本發(fā)明屬于航空多電發(fā)動機(jī)二次能源控制技術(shù)，涉及一種VIENNA整流器模型建立與控制方案設(shè)計(jì)。

背景技術(shù)：

為了進(jìn)一步提高航空發(fā)動機(jī)的可靠性、減輕重量以及提高二次能源的利用率。上個世紀(jì)七十年代提出了航空多電發(fā)動機(jī)的概念，航空多電發(fā)動機(jī)與傳統(tǒng)航空發(fā)動機(jī)的顯著區(qū)別是目前廣泛使用的液壓、氣動等能源設(shè)備將會被以電能作為驅(qū)動的設(shè)備所代替。傳統(tǒng)的航空發(fā)動機(jī)采用液壓、氣動、電力混合能源作為二次能源，勢必造成內(nèi)部布局復(fù)雜、重量大、可靠性相對較低、能源利用率較低等問題，而航空多電發(fā)動機(jī)統(tǒng)一使用電能作為二次能源，除了能夠克服上述缺點(diǎn)之外，還可以大大簡化航空發(fā)動機(jī)的維修維護(hù)過程，降低成本，因此航空多電發(fā)動機(jī)是未來航空發(fā)動機(jī)的發(fā)展趨勢。在已有的航空發(fā)動機(jī)電源系統(tǒng)中，如圖1所示的高壓直流供電系統(tǒng)有更大的優(yōu)勢，相較于交流供電系統(tǒng)，高壓直流供電系統(tǒng)除了具有提高電源質(zhì)量、提高可靠性、減輕重量等優(yōu)勢外，還由于其匯流條長度和尺寸較小，提高了系統(tǒng)的功率密度。因此高壓直流發(fā)電技術(shù)和分布式智能配電技術(shù)是研究中的重點(diǎn)內(nèi)容。

在電源的變換過程中，需要AC/DC變換器(整流器)將發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的交流電轉(zhuǎn)換成270V直流電壓以及將115V交流母線電壓轉(zhuǎn)換成28V直流母線電壓供用電設(shè)備使用。近年來，隨著整流技術(shù)的發(fā)展，相較于無源整流，有源(PWM)整流由于其實(shí)現(xiàn)了輸入電流的正弦化并且運(yùn)行于高功率因數(shù)的特點(diǎn)得到了重視和發(fā)展，在可預(yù)見的未來，PWM整流器將會大范圍的代替目前所使用的二極管整流器。但，傳統(tǒng)的PI控制方案存在系統(tǒng)抗擾性能差、響應(yīng)慢的問題，需要以增強(qiáng)系統(tǒng)響應(yīng)的快速性和魯棒性為宗旨，研究出新的整流器電壓外環(huán)設(shè)計(jì)思路。

VIENNA整流器是一種新穎的PWM整流器，具有非線性特性，相較于傳統(tǒng)的PWM整流器，VIENNA整流器每相導(dǎo)通時僅僅有一個二極管參與整流，因此理論上具有更低的消耗和更高的系統(tǒng)效率。因?yàn)槿娖搅_關(guān)VIENNA整流器每個橋臂最多有一個開關(guān)管處于導(dǎo)通狀態(tài)，可靠性很高?？紤]到航空發(fā)動機(jī)惡劣的工作環(huán)境、多種多樣的用電設(shè)備以及復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，航空用整流器要求高度的可靠性以及盡可能少的能量損耗，所以VIENNA整流器極其適合作為航空用整流器。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明基于航空多電發(fā)動機(jī)VIENNA整流器的非線性特性，結(jié)合模糊推理和全局終端滑模理論，提出新穎的VIENNA整流器電壓外環(huán)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，通過全局終端滑模理論提高系統(tǒng)的魯棒性以及在有限的時間將誤差收斂到零，通過模糊推理理論將根據(jù)專家的經(jīng)驗(yàn)對滑模趨近律進(jìn)行實(shí)時地控制，既提高了系統(tǒng)響應(yīng)地快速性，又有效的減弱了抖振。

本發(fā)明公開的航空多電發(fā)動機(jī)VIENNA整流器電壓外環(huán)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法：建立VIENNA整流器在三相靜止坐標(biāo)系，并通過坐標(biāo)變換得到兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型；由于電壓外環(huán)的作用為使直流側(cè)電壓穩(wěn)定在給定值，因此取直流側(cè)電壓差作為控制變量，基于全局終端滑模理論設(shè)計(jì)滑模面，使系統(tǒng)在有限的時間內(nèi)穩(wěn)定在滑模面，也就是使直流側(cè)電壓穩(wěn)定在給定值，從而實(shí)現(xiàn)電壓外環(huán)控制器的設(shè)計(jì)；取直流側(cè)電壓及其導(dǎo)數(shù)作為模糊推理的輸入，根據(jù)系統(tǒng)狀態(tài)輸出滑模系數(shù)對滑模趨近律進(jìn)行實(shí)時地調(diào)整，從而保證系統(tǒng)在距離滑模面較遠(yuǎn)時具有快速的響應(yīng)速度以及較近時具有較小的抖振，實(shí)現(xiàn)直流側(cè)電壓的控制。

