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simulink课件第一章
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当前位置：&>>&&>>&&>>&一种非线性鲁棒控制策略的控制器的应用研究
　　摘要：本文提出了一种由传统的钳位三电平逆变器和一个辅助电路组成的新型拓扑结构，目的是保证其直流母线侧两个电压相等。同时，在控制算法上利用该新型拓扑结构提出数学模型，提出了一种非线性鲁棒控制策略的控制器，并成功应用于APF中。
&&&&& 本文实现方法是由数学模型推导出状态空间模型，分析整理后得到三个单输入单输出（SISO）鲁棒控制器，分别用来负载电流的谐波补偿，控制直流母线电压和保证直流侧两个电容电压平衡，该设计的三个SISO 控制器保证非线性补偿之间的相互独立性，互不干扰。整个设计思路在matlab2010b/simulink 平台上仿真，结果表明，采用该非线性鲁棒控制算法，电网的谐波电流可以很好补偿；在负载变化下，主电路的直流母线电压保持在其参考值和电容电压保持相等，电网电流的补偿动态性能效果也非常明显。
　　1.引言
　　随着电力技术的发展，谐波治理已成为当前的热点问题，很多学者进行了研究。而应用最为广泛的是APF,即有源电力滤波器。在APF 的主电路中，三电平逆变器电路与传统两电平相优势有很多，首先是低纹波电流，每个功率器件仅承受1/（n-1）的母线电压（n 为电平数）；其次是电平数的增加，改善了输出电压波形，减小了输出电压波形畸变（THD）；还可以以较低的开关频率获得和高开关频率下两电平变换器相同的输出电压波形，无需输出变压器，大大地减小了系统的体积和损耗，另外，研究直流侧电压平衡问题也一直是热点。
　　本论文提出了主电路为三电平有源滤波器，针对直流侧的两电容电压不不平衡，提出了一个改进了主电路的拓扑结构，进而根据该拓扑分析其数学模型，运用鲁棒控制方法分离出三个单独的非线性控制器，同时利用李亚普洛夫判断稳定性的条件，最后在matlab 仿真平台上验证思路的可行性。
　　2.三电平电路模型分析
　　如下图 1 所示，是一个比较典型的二极管箝位的三电平为主电路的SAPF（Shunt Active
）拓扑图。谐波无功电流将负载电流iL 谐波电流和无功电流分离开，然后把它们反相并产生出补偿电流ic 的调制波信号ic*,通过驱动隔离电路时三电平逆变器产生补偿电流ic,从而抵消电网中的谐波成分，实现谐波的补偿，这就是谐波补偿的基本原理。
　　在设计APF 装置中，主电路设计非常关键，常见的三电平电路由如图2 所示当中的主电路模块（蓝色框图），至于直流侧电压往往采用一些PI 的算法实现，从而保证直流侧的两个电容电压保持平衡，但是算法效果一般。为此，提出了改进的电路拓扑图。
　　如图2所示，改进的直流侧平衡电压的电路图由传统的三个桥臂的二极管钳位主电路和一个辅助电路组成。该辅助电路设计的是由类似T 型的一个电感和两个 电路，为方便记忆，定义该模型为“T 型辅助电路”（图2 中红色框图）。设计思路是假设通过电感Lc 的电压是低于直流侧uc1 电容电压，则当辅助电路中S1 的开关闭合，电流是从电容C1 流出，而电感流进，此时若S2 开关关闭，电流转移到UC2 的电容中；相反，假设通过电感Lc 的电压是低于直流侧uC2 电容电压，则当辅助电路中S2 的开关闭合，电流是从电容C2 流出，而电感流进，此时若S1 开关关闭，电流转移到UC1 的电容中。因此，通过适当的调节占空比这些补充的开关S1,S2,就可以保证直流侧电容上下两臂电压保持平衡。
　　分析图2,可根据基尔霍夫电压定理有主电路的数学模型如下：
　　上（2）（3）式中，id,iq,ed,eq,ud,uq 分别对应abc坐标系下的ik,ek,uk（k=a,b,c）的转换在dq坐标系下的值，w 对应于三相电力系统的频率rad/s.
