制，因而系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，實(shí)現(xiàn)困難。比例諧振控制((PRC)在1998年提出，它可省去復(fù)雜的交直流變換，而是直接控制交流量，來達(dá)到消除穩(wěn)態(tài)誤差，使輸入電流跟蹤參考電流。PRC由比例調(diào)節(jié)器和諧振調(diào)節(jié)器組成，它在基頻處增益無窮大，而在非基頻處增益很小，因此，它可對頻率為基頻的正弦信號實(shí)現(xiàn)無靜差跟蹤控制。通過把基頻設(shè)置為電網(wǎng)電壓的基頻，即可對網(wǎng)側(cè)變換器電流進(jìn)行PRC控制。

優(yōu)點(diǎn)：省去了兩次坐標(biāo)變換環(huán)節(jié)，且不需要設(shè)置前饋解禍，從而加快了動(dòng)態(tài)響應(yīng)過程，簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了靜止坐標(biāo)系電流的無靜差控制。缺點(diǎn)：控制器的設(shè)計(jì)不直接，需要經(jīng)過一系列的測試。

(6)線性狀態(tài)反饋控制。它是以整流器的小信號線性化狀態(tài)空問模型為基礎(chǔ)，采用狀態(tài)反饋來任意地配置閉環(huán)系統(tǒng)極點(diǎn)或設(shè)計(jì)最優(yōu)二次型調(diào)節(jié)器，從而使整流器控制系統(tǒng)有良好的瞬態(tài)響應(yīng)和較低的諧波畸變率。一般將狀態(tài)反饋?zhàn)鳛殡娏鲀?nèi)環(huán)、再加上電壓外環(huán)控制形成雙環(huán)控制方案，利用狀態(tài)反饋改善空載阻尼比小、動(dòng)態(tài)特性差的不足，與外環(huán)共同實(shí)施對逆變器的波形校正。另外，也可不分開電壓、電流控制，而是對整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行閉環(huán)極點(diǎn)配置或設(shè)計(jì)最優(yōu)二次型調(diào)節(jié)器。它需要事先離線算出各個(gè)靜態(tài)工作點(diǎn)的狀態(tài)空問模型及與之對應(yīng)的反饋矩陣，然后存入存儲器。工作時(shí)，還要檢測負(fù)載電流或等效負(fù)載電阻以確定當(dāng)前的工作點(diǎn)，然后查表讀取相應(yīng)的反饋矩陣。

優(yōu)點(diǎn):可任意配置閉環(huán)系統(tǒng)的極點(diǎn)位置，抑制了擾動(dòng)影響和暫態(tài)振蕩，提高了動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度，改善了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)品質(zhì)，對線性負(fù)載的響應(yīng)很好。缺點(diǎn):對系統(tǒng)模型依賴性強(qiáng)，而建立狀態(tài)模型時(shí)很難將負(fù)載特性完全考慮在內(nèi)，通常只能針對空載或特定負(fù)載進(jìn)行建模，當(dāng)模型參數(shù)和負(fù)載變化時(shí)控制效果變差，因此魯棒性差;對系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)指標(biāo)的影響不大，不能抑制各種干擾引起的波形畸變;參數(shù)整定復(fù)雜，需要多次試湊極點(diǎn)以得到要求的動(dòng)態(tài)性能;對交流電流進(jìn)行無差跟蹤，要求控制器具有無限帶寬;要求對靜止工作點(diǎn)的劃分很細(xì)，占用存儲空問較大，離線計(jì)算量也比較大，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜。

（7）幾種預(yù)測控制。PWM整流器兒乎都采用數(shù)字控制，由采樣和計(jì)算產(chǎn)生的延遲會影響系統(tǒng)穩(wěn)定，控制效果會下降。因此，采用預(yù)測電流、無差拍、單周、重復(fù)、模型預(yù)測等兒種預(yù)測控制技術(shù)對延遲進(jìn)行補(bǔ)償，但這些方法未充分考慮到PWM整流器的非線性特性，本質(zhì)上仍為線性控制。

1）預(yù)測電流控制。它是在固定的采樣周期內(nèi)，根據(jù)負(fù)載情況和給定的電流矢量變化率的電路模型，以本次采樣實(shí)際電流與下一采樣時(shí)刻的預(yù)測電流進(jìn)行比較，推導(dǎo)出最優(yōu)控制電壓以及電壓空問矢量，作用于下一個(gè)周期并由此決定三相橋臂各功率器件的通斷，使實(shí)際電流在一個(gè)周期內(nèi)跟蹤參考電流，實(shí)現(xiàn)整流器快速的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能。

