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淺談混雜系統控制理論在電力電子學(xué)的運用
【文章摘要】為了更好地解決電力電子系統閉環(huán)控制的問(wèn)題，非線(xiàn)性控制、智能控制等現代控制方法都曾嘗試應用于電力電子，而混雜系統控制理論和電力電子的結合才剛開(kāi)始。本文對混雜系統控制理論的研究現狀及其在電力電子學(xué)中目前的應用進(jìn)行了總結和展望，并著(zhù)重指出切換系統最優(yōu)控制是一個(gè)有較好前景的研究方向。
【關(guān)鍵詞】混雜系統控制；最優(yōu)控制；電力電子
0引言
由于電力電子變換器本質(zhì)的高階非線(xiàn)性，閉環(huán)控制問(wèn)題多年來(lái)未能得到較好的解決。線(xiàn)性、非線(xiàn)性和智能控制理論在電力電子中先后得到應用，由于模型存在誤差或者控制理論本身的不完備，這些解決方案都未能達到最佳。近年來(lái)隨著(zhù)半導體技術(shù)的發(fā)展，高精度的高速微處理器的出現和普及，使現代控制及智能控制方法的實(shí)時(shí)計算或近似估算成為可能。在設計高性能的電力電子系統時(shí)，先進(jìn)控制理論的應用是很有實(shí)用價(jià)值的。本文對混雜系統控制理論的發(fā)展現狀做了總結，對電力電子變換器的混雜系統建模及混雜系統控制理論在電力電子學(xué)的應用進(jìn)行了總結和展望，指出切換系統最優(yōu)控制的應用是一個(gè)比較新穎的研究方向。
1混雜系統控制的研究現狀
混雜系統是一類(lèi)包含相互作用的連續動(dòng)態(tài)過(guò)程和離散動(dòng)態(tài)過(guò)程的動(dòng)態(tài)系統，混雜系統控制理論是繼線(xiàn)性系統、非線(xiàn)性系統控制理論之后發(fā)展起來(lái)的系統控制理論。經(jīng)典及現代控制理論研究的數學(xué)模型可以視為混雜系統的一個(gè)特例，而將傳統控制的理論體系推廣到混雜系統控制理論還有大量的理論研究要做�；祀s系統的模型有很多種，如層次結構模型、自動(dòng)機模型，混合邏輯動(dòng)態(tài)模型，切換模型等，其中應用最廣泛的是自動(dòng)機模型�；祀s系統的控制方法與現代控制理論類(lèi)似，也包括自適應控制、學(xué)習控制、容錯控制、鎮定控制、最優(yōu)控制和魯棒控制等，這里僅對三種研究較為深入的控制方法加以說(shuō)明。(l)鎮定控制：是指在給定平衡點(diǎn)下，調整控制策略，使系統由不穩定轉換為穩定的控制策略。類(lèi)似傳統控制中用輸出或狀態(tài)反饋令開(kāi)環(huán)不穩定系統閉環(huán)穩定。(2)最優(yōu)控制：就是在約束條件下，滿(mǎn)足初值和終值條件，并使系統的給定性能指標達到最優(yōu)的控制策略。(3)魯棒控制：實(shí)際的混雜系統通常存在各種不確定性，魯棒控制器按標準狀態(tài)設計，也能夠分析并克服這些不可預見(jiàn)的干擾因素，令閉環(huán)系統具有一定的魯棒性。
2電力電子變換器的混雜系統建模
電力電子變換器中開(kāi)關(guān)器件的存在，使它成為一個(gè)典型的開(kāi)關(guān)非線(xiàn)性系統。隨著(zhù)開(kāi)關(guān)的通斷，電路處在不同的工作狀態(tài)；每一個(gè)狀態(tài)中，系統都隨時(shí)間連續運行。在變換器外部或內部事件的驅動(dòng)下，系統在各個(gè)狀態(tài)間循環(huán)跳轉，輸出由在幾個(gè)狀態(tài)間的切換平均實(shí)現。變換器的運行特征與混雜系統完全吻合，因此可以說(shuō)，電力電子變換器是一類(lèi)典型的混雜系統。目前在電力電子變換器的混雜系統建模中應用較多的有自動(dòng)機模型和切換系統模型，按這兩種思路得到的變換器數學(xué)模型基本是一致的。
3混雜系統控制在電力電子中的應用
在國內，從20世紀末開(kāi)始，越來(lái)越多的學(xué)者投入到混雜系統控制理論的研究，并致力于將混雜系統控制理論應用于電力電子變換器，目前取得了一定的成果。文獻[3]是國內較早將混雜系統理論引入電力電子變換器研究的論文，對電力電子電路進(jìn)行了混雜系統建模、故障診斷、事件辨識以及小波故障分析等方面的研究。文獻[4]對變換器用自動(dòng)機模型建模做了有益的探索，利用混雜自動(dòng)機理論建立了電力電子電路的統一抽象模型，并設計出新型滑模變結構控制器。將混雜系統模型和非線(xiàn)性控制方法結合是有益的嘗試。文獻[5-6]建立了DC-DC變換器的切換線(xiàn)性系統模型，并引入了切換線(xiàn)性系統投影法的概念，提出最小投影法切換律的控制策略。仿真和實(shí)驗結果表明最小投影法切換律在DC-DC變換器中具有普遍適用性。為了實(shí)現切換控制的魯棒性，與PI控進(jìn)行了結合在擾動(dòng)情況下對平衡點(diǎn)進(jìn)行修正。最小投影法切換律的本質(zhì)是切換系統在任意初始狀態(tài)都能夠選擇一個(gè)指向平衡點(diǎn)的速度矢量場(chǎng)，使系統軌跡不斷逼近并最終穩定運行于平衡點(diǎn)。
4切換系統最優(yōu)控制及其在電力電子中的應用展望
對混雜系統的最優(yōu)控制問(wèn)題的研究，取得了一定的成果，特別是基于切換線(xiàn)性系統的最優(yōu)控制�；诮�(jīng)典的動(dòng)態(tài)規劃方法，文獻[7]針對切換線(xiàn)性系統的最優(yōu)控制提出了一種二階段算法。首先固定切換序列，在此條件下求得切換系統最優(yōu)控制問(wèn)題的次優(yōu)解；然后改變切換序列（改變切換次數和順序）來(lái)求全局最優(yōu)解。當把電力電子變換器視為周期的切換線(xiàn)性系統，可以用來(lái)實(shí)現多種目標的最優(yōu)控制。這種情況下系統不能達到一般意義上的最優(yōu)，但是其運算較為簡(jiǎn)單，在一定程度上可以達到設計目標，具有一定的實(shí)用價(jià)值。文獻[8]給出基于范數、基于收斂路徑、基于收斂距離、基于收斂方向和基于綜合的周期切換線(xiàn)性系統的最優(yōu)切換律的設計方法，可以嘗試推廣到更復雜的情形，檢驗其性能。切換系統控制本身還不成熟，有很多問(wèn)題在控制理論上未能很好地解決。由于切換線(xiàn)性模型可以精確地描述電力電子變換器，切換線(xiàn)性系統最優(yōu)控制期望能得到更好的特性。
5結論
作為一門(mén)交叉學(xué)科，電力電子學(xué)的發(fā)展與控制理論的應用密切相關(guān)。目前混雜控制理論還有較大的發(fā)展空間，它在電力電子的應用更是剛剛起步。切換控制是新興的控制方法，由于它所處理的切換系統模型可以較為精確地刻畫(huà)電力電子變換器，它在電力電子中的應用具有較好的前景。
【參考文獻】
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