　　下面分析辅助电路，为了更好描述把不妨辅助电路进行等效。显然在电容两侧的电压设定为uc1,uc2,对应地电流分别为ic1,ic2,另外考虑到开关损耗，故在电容两侧各并联一个，分别为R1,R2,如图2 所示的辅助模块，对应的电流为iR1,iR2,开关S1,S2,且要求互补，不妨假定为S1=0 表示上臂断开，S1=1 表示上臂开关闭合。因此，不难得到下面的式子。
　　上式（4）中i=1、2 分别对应于电容两侧电压，且C1=C2=C,公式（5）对应于电感两侧的电压与电容两侧电压之间的关系，公式（6）表示两个开关状态关系。
　　等效后的辅助电路与主电路之间平的有功功率相等[5],于是又得到下面的公式（7）（8）。
　　上面式子中用C 取代了C1 和C2,即C1=C2=C,Δudc=uc1-uc2,udc=uc1+uc2,注意到由abc 转换到dq 坐标系下eq 分量因为与对应的iq 电流是相垂直的，故在（11）式中没有出现eq 这个分量，即无功功率为0.下面将对上面所描述式子进行详细分析，并用推导出对应的鲁棒控制器的表达式。
　　上面式子中用C 取代了C1 和C2,即C1=C2=C,Δudc=uc1-uc2,udc=uc1+uc2,注意到由abc 转换到dq 坐标系下eq 分量因为与对应的iq 电流是相垂直的，故在（11）式中没有出现eq 这个分量，即无功功率为0.下面将对上面所描述式子进行详细分析，并用推导出对应的鲁棒控制器的表达式。
　　3.非线性鲁棒控制器的设计
　　3.1 d 轴电流控制器的设计
　　为了确保id 跟踪id*,设计了d 轴电流控制器，同时在udc 也保证与udc*保持一致，实现的表达式是根据（2）和（11）两个式子，该子系统只有一个输入ud,控制器的框图如下图3 所示。不妨令：
　　k1=3ed/C,k2=ed/Lc, k3=（icR1+icR2-iLC+2iLCS1）/C于是可以根据上式子把（2）（11）两个式子变为如下状态方程：
　　注意到上式子中k1,k2,k3 未知，即假定该参数值是未知的，但必须标称值是已知的，对应于u1,u2,u3.给定值与实际值之间的误差变量定义为：Δudc=udc*-udc ,Δid=id*-id .
　　同时为了保证Δudc 保持为0,设计一个udc 控制器：
　　上式（14）证明了该设计的闭环系统是最终有界的，其中K 值要合理的进行选择，仿真发现该值不能太小。
　　3.2 q 轴电流控制器的设计
　　该控制器是用于iq 完全跟踪参考电流iq* ,该子系统所代表的方程是（3）式， 用于合成该控制器方程，该系统输入量为uq,输出量为iq,扰动量为eq/L-wid.在这里，一个逆推设计方法是用来寻找控制器的结构和其方程，设计如图4 所示。
　　上面（15）式子中k4假设不知道，但是标称值知道为u4,同时它们之间误差要使之为0,因此iq控制器简化的等式为：
　　3.3 直流侧电容平衡控制器的设计
　　考虑子系统中（9）和（10）来设计平衡电路控制器。注意到这子系统有两个外部干扰：直流母线 udc电压和有功功率在转换器的损失电流。该控制器是用来调节Δudc 到零，从而达到补偿的外部干扰。 控制输入为S1,S2=1-S1.控制器的结构和其使用反推得到递归方程方法，这种控制设计技术是利用多个控制器，基本思路是首先当前值给定值iL*与实际iL 值匹配并保持直流Δudc 为零。其次，控制输入S1 是计算驱动电流实际的iL 跟踪给定iL*值，控制输入S2 方法类似不再累赘。图5 中给出了内部结构的电容电压均衡器，下一步介绍如何控制器方程获得。为清晰起见，定义下面的参数和变量：k5=（iR1-iR2）/C 和eΔudc=Δudc*-Δudc=Δudc*,即Δudc=0.为此（9）式子可以变形为：