優(yōu)點(diǎn):數(shù)學(xué)推導(dǎo)嚴(yán)密，控制簡單，數(shù)字實(shí)現(xiàn)容易;跟蹤無過沖、電流諧波小，器件開關(guān)應(yīng)力小，動(dòng)態(tài)性能好，特別是在高采樣頻率和開關(guān)頻率時(shí)，電流跟蹤能力強(qiáng)，電流波形畸變小。缺點(diǎn):在低的采樣頻率下，會產(chǎn)生周期性的電流誤差，且電流誤差比滯環(huán)電流控制要大;對參數(shù)的變化敏感，魯棒性差;計(jì)算量較大，響應(yīng)速度較慢。

2)無差拍控制。它是一種基于電路方程的控制方式，它利用狀態(tài)反饋實(shí)現(xiàn)零點(diǎn)和極點(diǎn)的對消，并配置另一個(gè)極點(diǎn)于原點(diǎn)。20世紀(jì)80年代被應(yīng)用到逆變器上，它是根據(jù)逆變器的狀態(tài)方程和輸出反饋信號來推算出下一個(gè)開關(guān)周期的PWM脈沖寬度，從第2個(gè)采樣周期起，輸出波形就可以很好地跟蹤參考指令，使得由負(fù)載擾動(dòng)引起的輸出電壓偏差可在一個(gè)采樣周期內(nèi)得到修正。

優(yōu)點(diǎn)：動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快，輸出能夠很好地跟蹤給定，波形畸變率很小，即使在很低的開關(guān)頻率下，也能得到較好的輸出波形品質(zhì);通過調(diào)節(jié)逆變橋的輸出相位來補(bǔ)償LC濾波器的相位延時(shí)，使輸出電壓的相位與負(fù)載關(guān)系不大;負(fù)載適應(yīng)能力強(qiáng)，對負(fù)載切換造成的過渡過程短，對非線性負(fù)載輸出諧波失真小。缺點(diǎn)：要求脈寬必須當(dāng)拍計(jì)算當(dāng)拍輸出，運(yùn)算的實(shí)時(shí)性要求很高，否則會影響系統(tǒng)特性;由于采樣和計(jì)算時(shí)問的延遲，輸出脈沖的占空比受到很大限制;對系統(tǒng)參數(shù)變化反應(yīng)靈敏，系統(tǒng)魯棒性差，通過加入負(fù)載電流觀察器可解決這個(gè)問題，但算法復(fù)雜，且當(dāng)采樣頻率不高時(shí)誤差較大。

3)單周控制。它通過控制開關(guān)占空比，在每個(gè)周期內(nèi)強(qiáng)迫開關(guān)變量的平均值與控制參考量相等或成一定比例，從而在一個(gè)周期內(nèi)白動(dòng)消除穩(wěn)態(tài)、瞬態(tài)誤差，使前一周期的誤差不會帶到下一周期。該技術(shù)同時(shí)具有調(diào)制和控制的雙重性，通過復(fù)位開關(guān)、積分器、比較器、觸發(fā)電路達(dá)到跟蹤指令信號的目的。

優(yōu)點(diǎn)：能在一個(gè)周期內(nèi)抵制電源側(cè)的擾動(dòng)，消除靜態(tài)誤差和動(dòng)態(tài)誤差，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，能減小畸變和抑制電源干擾，對輸入擾動(dòng)抑制能力強(qiáng)；無需檢測輸入電壓、鎖相環(huán)和其他同步電路，只需檢測輸入電流和輸出電壓，用模擬器件就可實(shí)現(xiàn);電路簡單、成本低、可靠性高、實(shí)現(xiàn)容易、穩(wěn)定性好；開關(guān)頻率恒定，魯棒性強(qiáng)。缺點(diǎn)：需要快速復(fù)位的積分電路，硬件電路較復(fù)雜;對開關(guān)誤差校正能力有限，存在穩(wěn)態(tài)誤差，精度欠佳；對負(fù)載擾動(dòng)抑制能力差，負(fù)載動(dòng)態(tài)響應(yīng)慢，若將輸入電壓誤差引入積分器，負(fù)載擾動(dòng)抑制會有所改善，但負(fù)載擾動(dòng)信號是基于輸出電壓誤差，不能實(shí)現(xiàn)最優(yōu)動(dòng)態(tài)響應(yīng)。

4)重復(fù)控制。它是一種基于內(nèi)模原理的控制方法，它利用內(nèi)模原理，在穩(wěn)定的閉環(huán)系統(tǒng)內(nèi)設(shè)置一個(gè)可以產(chǎn)生與參考輸入同周期的內(nèi)部模型，從而使系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對外部周期性的正弦參考信號的漸近跟蹤，并消除重復(fù)出現(xiàn)的畸變。為了增強(qiáng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，在理想重復(fù)控制器中加入一些濾波器。