該航空多電發(fā)動機(jī)VIENNA整流器控制方法的具體步驟如下：

步驟1：首先建立VIENNA整流器在三相靜止坐標(biāo)系和兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型；

步驟2：然后基于全局終端滑模理論設(shè)計(jì)滑模面，并取直流側(cè)電壓差作為控制變量；

步驟3：將建立的數(shù)學(xué)模型與設(shè)計(jì)的滑模面進(jìn)行整理后設(shè)計(jì)電壓外環(huán)全局終端滑?？刂品桨?，以直流側(cè)電壓作為輸入，電流內(nèi)環(huán)指令值為輸出；

步驟4：采用基于自適應(yīng)的在線模糊推理方法對電壓外環(huán)全局終端滑模的趨近律進(jìn)行合理性控制；

步驟5：設(shè)計(jì)自適應(yīng)模糊調(diào)節(jié)器，取直流側(cè)電壓及其導(dǎo)數(shù)作為輸入，滑模系數(shù)k為輸出，通過輸出的滑模系數(shù)k對電壓外環(huán)全局終端滑模趨近律參數(shù)進(jìn)行在線整定。

進(jìn)一步的，步驟1中，依據(jù)基爾霍夫電壓電流定律，建立VIENNA整流器在三相靜止坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型；對三相靜止坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型通過坐標(biāo)變換，得到VIENNA整流器在兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型。

進(jìn)一步的，三相靜止坐標(biāo)系下建立數(shù)學(xué)模型為：

式中，U_C1、U_C2表示直流側(cè)電容C1、C2的電壓，R_l表示輸出負(fù)載，U_dc表示直流側(cè)電壓，R表示輸入端等效電阻，L表示交流側(cè)的電感，i_a、i_b、i_c表示三相輸入電流,U_an、U_bn、U_cn表網(wǎng)測輸入端電壓，I_p、I_n表示輸出直流母線正負(fù)向電流；

兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型為：

式中，i_d、i_q表示兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的網(wǎng)側(cè)電流，U_d、U_q表示網(wǎng)側(cè)電壓，S_d、S_q表示電壓外環(huán)開關(guān)函數(shù)S_a、S_b、S_c在dq坐標(biāo)系下的變量，K_d、K_q表示sign(E_a)、sign(E_b)、sign(E_c)在dq坐標(biāo)系下的變量，L表示交流側(cè)的電感，R表示輸入端等效電阻電阻，C表示直流側(cè)電容，ω表示系統(tǒng)基波頻率，U_dc表示直流側(cè)電壓。

進(jìn)一步的，步驟2中，滑模控制理論選擇誤差變量e和電壓外環(huán)開關(guān)函數(shù)S為：

式中，k表示滑模系數(shù),β＞0，表示常數(shù)，p,q(p>q)表示正奇數(shù)，U_dc表示直流側(cè)電壓，表示參考電壓，e表示誤差變量，S表示電壓外環(huán)開關(guān)函數(shù)。

進(jìn)一步的，步驟3中，通過對滑模系數(shù)k進(jìn)行調(diào)整對直流側(cè)電壓響應(yīng)效果進(jìn)行控制，通過將實(shí)際電流與電流內(nèi)環(huán)指令電流進(jìn)行對比確定開關(guān)信號。

進(jìn)一步的，步驟4中，系統(tǒng)在接近平衡點(diǎn)的過程中，當(dāng)系統(tǒng)在距離滑模面較遠(yuǎn)時，選取較大的滑模系數(shù)以增大系統(tǒng)向滑模面運(yùn)動的速度，在系統(tǒng)距離滑模面較近時，選擇較小的滑模系數(shù)以減小系統(tǒng)的運(yùn)動速度；滑模系數(shù)的選取以電壓外環(huán)的輸出作為基準(zhǔn)，選取直流側(cè)電壓及其導(dǎo)數(shù)作為系統(tǒng)狀態(tài)的參考量。

進(jìn)一步的，步驟5中，自適應(yīng)模糊調(diào)節(jié)器選取的兩個輸入分別選用負(fù)大、負(fù)中、負(fù)小、零、正小、正中、正大7種狀態(tài)。

本發(fā)明基于航空多電發(fā)動機(jī)VIENNA整流器的非線性特性，提出將模糊推理與全局終端滑模理論相結(jié)合的電壓外環(huán)控制方案，具有如下有益效果：