　　其中V4=k5*Δudc-u5+KΔudc/4,k5*Δudc 是系统的稳定条件，KΔudc/4 为系统k5 与u5 之间的补充误差值，k5,K 为正增益。如果iLc 不为控制系统的输入时，可以定义一个误差量ΔiLc=iLc*-iLc,新的变化动态子系统有如下的表达式：
　　4. 仿真分析
　　仿真在 matlab2010b/simulink 平台上验证，这里把整个系统搭建如6 所示，需说明的是非线性鲁棒控制器设计的就是控制三个输出量ud,uq,Si,用锁相环提供与电源电源相同相位，由低通滤波器（LPF）得到id的参考电流id*,iq 直接经过一个值为-1 放大器，得到参考电流iq*.仿真具体参数是：输入的电压源a 相是幅值设置为220sqrt（2），频率为50Hz,其他b,c 相只是改变一下相位，相差120°，输出三相均设置为3.5e-3H,负载的电阻为10Ω，电感为3H.逆变器直流侧的两个电容取1100uF,udc*取,正增益K 设置为8,采用变步长方式ode23tb,总仿真时间为0.1s.仿真结果得到补偿后得到图7 所示的波形，补偿效果很好。当负载发生突变时，仿真设计在0.05s 处突加负载，这是电网的电流如图8 所示，经过补偿后得到如图9 所示，同时直流侧电压在负载突变的情况下很快也恢复到原来电压，如图10 所示的直流侧电压Uc1,Uc2 及它们之和的波形图。因此，整个仿真结果得出该控制器的可行性。
　　5 结论
　　本论文中提出了采用辅助电路来保证整个直流母线的电压平衡，来设计有源电力滤波器，进而提出了相关的数学模型，分析后得三个单输入单输出的非线性鲁棒控制器的数学表达式，并通过李亚普洛夫判断稳定性，得到稳定的条件。每个控制器分别对应不同的作用，且系统的子模块之间的是相互独立。经过仿真结果表明了该辅助电路及鲁棒非线性控制器用来平衡电容电压，补偿谐波电流是非常有效的。为具体实现该有源滤波器的装置提供了有力的依据。
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电子产品的质量是技术性和可靠性两方面的综合。电源作为一个电子系统中重要的部件，其可靠性决定了整个系统的可靠性，开关电源由于体积小，效率高而在各个领域得到广泛应用，如何提高它的可靠性是电力电子技术的一个重要方面。
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一种非线性鲁棒控制器的设计
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&&针​对​船​舶​运​动​具​有​大​惯​性​、​大​滞​后​以​及​受​外​界​干​扰​等​特​点​,​在​航​向​控​制​器​设​计​中​采​用​了​非​线​性​控​制​系​统​数​学​模​型​(​N​o​r​r​b​i​n​)​。​反​步​法​(​B​a​c​k​s​t​e​p​p​i​n​g​)​可​以​有​效​的​解​决​船​舶​的​非​线​性​操​纵​特​性​,​因​此​,​文​中​设​计​了​一​种​基​于​反​步​法​的​船​舶​航​向​控​制​器​,​M​a​t​l​a​b​S​i​m​u​l​i​n​k​仿​真​表​明​,​该​控​制​器​对​给​定​航​向​具​有​良​好​的​跟​踪​特​性​和​抗​干​扰​性​。