優(yōu)點(diǎn)：可克服死區(qū)、非線性負(fù)載等周期性干擾引起的輸出波形周期性畸變；可以消除周期性干擾產(chǎn)生的穩(wěn)態(tài)誤差，獲得低THD的穩(wěn)態(tài)輸出波形；控制魯棒性強(qiáng)，且數(shù)字實(shí)現(xiàn)容易。缺點(diǎn)：由于延遲因了的存在，在干擾出現(xiàn)的一個(gè)基波周期內(nèi)，系統(tǒng)對干擾不產(chǎn)生任何調(diào)節(jié)作用，控制的實(shí)時(shí)性差，動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度慢，可采用與PI等復(fù)合控制來解決此問題。

5)模型預(yù)測控制。預(yù)測控制具有多步測試、滾動(dòng)優(yōu)化和反饋校正三個(gè)基本特征，它不是采用不變的全局優(yōu)化目標(biāo)，而是采用滾動(dòng)式的有限時(shí)域優(yōu)化策略，使得在控制的全程中實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)優(yōu)化，而在控制的每步實(shí)現(xiàn)靜態(tài)參數(shù)優(yōu)化，及時(shí)彌補(bǔ)了模型失配、時(shí)變、干擾等引起的不確定性，使控制保持實(shí)際上的最優(yōu)。它主要包括模型算法控制(MAC)、動(dòng)態(tài)矩陣控制(DMC)、廣義預(yù)測控制(GPC)、預(yù)測函數(shù)控制((PFC)等多種算法，其中MAC采用基于脈沖響應(yīng)的非參數(shù)模型作為內(nèi)部模型，它已用于PWM整流器控制中，根據(jù)網(wǎng)側(cè)電流和整流器輸入側(cè)電流問傳遞函數(shù)得出整流器的一階差分方程作為預(yù)測模型，實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)側(cè)電流的模型預(yù)測控制。此法常與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊、白適應(yīng)、魯棒等其他控制方法相結(jié)合。

優(yōu)點(diǎn)：預(yù)測和優(yōu)化模式是對最優(yōu)控制的修正，建模方便；采用非最小化描述的離散卷積和模型，信息冗余量大，提高了魯棒性;采用滾動(dòng)優(yōu)化策略，使模型失配、畸變、干擾等引起的不確定性及時(shí)得到彌補(bǔ)，提高了抗擾性和適應(yīng)性；對模型精度要求不高，跟蹤性能良好，更適于復(fù)雜工業(yè)過程控制。缺點(diǎn)：控制設(shè)計(jì)較復(fù)雜，當(dāng)控制量有約束時(shí)變成了非線性約束優(yōu)化問題，系統(tǒng)設(shè)計(jì)和控制算法更為復(fù)雜;在線計(jì)算時(shí)間長，計(jì)算量大;理論分析難以深入，對多變量預(yù)測控制算法的穩(wěn)定性、魯棒性的研究巫待解決;對于線性系統(tǒng)可以解析求解，在線計(jì)算相當(dāng)簡便，而對于非線性系統(tǒng)則往往需要在線的數(shù)值迭代求解，計(jì)算量很大，無法滿足實(shí)時(shí)控制的要求。

三相電壓源型 PWM 整流器控制現(xiàn)代的非線性控制方法

由于PWM整流器屬于非線性控制系統(tǒng)，基于小信號模型用線性控制方法難以獲得非常滿意的控制效果。為提高整流器的性能，現(xiàn)代的非線性控制理論已應(yīng)用到整流器控制中，但是還很不成熟。

(1)自適應(yīng)控制。它主要用來解決整流器在運(yùn)行過程中參數(shù)攝動(dòng)和各種擾動(dòng)引起的不確定性問題，是在1954年由Tsien H S.提出的，它所依據(jù)的關(guān)于模型和擾動(dòng)的先驗(yàn)知識較少，通過不斷檢測系統(tǒng)參數(shù)或運(yùn)行指標(biāo)，在線辨識系統(tǒng)模型，自動(dòng)調(diào)整控制參數(shù)或控制策略，補(bǔ)償過程特性或環(huán)境的變化，實(shí)現(xiàn)高精度控制。它又分為線性與非線性兩類，已比較成熟的線性白適應(yīng)控制主要有模型參考自適應(yīng)控制(MRAC)和自校正控制(STAC)兩種，現(xiàn)主要研究模糊、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、魯棒等非線性白適應(yīng)控制。