(1)該方案采用全局終端滑模理論，與傳統(tǒng)的線性PI控制方案相比具有較強(qiáng)的魯棒性、不易受外界干擾的影響；與線性滑?？刂品桨赶啾瓤梢栽谟邢薜臅r間收斂到零；

(2)該方案與全局終端滑模相比，進(jìn)一步結(jié)合模糊推理理論。根據(jù)專家的經(jīng)驗(yàn)對滑模趨近律進(jìn)行實(shí)時地控制，具有參數(shù)在線整定的優(yōu)勢，一方面提高了系統(tǒng)響應(yīng)的快速性，還有效的減弱了系統(tǒng)的抖振。

附圖說明

圖1航空多電發(fā)動機(jī)HVDC系統(tǒng)架構(gòu)

圖2航空多電發(fā)動機(jī)VIENNA整流器模糊終端滑模控制原理圖

圖3 VIENNA整流器主電路

圖4在線自適應(yīng)模糊終端滑?？刂圃韴D

圖5模糊輸出隸屬度函數(shù)

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖2至5對應(yīng)的具體實(shí)施例對本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)說明。

圖2所示為航空多電發(fā)動機(jī)VIENNA整流器模糊終端滑?？刂圃韴D：本發(fā)明所提出的VIENNA整流器控制策略是電壓外環(huán)采用基于模糊推理與全局快速終端滑模控制理論相結(jié)合的控制策略，該控制策略將全局快速終端滑?？刂频聂敯粜院湍：评淼淖赃m應(yīng)性結(jié)合起來，充分發(fā)揮二者優(yōu)勢；電流內(nèi)環(huán)采用的是直接電流控制中常用的的滯環(huán)電流控制策略。

具體步驟如下所示：

步驟1，根據(jù)航空多電發(fā)動機(jī)VIENNA整流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖3，依據(jù)基爾霍夫電壓電流定律，在三相靜止坐標(biāo)系下建立數(shù)學(xué)模型為：

式中，U_C1、U_C2表示直流側(cè)電容C1、C2的電壓，R_l表示輸出負(fù)載，U_dc表示直流側(cè)電壓(即輸出電壓)，R表示輸入端等效電阻，L表示交流側(cè)的電感，i_a、i_b、i_c表示三相輸入電流,U_an、U_bn、U_cn表網(wǎng)測輸入端電壓，I_p、I_n表示輸出直流母線正負(fù)向電流；

經(jīng)過坐標(biāo)變換得到式(1)在兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型為：

式中，i_d、i_q表示兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的網(wǎng)側(cè)電流，U_d、U_q表示網(wǎng)側(cè)電壓，S_d、S_q表示電壓外環(huán)開關(guān)函數(shù)S_a、S_b、S_c在dq坐標(biāo)系下的變量，K_d、K_q表示sign(E_a)、sign(E_b)、sign(E_c)在dq坐標(biāo)系下的變量，L表示交流側(cè)的電感，R表示輸入端等效電阻電阻，C表示直流側(cè)電容，ω表示系統(tǒng)基波頻率，U_dc表示直流側(cè)電壓(即輸出電壓)。

步驟2，為保證系統(tǒng)響應(yīng)的快速性和魯棒性，取直流側(cè)電壓差作為控制變量，依據(jù)快速全局終端滑?？刂评碚撛O(shè)計(jì)滑模面，并對滑模的趨近律進(jìn)行分析設(shè)計(jì)。

具體的，為使直流側(cè)電壓能快速跟隨并穩(wěn)定在指令電壓，根據(jù)滑模控制理論可選擇誤差變量e和電壓外環(huán)開關(guān)函數(shù)S為：

式中，k表示滑模系數(shù),β>0，表示常數(shù)，p,q(p>q)表示正奇數(shù)，U_dc表示直流側(cè)電壓，表示參考電壓，e表示誤差變量，S表示電壓外環(huán)開關(guān)函數(shù)。整理式(3)第二個方程，有：

由式(4)可見，當(dāng)系統(tǒng)狀態(tài)e遠(yuǎn)離零點(diǎn)時，收斂時間主要由快速終端吸引子決定，即式(5)；

而當(dāng)系統(tǒng)狀態(tài)e接近平衡狀態(tài)時，收斂時間主要由式(6)決定，

此時e呈指數(shù)級收斂。

因此，全局快速終端滑?？刂萍纫虢K端吸引子，使系統(tǒng)狀態(tài)在有限的時間收斂到零，又保留了線性滑動模態(tài)在接近平衡態(tài)時的快速性。通過式(5)(6)可知，滑模面的滑模系數(shù)的選取將會影響系統(tǒng)動態(tài)性能和閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

對于不同的滑模面有不同的特點(diǎn)，本發(fā)明根據(jù)被控對象的特點(diǎn)選取了滑模面，并根據(jù)公式(3)～(6)對該滑模面的特點(diǎn)進(jìn)行分析；而滑模系數(shù)是依賴于滑模面而存在的，滑模系數(shù)得選取會影響響應(yīng)效果，即表現(xiàn)為系統(tǒng)動態(tài)性能和閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