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淘豆网网友近日为您收集整理了关于开题报告(基于Matlab-simulink倒立摆系统控制设计和仿真)的文档，希望对您的工作和学习有所帮助。以下是文档介绍：..滨江学院毕业论文(设计)开题报告题目基于 Matlab-simulink 的倒立摆系统控制设计与仿真学生姓名周乃义学号 院系自动控制系专业自动化指导教师郑柏超二O一三年四月十日..毕业论文(设计)开题报告1.本课题的目的及研究意义倒立摆是一个在学术界备受关注的重点研究的高阶次系统,另外它还是一个具有多变量、强耦合和绝对不稳定特性的非线性系统。它能在倒立摆的控制过程中有效反映像随动性、可镇定性、鲁棒性以及跟踪行等许多的核心问题。正是由于此系统是一个非线性系统,在控制领域中,也受到很多研究者的重视。此外,无论几级的倒立摆,在高校的实践教学中,也体现出了他们各自的价值。它不仅可以作为实验性设备,而且可以还是一个有代表性的数学模型。当我们队此系统进行研究解析之后,很多控制界的问题得以解决,这些一直困扰研究者的理论问题和实践上遇到的技术问题。它能够把电学、力学和数学联系到一起,共同运用到这个系统中。这样可以把学生课堂上所学的理论知识能够应用到实际的控制当中,这大大提高了教学质量。诸多特性,使他在国际界备受重视。倒立摆系统被人们用来验证试验研究的对象,曾被认为是最佳的理论方法,广泛应用于机器人学、伺服控制、航天、军工等领域,因而研究倒立摆系统不仅具有很强的理论意义,而且它又具有很强的工程意义。众所周知,自然界的许多系统都不稳定的,其中最具有代表性的就是本文研究地倒立摆系统,我的目的就是选择一个行之有效的控制方法来设计一个控制器,使不稳定的二级倒立摆受控对象变成一个趋于稳定的控制系统。到目前为止,已涌现出来各种各样的控制算法,比如模糊、神经网络、状态反馈、自适应、PID 以及变结构等,他们都各自展现了其特有的控制能力。本文采用模糊 PID 控制,实现对二级旋转倒立摆的稳定性进行有效控制。2.本课题的国内外的研究现状早在20世纪60年代,人们就开始了对倒立摆系统的研究。1966年Schacfer和Cannon应用Bang-Bang控制理论,将一个曲轴稳定于倒置位置。到了20世纪60年代后期,倒立摆作为一个典型不稳定、非线性的例证被提出。自此,对于倒立摆系统的研究便成了控制界关注的焦点。倒立摆的种类很多,有悬挂式倒立摆、平行倒立摆、环形倒立摆、平面倒立摆;倒立摆的级数可以是一级、二级、三级、四级乃至多级;倒立摆的运动轨道可以是水平的,还可以是倾斜的(这对实际机器人的步行稳定控制研究更有意义); 控制电机可以是单电机,也可以是多级电机。目前有关倒立摆的研究主要集中在亚洲,如中国的北京师范大学、北京航空航天大学、中国科技大学;日本的东京工业大学、东京电机大学、东京大学;韩国的釜山大学、忠南大学,此外,俄罗斯的圣彼得堡大学、美国的东佛罗里达大学、俄罗斯科学院、波兰的波兹南技术大学、意大利的佛罗伦萨大学也对这个领域有持续的研究。近年来,虽然各种新型倒立摆不断问世,但是可自主研发并生产倒立摆装置的厂家并不多。目前,国内各高校基本上都采用香港固高公司和加拿大Quanser公司生产的系统;其它一些生产厂家还包括(韩国)奥格斯科技发展有限公司(FT-4820型倒立摆)、保定航空技术实业有限公司;最近,郑州微纳科技有限公司的微纳科技直线电机倒立摆的研制取得了成功。倒立摆的研究具有重要的工程背景:..(1) 机器人的站立与行走类似双倒立摆系统,尽管第一台机器人在美国问世至今已有三十年的历史,机器人的关键技术——机器人的行走控制至今仍未能很好解决。(2) 在火箭等飞行器的飞行过程中,为了保持其正确的姿态,要不断进行实时控制。(3) 通信卫星在预先计算好的轨道和确定的位置上运行的同时,要保持其稳定的姿态,使卫星天线一直指向地球,使它的太阳能电池板一直指向太阳。(4) 侦察卫星中摄像机的轻微抖动会对摄像的图像质量产生很大的影响,为了提高摄像的质量,必须能自动地保持伺服云台的稳定,消除震动。