優(yōu)點(diǎn)：通過在線修正自己的特性以適應(yīng)對象的變化，能夠有效地解決模型不精確和模型變化所帶來的魯棒性問題。缺點(diǎn)：數(shù)學(xué)模型的建立和運(yùn)算比較復(fù)雜，控制系統(tǒng)不易實(shí)現(xiàn)；進(jìn)行辨識和校正需要一定時(shí)問，主要適于漸變和實(shí)時(shí)性不高的過程；處理非線性系統(tǒng)及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)變化的能力較差，在多輸出系統(tǒng)中的應(yīng)用尚不成熟等。為克服不足，此法一般常與其他方法結(jié)合形成了多種新方法 。

(2)魯棒控制。它是解決PWM變換器不確定性系統(tǒng)控制的有效方法，是把系統(tǒng)的不確定性視為某種擾動(dòng)集合，然后對擾動(dòng)集合給予適當(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)描述并作為約束條件，并和原有系統(tǒng)約束條件一起形成優(yōu)化問題進(jìn)行求解，得到優(yōu)化的控制規(guī)律，這樣在預(yù)定的參數(shù)和結(jié)構(gòu)擾動(dòng)下仍然能保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可控性。它包括H

優(yōu)點(diǎn)：對于外界干擾、參數(shù)偏差、模型不確定性以及系統(tǒng)噪聲有良好的穩(wěn)定性；u綜合理論可減少時(shí)域仿真法的計(jì)算復(fù)雜度，降低一般H

(3)變結(jié)構(gòu)控制。由于整流器的開關(guān)切換動(dòng)作與變結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)點(diǎn)沿切換面高頻切換動(dòng)作上有對應(yīng)關(guān)系，變結(jié)構(gòu)控制被引入到整流器控制上，以解決整流器的時(shí)變參數(shù)問題。變結(jié)構(gòu)控制是根據(jù)被調(diào)量的偏差及其導(dǎo)數(shù)，控制規(guī)律迫使處于任何初始條件下的系統(tǒng)狀態(tài)按一定的趨近率到達(dá)并保留在預(yù)先設(shè)計(jì)好的超平面上(超平面是在狀態(tài)空問中定義的非連續(xù)函數(shù)，在超平面上系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)成為滑動(dòng)模態(tài)。為達(dá)到更好的控制效果，它與自適應(yīng)、預(yù)測、無源性、反饋線性化、模糊、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等控制相結(jié)合。

優(yōu)點(diǎn)：幾乎不依賴于模型，對參數(shù)變化和外部擾動(dòng)不敏感，魯棒性好，抗干擾能力強(qiáng);不需要在線辨識，控制規(guī)律實(shí)現(xiàn)容易；對系統(tǒng)模型精度要求不高，控制規(guī)律簡單，實(shí)現(xiàn)容易，可協(xié)調(diào)動(dòng)、靜態(tài)問矛盾；可有效降低系統(tǒng)的階數(shù)、簡化控制；理論上可應(yīng)用到各類非線性系統(tǒng)。缺點(diǎn)：開關(guān)頻率不固定，輸出紋波較大，對濾波器設(shè)計(jì)要求較高；頻繁高速的開關(guān)切換會帶來高頻抖動(dòng)，甚至導(dǎo)致不穩(wěn)，需用飽和切換函數(shù)替換理想的切換函數(shù)來解決;需要知道系統(tǒng)不確定性參數(shù)和擾動(dòng)的上、下界的準(zhǔn)確度，滑動(dòng)模態(tài)的到達(dá)條件比較嚴(yán)格，影響系統(tǒng)魯棒性;理想滑模切換面難以選取，選擇各了控制器的參數(shù)比較困難，采樣頻率要求足夠高 。

(4)反饋線性化控制。它是基于微分兒何的線性化解禍控制方法。它是以微分兒何為數(shù)學(xué)工具，通過適當(dāng)?shù)姆蔷€性狀態(tài)和反饋?zhàn)儞Q，可實(shí)現(xiàn)狀態(tài)或輸入/輸出的精確線性化，從而將復(fù)雜非線性系統(tǒng)綜合問題轉(zhuǎn)化為線性系統(tǒng)的綜合問題，然后應(yīng)用各種成熟的線性控制方法設(shè)計(jì)控制器。由于PWM整流器內(nèi)環(huán)電流系統(tǒng)具備仿射非線性系統(tǒng)的形式，符合反饋線性化條件，存在解禍矩陣，可實(shí)現(xiàn)反饋線性化控制。