步驟3，將建立的數(shù)學(xué)模型與設(shè)計(jì)的滑模面進(jìn)行整理，設(shè)計(jì)電壓外環(huán)全局終端滑模控制方案；該方案以直流側(cè)電壓作為輸入，輸出為電流內(nèi)環(huán)指令值。具體如下：

考慮到建模時假設(shè)三相電源為平衡的，也就是網(wǎng)側(cè)為對稱三相電壓，在系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定之后有i_q＝0，i_d≈const，U_q＝0，U_dc≈const，將其帶入式(2)整理得：

將式(7)(8)帶入式(3)整理得：

式中，i_{d_ref}表示電流內(nèi)環(huán)指令電流。

式(9)可知，等號右邊的被控量是電壓外環(huán)輸出U_dc，參變量是滑模系數(shù)k，通過對滑模系數(shù)k進(jìn)行調(diào)整即可實(shí)現(xiàn)直流側(cè)電壓U_dc響應(yīng)效果的控制，而等號左側(cè)為電流內(nèi)環(huán)指令電流i_{d_ref}，通過將實(shí)際電流與電流內(nèi)環(huán)指令電流i_{d_ref}進(jìn)行對比即可實(shí)現(xiàn)開關(guān)信號的確定。

步驟4，為了減弱抖振，總希望系統(tǒng)在穿梭于滑模面時具有較小的速度；但是另一方面，當(dāng)系統(tǒng)距離滑模面較遠(yuǎn)時，總希望其能以最快的速度趨近于滑模面。因此，合理地趨近律設(shè)計(jì)對系統(tǒng)的動態(tài)性能和穩(wěn)定性來說具有重要的意義?；谏鲜龇治觯捎没谧赃m應(yīng)的在線模糊推理方法對趨近律進(jìn)行合理的控制。

系統(tǒng)在接近平衡點(diǎn)的過程中，收斂時間逐漸由式(6)占主導(dǎo)，解此微分方程有：

由式(10)可知，當(dāng)系統(tǒng)在距離滑模面較遠(yuǎn)時，k越大，系統(tǒng)的響應(yīng)越快，到達(dá)滑模面所需的時間越短；當(dāng)系統(tǒng)距離滑模面較近時，k越小，滑模存在區(qū)域越寬，系統(tǒng)的抖振越小。因此，當(dāng)系統(tǒng)在距離滑模面較遠(yuǎn)時，需增大系統(tǒng)向滑模面運(yùn)動的速度，選取較大的k值；同樣的，在系統(tǒng)距離滑模面較近時，減小系統(tǒng)的運(yùn)動速度，選擇較小的k值。該k值的選取以電壓外環(huán)的輸出U_dc作為基準(zhǔn)，考慮到電壓外環(huán)的控制量就是直流側(cè)電壓U_dc，選取直流側(cè)電壓U_dc及其導(dǎo)數(shù)作為系統(tǒng)狀態(tài)的參考量，模糊推理的作用為實(shí)時監(jiān)測電壓外環(huán)的輸出，通過合理地設(shè)計(jì)模糊推理規(guī)則使滑模系數(shù)k在線的按照系統(tǒng)狀態(tài)進(jìn)行調(diào)整，如圖4所示。

步驟5，選取能代表系統(tǒng)狀態(tài)的直流側(cè)電壓以及其導(dǎo)數(shù)作為自適應(yīng)模糊調(diào)節(jié)器的輸入，經(jīng)過模糊化、模糊推理、反模糊化過程后輸出滑模系數(shù)k對全局終端滑模趨近律進(jìn)行實(shí)時地調(diào)整。實(shí)現(xiàn)趨近律參數(shù)的在線整定。

具體的，本步驟所設(shè)計(jì)的自適應(yīng)模糊調(diào)節(jié)器具有兩個輸入和一個輸出，兩個輸入分別是系統(tǒng)變量直流側(cè)電壓及其導(dǎo)數(shù)；輸出為滑模控制器的滑模系數(shù)k。將選取的兩個輸入分別用如下的7種狀態(tài)(NB、NM、NS、ZO、PS、PM、PB)作為輸入，它們分別對應(yīng)負(fù)大、負(fù)中、負(fù)小、零、正小、正中、正大。輸出所對應(yīng)的隸屬度函數(shù)如圖5所示。由于選取不同的滑模系數(shù)，直流側(cè)電壓會出現(xiàn)不同的響應(yīng)效果，因此該隸屬度函數(shù)的確定以專家經(jīng)驗(yàn)為依托。

以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例而已，并不用于限制本發(fā)明，對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，本發(fā)明可以有各種更改和變化。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。