(5) 为防止单级火箭在拐弯时断裂而诞生的柔性火箭(多级火箭),其飞行姿态的控制也可以用多级倒立摆系统进行研究。由于倒立摆系统与双足机器人,火箭飞行控制和各类伺服云台稳定有很大相似性,因此对倒立摆控制机理的研究具有重要的理论和实践意义。鲁棒控制是自动控制领域 20 世纪末最重要的研究结果之一。简单地说鲁棒控制处理的是不确定性对象,这种不确定性包括外部扰动、模型参数变化未建模动态(即模型与实际系统差异)、执行器的误差等等。鲁棒控制算法在倒立摆中的应用,尽管这方面的研究工作还没有充分展开,但从已有的一些研究成果不难推断出,鲁棒控制方法是解决倒立摆这一对象非线性、复杂性和不确定性的一种工具。鲁棒控制的发展方向是面向不确定性的研究对象,如何将其研究成果与实际应用相结合,解决不确定系统的控制问题,或使已有的控制系统具有更强的鲁棒性,这是一项艰巨而复杂的工作。倒立摆是一个验证理论的正确性及实际应用中的可行性的典型对象。通过将鲁棒控制算法应用到倒立摆中来验证鲁棒控制算法优越性,最终将鲁棒算法的实际应用更进一步。倒立摆的PID控制能够得到普遍的应用与其自身的特点有很大关系,首先它可以变形,而且变形之后依然可以达到一个很好的控制效果,所以今天至少有接近90%的回路在采用这种方法。由于它除具有简单的结构、好的鲁棒性、可靠性等特点外,还有便于操作性等诸多优点,因此它在冶金、电力、化工等工业制造生产过程中得到广泛的应用。但是它不可能不经过完善改进或者创新而一直这样发展下去,因为工业的需要,它必须不断地改进来适应控制领域的要求。所以后来出现了新的PID算法,比如位置式PID控制、增量式PID等。但是仅有这两种最简单基本的算法是肯定不能满足当今工业系统发展要求的,于是又激发出了很多改进后的PID算法,比如积分分段、积分分离化等。当然了,后来很多算法变涌现出来了,但不管是什么算法都是基于基本算法产生的,通俗点就是对基本算法进行拆分、组合、添加进而衍生出其他算法。众所周知,PID在控制界已得到了广泛的应用并且控制算法的精度在不断地提高,然而,实际情况中的控制系统当中的被控对象具有高度的非线性、随时间变化的不确定性等特点,所以其远比人类所能想象的复杂地多,因而数字式PID调节器虽然具有了很好的稳定精度,但是他不能兼顾控制系统的动态特性。为了解决这个矛盾,我们假设这样的情况下,就是参数可以在线调整。所以,智能控制的出现为这些问题提供了一条有效的途径,随着他的问世,实际控制系统中的参数变化问题便得到了解决。随着智能控制的发展,研究者变顺势把常规的PID控制跟智能控制进行了有效的结合,结合之后便出现了各种智能PID控制器,比如神经网络、专家型、模糊性、遗传算法等几种类型的智能PID控制器等。它克服了参数整定的问题,可以随意修改参..数,具有自学习、自组织、自适应的能力。它把两种控制器的优点集中到一个控制器上,自然而然,智能PID控制器在实际应用中最广泛。模糊控制理论经过几十年的发展,模糊PID控制也就相应变成了控制界的研究热点,于是便出现了很多不同类型的模糊PID控制器。最简单的有:直接控制量和增益调整两种类型,随后便出现了很多参数整定的规律和经验。模糊PID控制已经在很多工业控制过程中得到了很好应用。总之,设计一个良好的模糊PID控制器,最主要的就是要能够很好地进行实时在线调整常规PID控制器中的三个参数KP,KI,KD,最终能够使得这三个参数随着误差变化,自动调节输出。这不仅解决了单纯的模糊控制器的精度问题,而且解决了常规PID控制器对环境变化反应缓慢的问题。..毕业论文(设计)开题报告3.本课题的研究内容本文主要针对基于 MATLAB 的二级倒立摆的模糊 PID 控制算法及仿真。通过分析二阶倒立摆的的系统原理和研究物理模型,然后使用状态空间理论推导出其非线性模型,再在平衡点处进行线性化得到倒立摆系统简化动态方程,实现数学模型的建立。