優(yōu)點(diǎn)：實(shí)現(xiàn)了電流、電壓有功和無功分量的完全解禍，加速了直流電壓響應(yīng)，直流電壓跟蹤負(fù)載變化快，電流波動(dòng)?。豢蓽p少直流電容器的容量，可減少設(shè)備的成本及體積；這種線性化是完全精確的，且對有定義的整個(gè)區(qū)域都適用；解決控制系統(tǒng)內(nèi)部參數(shù)攝動(dòng)和外部參數(shù)擾動(dòng)的影響，系統(tǒng)魯棒性強(qiáng)。缺點(diǎn)：無法直接限制有功電流，且非線性控制器設(shè)計(jì)相當(dāng)復(fù)雜；解禍矩陣、反饋控制律復(fù)雜，導(dǎo)致運(yùn)算復(fù)雜，需要高速DSP;解禍矩陣可能存在奇異性，這可通過給導(dǎo)致奇異點(diǎn)的量預(yù)置數(shù)來解決；當(dāng)系統(tǒng)不確定擾動(dòng)的相對階低于未加擾動(dòng)系統(tǒng)的相對階時(shí)，系統(tǒng)的零動(dòng)態(tài)由于擾動(dòng)可能變得不穩(wěn)定，可在基于輸入輸出線性化的基礎(chǔ)上加上變結(jié)構(gòu)控制，提高系統(tǒng)的抗干擾能力。

(5)逆系統(tǒng)控制。它是先用給定對象的模型生成一種可用反饋方法實(shí)現(xiàn)的原系統(tǒng)的二階積分逆模型，將之串聯(lián)在被控對象的前面，原對象被補(bǔ)償為具有線性傳遞關(guān)系且已解禍的偽線性規(guī)范化系統(tǒng)，再用線性系統(tǒng)理論來完成偽線性系統(tǒng)的控制。此法已用于三相PWM整流器控制，利用整流器數(shù)學(xué)模型，以直流輸出電壓、有功和無功電流作為狀態(tài)反饋?zhàn)兞?，推?dǎo)出整流器的逆系統(tǒng)，構(gòu)造出偽線性閉環(huán)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了無功電流分量和直流電壓的解禍控制。

優(yōu)點(diǎn)：避免了微分兒何的復(fù)雜繁瑣理論束縛;不局限于仿射非線性系統(tǒng)，使用范圍廣;數(shù)學(xué)推導(dǎo)簡單，物理概念清晰，容易理解和應(yīng)用，適合于工程應(yīng)用。缺點(diǎn)：要求系統(tǒng)的模型精確已知，需要求出逆系統(tǒng)的解析表達(dá)式，且須滿足系統(tǒng)可逆性條件，因而應(yīng)用受到很大限制。由于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)不依賴于模型，常將其與其他結(jié)合使用;控制精度依賴于逆模型的精度，白適應(yīng)性和魯棒性差。為解決白適應(yīng)性差問題，它常與白適應(yīng)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、支持向量機(jī)等相結(jié)合，對參數(shù)和模型在線辨識或校正，可取得更好的控制效果 。

(6)基于存儲函數(shù)的控制方法

1)基于Lyapunov穩(wěn)定性理論的控制

它是在1892年提出的穩(wěn)定性判據(jù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，它先對系統(tǒng)構(gòu)造一個(gè)“類似能量”的純量函數(shù)，然后在保證該函數(shù)對時(shí)問的變化為負(fù)的前提下來設(shè)計(jì)控制器。為解決大范圍、大干擾的控制問題，此法在1998年被引入到三相PWM整流器控制中，它以電感、電容儲能的定量關(guān)系建立了Lapunov函數(shù)，并通過整流器的數(shù)學(xué)模型和相應(yīng)的空阿矢量PWM約束條件，推導(dǎo)出控制算法。

優(yōu)點(diǎn)：理論嚴(yán)格、物理意義清晰；方法簡單、實(shí)現(xiàn)容易、響應(yīng)速度快;解決整流器的大范圍穩(wěn)定控制問題，對大信號擾動(dòng)具有很強(qiáng)的魯棒性;在負(fù)載電流躍變時(shí)，直流電壓的響應(yīng)快且動(dòng)態(tài)壓降小，交流電流的響應(yīng)也很快且能很快與電源電壓同步。缺點(diǎn)：必須構(gòu)造一個(gè)合適的師apunov能量函數(shù)，能量函數(shù)不具有唯一性，找出最佳能量函數(shù)很困難;能量函數(shù)向系統(tǒng)期望點(diǎn)收斂速度不可控，導(dǎo)致動(dòng)態(tài)性能不理想。

2)基于EL模型的無源控制

無源控制((PBC)是一種非線性反饋的能量控制方法。無源性系統(tǒng)的能量由初始時(shí)刻到時(shí)刻的增長量不大于外部注入的能量總和，也即無源系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)問題伴隨著能量的損失。PBC利用輸出反饋使得閉環(huán)系統(tǒng)特性表現(xiàn)為一無源映射，它采用歐拉一拉格朗日數(shù)學(xué)模型，通過能量整形和阻尼注入，注入合適的阻尼項(xiàng)，配置系統(tǒng)能量耗散特性方程中的無功分量“無功力”，迫使系統(tǒng)總能量跟蹤預(yù)期的能量函數(shù)，使閉環(huán)控制系統(tǒng)是無源的，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性，使得被控對象的輸出漸近收斂到期望值。

優(yōu)點(diǎn)：由于系統(tǒng)本身已提供Lyapunov函數(shù)，設(shè)計(jì)過程中省去了尋找該函數(shù)，簡化了控制器的設(shè)計(jì);輸出電流波形正弦化，畸變率低，對系統(tǒng)參數(shù)變化及外來攝動(dòng)有較強(qiáng)魯棒性;系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，物理意義明確、成本低、易于實(shí)現(xiàn);系統(tǒng)反饋不需要觀測器，直接利用輸出反饋;具有全局穩(wěn)定性，無奇異點(diǎn);可應(yīng)用于EL方程描述的控制系統(tǒng)，且EL模型中有反對稱矩陣，簡化了無源控制律，增強(qiáng)了控制的實(shí)時(shí)性。缺點(diǎn)：在構(gòu)造存儲函數(shù)時(shí)，系統(tǒng)的Lagrange結(jié)構(gòu)常會被打破，系統(tǒng)的穩(wěn)定性得不到保證；Lyapunov函數(shù)的構(gòu)造無規(guī)律可循;當(dāng)負(fù)載變化、電源不平衡時(shí)直流電壓穩(wěn)態(tài)誤差較大，系統(tǒng)響應(yīng)不快。

3)基于PCHD模型的無源控制

它解決了PBC方法的Lagrange結(jié)構(gòu)常被破壞而導(dǎo)致系統(tǒng)穩(wěn)定性得不到保證的問題。它采用端口受控哈密頓函數(shù)模型(PCH)表示系統(tǒng)，將能量耗散的概念引入PCH系統(tǒng)中，這樣原來的系統(tǒng)變?yōu)槎丝谑芸氐暮纳⒐茴D系統(tǒng)(PCHD)，再利用哈密頓系統(tǒng)的反饋鎮(zhèn)定原理來尋找反饋控制，利用互聯(lián)和阻尼配置的無源性控制(IDA-PBC)能量成形方法來進(jìn)行控制器的設(shè)計(jì)。

優(yōu)點(diǎn)：系統(tǒng)對負(fù)載的變化和外界擾動(dòng)具有很強(qiáng)的魯棒性和抑制能力，很好地解決了系統(tǒng)的反饋鎮(zhèn)定問題；根據(jù)能量平衡關(guān)系，選擇期望的閉環(huán)哈密頓函數(shù)，偏微分方程可轉(zhuǎn)成普通的微分方程，求解容易、計(jì)算量小、便于實(shí)現(xiàn);由于PCHD模型中有反對稱矩陣，簡化了無源控制律，增強(qiáng)了系統(tǒng)控制的實(shí)時(shí)性；如將積分控制引入PCHD控制系統(tǒng)，還可消除噪聲、建模誤差等引起的輸出穩(wěn)態(tài)誤差。缺點(diǎn)：求取的期望哈密頓函數(shù)、互聯(lián)和阻尼矩陣以及控制器，都缺乏必要的物理意義，計(jì)算復(fù)雜并且難以實(shí)現(xiàn);直接求解偏微分方程難度大，計(jì)算量大，實(shí)現(xiàn)困難。

(7)反步法控制。它是以Lyapunov能量函數(shù)的收斂性為目標(biāo)，將原來的復(fù)雜的非線性系統(tǒng)分解為若干個(gè)了系統(tǒng)，引入虛擬控制量進(jìn)行靜態(tài)補(bǔ)償，采用由前往后遞推的設(shè)計(jì)方法，通過設(shè)計(jì)后面了系統(tǒng)的虛擬控制來保證前面了系統(tǒng)達(dá)到鎮(zhèn)定。當(dāng)系統(tǒng)存在不確定性時(shí)，加入白適應(yīng)功能，采用白適應(yīng)反步控制方法。此法已應(yīng)用于PWM整流器的控制中，首先系統(tǒng)模型被分解為dq坐標(biāo)系下的兩個(gè)單變量模型，再對各單變量系統(tǒng)采用反步法設(shè)計(jì)控制器，從而實(shí)現(xiàn)對兩變量的穩(wěn)定控制。