最后在 MATLAB 中进行二阶倒立摆系统仿真,得到系统的响应曲线,从而实现对二级倒立摆的稳定性的有效控制。与已有的控制算法(例如模糊、神经网络、状态反馈、自适应、PID 以及变结构等)相比,模糊 PID 具有明显的优越性。它不仅可以更准确地实现直线二级倒立摆的仿真控制,而且可以用倒立摆对其正确性和实用性加以物理验证。通过对各种方法进行快捷、有效的比较,实验效果更显著、直观。4.本课题的实行方案、进度及预期效果1)实行方案:采取模糊 PID 控制算法对不稳定的二级倒立摆系统进行稳定性控制。2)论文进度:3.20 前准备阶段学习毕业论文有关文件(熟悉被控对象熟悉以及 Matlab 软件,并求出系统响应)以及认真填写任务书;3.20-4.10 完成开题报告;1、查阅资料,熟悉被控对象,翻译外文资料;2、对被控对象进行建立传递函数和状态空间模型;3、熟悉 Matlab 软件,求系统响应;4、在 Matlab 中进行仿真实熟悉各种控制算法;5、实验,并分析仿真结果;6、结合仿真实验进行实时控制;7、结合编码器、伺服电机的仿真控制设计二级倒立摆模型;8、在 Matlab 中进行仿真实验,并分析、调试仿真结果;4.10-5.15 查阅并翻译相关外文文献以及撰写完成毕业论文;5.16-5.24 做好答辩前的工作,准备答辩;5.25-6.4 参加答辩以及查阅;3)预期效果:在没有其他干扰的情况下,仿真曲线应该正常。经过细致分析可以发现采用模糊 PID 的控制方法具有调节时间很短、稳态误差很低、超调量也很小的优点,其效果要明显有优于其他的控制方法,其鲁棒性,动态性,准确性明显优于传统 PID 控制...毕业论文(设计)开题报告5、已查阅参考文献:[1] 申铁龙.机器人鲁棒控制基础[M].清华大学出版社,2000[2]刘金锟,先进 PID 控制 MATLAB 仿真(第 2 版) [M].北京:电子工业出版社,2006[3]夏德钤,翁贻方编著,自动控制理论[M](第二版)***出版社,2007[4] 施阳 MATLAB 语言精要及动态仿真工具 SIMULINK 西安[M] 西北工业大学出版社,1997[5]张思雨,预测控制算法和 P ID 控制算法[J],燕山大学工学硕士学位论文,2003[6]陈超,龚国芳,徐晓东,王静,一种参数自整定模糊 PID 控制器的研究[D],浙江大学流体传动及控制国家重点实验室 2005[7] Farmer JD,Packard N.H.Perelson AS The immune system,adaptation and machinelearning[J].Physiea D,1986[8] Kawafuku M,Sasaki M,Takahashi.Adaptive learning method of work controllerusing an immune feedback law[J],2000[9]高东杰,谭杰,林红权.应用先进控制技术[M] 北京,国防工业出版社,2003[10]张建民,王涛.智能控制原理及应用[M],北京,冶金工业出版社,2003[11] 陶永华,尹怡欣,葛芦生.新型 PID 控制及其应用[M].北京,***出版社,1998[12]赵梅花.二级倒立摆平衡系统变结构控制器的设计与仿真研究[毕业论文],河南科技大学,2003.5指导教师意见指导教师:年月日学院审查意见学院领导(公章):年月日..天北天南绕路远,托根无处不延绵。萋萋总是无情物,吹绿东风又一年。….o---o…..o..Aqwsedbgword播放器加载中，请稍候...
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