優(yōu)點(diǎn)：能夠維持系統(tǒng)的全局一致漸近穩(wěn)定，保證系統(tǒng)跟蹤誤差漸近收斂;設(shè)計(jì)過程簡明；對參數(shù)不確定性及外界干擾有魯棒性;基本解決了Lyapunov函數(shù)的構(gòu)造性問題，給出了反向設(shè)計(jì)尋求Lyapunov函數(shù)的方法;不要求非線性系統(tǒng)滿足匹配條件，增廣匹配條件或者非線性增長性約束條件。缺點(diǎn)：參數(shù)變化需滿足線性參數(shù)化條件；依賴于對象的數(shù)學(xué)模型;需要計(jì)算回歸函數(shù)，計(jì)算量成指數(shù)險(xiǎn)增長，實(shí)現(xiàn)難度較大；白適應(yīng)反步法要求系統(tǒng)的不確定性必須轉(zhuǎn)化為線性參數(shù)未知的不確定性，且在確定和計(jì)算回歸矩陣時(shí)比較煩瑣；僅適于可狀態(tài)線性化或具有嚴(yán)格參數(shù)反饋的不確定非線性系統(tǒng)。

(8)自抗擾控制。自抗擾控制(ADRC)是在1997年提出，它用配置非線性結(jié)構(gòu)替代極點(diǎn)配置進(jìn)行控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，依靠期望軌跡與實(shí)際軌跡的誤差來實(shí)施非線性反饋控制，可改善PID控制器在強(qiáng)干擾及非線性系統(tǒng)中的控制效果。它由跟蹤微分器、擴(kuò)張狀態(tài)觀測器和非線性狀態(tài)誤差反饋控制律三部分組成，它們作用分別為安排過渡過程和提取微分信號、估計(jì)擾動(dòng)和形成控制量。它把系統(tǒng)的模型攝動(dòng)作用當(dāng)作內(nèi)擾，將其和系統(tǒng)的外擾一起作為系統(tǒng)總的擾動(dòng)加以補(bǔ)償，從而將具有非線性、不確定對象的控制系統(tǒng)補(bǔ)償為確定的、簡化的積分串聯(lián)型線性系統(tǒng)，在此基礎(chǔ)上再設(shè)計(jì)控制器。它常與模型配置、無源、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等控制相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢互補(bǔ)，獲得更好的性能。

優(yōu)點(diǎn)：實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的非線性項(xiàng)和參數(shù)攝動(dòng)、電源擾動(dòng)等干擾的觀測與補(bǔ)償，具有良好的魯棒性和適應(yīng)性；安排過渡過程解決快速和超調(diào)問的矛盾，不用積分反饋也能實(shí)現(xiàn)無靜差，避免積分反饋的副作用；統(tǒng)一處理確定系統(tǒng)和不確定系統(tǒng)的控制問題；不含有高深的數(shù)學(xué)知識，不需復(fù)雜推導(dǎo)，控制規(guī)律簡單，實(shí)時(shí)性好，工程應(yīng)用方便。缺點(diǎn)：當(dāng)對象模型階數(shù)大于3時(shí)，難以選取滿意的非線性函數(shù)及相應(yīng)的參數(shù);運(yùn)算較復(fù)雜，計(jì)算量大，實(shí)時(shí)性變差;涉及較多的參數(shù)選取問題，它們的取值會影響控制性能。

三相電壓源型 PWM 整流器控制智能控制方法

上述線性或非線性控制策略都是依據(jù)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，而建立考慮各種因素的PWM整流器的精確數(shù)學(xué)模型是不可能的。智能控制策略不需要建立嚴(yán)格的PWM整流器的數(shù)學(xué)模型，它僅需建立非機(jī)理模型，能實(shí)時(shí)地保證整流器電流波形為理想波形，達(dá)到單位功率因數(shù)要求。智能控制包括模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制及其模糊神經(jīng)控制等多種方法。

(1)模糊控制。它是基于模糊推理，模仿人的思維模式，對難以建立精確數(shù)學(xué)模型的對象實(shí)施的一種控制，它包括精確量的模糊化、模糊推理、清晰化三部分。為消除早期模糊控制存在的靜差，出現(xiàn)了帶積分模糊控制器等。由于它的精度及白適性較差，常把它與PID、自適應(yīng)、變結(jié)構(gòu)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等其他控制相結(jié)合，以取得更優(yōu)性能。此法已應(yīng)用到PWM整流器控制中，能夠加快系統(tǒng)響應(yīng)速度，增加在系統(tǒng)參數(shù)攝動(dòng)下的穩(wěn)定性。

優(yōu)點(diǎn)：不依賴被控對象的精確模型，具有較強(qiáng)的魯棒性和白適應(yīng)性，能夠克服模型參數(shù)變化和非線性等不確定因素；算法簡單，響應(yīng)速度快，實(shí)現(xiàn)容易;能在準(zhǔn)確性和簡潔性之問取得平衡，可有效地對復(fù)雜系統(tǒng)做出判斷和處理。缺點(diǎn)：缺乏分析和設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)的系統(tǒng)方法，只能用經(jīng)驗(yàn)和反復(fù)的試探來設(shè)計(jì)控制器，非常耗時(shí)低效；不能保證規(guī)則庫的完整性，且白適應(yīng)能力有限；常規(guī)模糊控制只相當(dāng)于PD控制器，控制精度不高，穩(wěn)態(tài)精度低，甚至可能振蕩 。

(2)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制專注于模仿人的大腦神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對信息的處理能力，它將函數(shù)的映射關(guān)系隱含、分布在網(wǎng)絡(luò)連接權(quán)和節(jié)點(diǎn)的函數(shù)中，利用輸入輸出數(shù)據(jù)作為學(xué)習(xí)樣本，調(diào)節(jié)各層的連接權(quán)值，使輸入、輸出的對應(yīng)關(guān)系可以任意逼近一給定的非線性動(dòng)態(tài)系統(tǒng)。此法常與自適應(yīng)、PID、模糊等結(jié)合使用，以取得更好性能。PWM控制系統(tǒng)中電流控制本身是一種很強(qiáng)的非線性控制，它可離線訓(xùn)練了一個(gè)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器代替滯環(huán)控制器，此法適應(yīng)電流波形變化的能力強(qiáng)，且保持了滯環(huán)控制魯棒性好、電流響應(yīng)快的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)可以限制器件的最高開關(guān)頻率。

優(yōu)點(diǎn)：具有并行處理、白組織學(xué)習(xí)、非線性映射、魯棒性及容錯(cuò)性等能力；只需通過一定的I/O樣本來訓(xùn)練，可逼近任意對象的動(dòng)態(tài)特性;不需復(fù)雜控制結(jié)構(gòu)，也不需要對象模型，可用于復(fù)雜的控制對象。缺點(diǎn)：物理意義不明確;網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、隱層數(shù)及各層神經(jīng)元數(shù)的選取缺乏理論支持；計(jì)算復(fù)雜，計(jì)算量大;對訓(xùn)練集的要求高、訓(xùn)練時(shí)問長；穩(wěn)定性分析較困難，收斂性不能保證，可能陷入局部最優(yōu)，甚至發(fā)散;優(yōu)化目標(biāo)是基于經(jīng)驗(yàn)風(fēng)險(xiǎn)最小化，泛化性能不強(qiáng);硬件實(shí)現(xiàn)技術(shù)沒有突破，不能實(shí)現(xiàn) 在線控制，還是采用離線學(xué)習(xí)，實(shí)時(shí)性較差，不能真正實(shí)際應(yīng)用。

(3)模糊神經(jīng)控制。智能控制方法各有其優(yōu)勢及局限，將它們集成融合在一起已成為設(shè)計(jì)更高智能的控制系統(tǒng)方案，其中模糊神經(jīng)控制是模糊控制與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制的結(jié)合體，它是最常用的結(jié)合形式之一。模糊控制適合于表達(dá)和處理模糊的定性知識，但穩(wěn)態(tài)精度低、自適應(yīng)能力差；神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有并行計(jì)算、分布式儲存、容錯(cuò)及自學(xué)習(xí)能力強(qiáng)等特點(diǎn)，但不適于表達(dá)基于邏輯規(guī)則的知識，學(xué)習(xí)時(shí)問長、參數(shù)物理意義不明顯。為了進(jìn)一步提高PWM整流器的性能，可將模糊控制和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制結(jié)合起來，利用模糊邏輯的智能推理機(jī)制和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的自學(xué)習(xí)能力，將能組成更好的控制方案。

優(yōu)點(diǎn)：兩者結(jié)合優(yōu)勢互補(bǔ)，兼有兩者之長；采用模糊計(jì)算，計(jì)算簡便，加快了處理速度;增強(qiáng)了信息處理手段，使信息處理方法更加靈活;網(wǎng)絡(luò)中采用模糊化規(guī)則，增強(qiáng)了系統(tǒng)的容錯(cuò)性；可同時(shí)處理確知和非確知信息，擴(kuò)大了信息處理能力。缺點(diǎn)：模糊規(guī)則的選取無通用辦法;模糊化層和模糊推理層節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)的選取、模糊合成和推理算法的選取以及反模糊化的計(jì)算方法等無理論指導(dǎo);存在模型復(fù)雜性與模型泛化能力間的矛盾 。