pwm整流器的模糊控制.doc

（输入章及标题）理工类毕业设计（论文）模版 （此行字体打印时删除）燕山大学 毕业设计（论文） 学院（系） 电气工程学院年级专业 工业自动化2班 学生姓名 周博超指导教师 吴忠强答辩日期 IV摘要 PWM整流器以其能实现稳定的直流输出、网侧输入的可控功率因数而引起国内外广泛关注。本文以单相电流型PWM整流器为研究对象，总结了电流型整流器控制策略的发展状况，在比较各种方案的优缺点的基础上，最终确定用模糊控制作为电流调节器的直接电流控制。 论文电流型单相PWM整流起的数学模型，模糊控制理论的数学基础，建立了直流电流和输入电流幅值之间的传递函数，为系统仿真打下基础。采用模糊控制作为电流外环控制，可直接对流量进行调节，可消除稳态误差，并且调节器的设计与住电路的参数无关，同PI调节器作为内环控制器，不仅对交流侧的高次偕波可以起到很的抑制作用，还能跟好的跟随直流侧。确定PWM二级开关作为开关控制策略，详细阐述了基本原理，基于MATLAB/Simulinkh和MATLAB/Fuzzy对其进行了仿真研究。本课题是国家自然科技基金的后续课题，对解决电网偕波污染，提倡绿色用电有着理论上的指导意义。关键词 整流器 PWM 模糊控制 单相电流型PWM整流器Abstract PWM rectifier can achieve stability with its DC output, the input side of the net controllable power factor caused widespread concern at home and abroad. In this paper, single-phase current mode PWM rectifier for the study, summed up the current Rectifier control strategy of development, comparing the advantages and disadvantages of various programmes on the basis of the final set with fuzzy control as a regulator of the current direct current control. Papers of single-phase PWM current rectification from the mathematical model, fuzzy control based on the mathematical theory, a DC current and input current amplitude of the transfer function, to lay a foundation for the system simulation. Fuzzy control as the current outer ring control, directly regulate the flow, remove the steady-state error, and adjust the design parameters and live circuit has nothing to do with the inner ring as a PI regulator controller, not only to exchange the high side The kai-could play a very inhibited, but also with good follow the DC side. PWM switch identified as two switch control strategy, detailed basic principles, based on MATLAB / Simulinkh and MATLAB / Fuzzy their simulation study. This topic is the national natural science and technology fund follow-up issues, to solve the power grid kai-pollution, green electricity has advocated the theory guiding significance. Key words Rectifier fuzzy control single-phase PWM current mode PWM Rectifier目 录摘要IAbstractII第1章 绪论11.1 PWM整流器的概述11.2 PWM整流器研究概况21.2.1 PWM整流器的建模研究31.2.2 关于电压型整流器的电流控制策略研究31.2.3 关于PWM整流器拓扑结构的研究41.2.4 PWM整流器系统控制策略的研究41.2.4.1 无电网电动势传感器及无网侧电流传感器控制51.2.4.2 基于Lyapunov稳定型理论的PWM整流器控制51.2.4.3 PWM整流器的时间最优控制51.2.4.4 电网不平衡条件下的PWM整流器控制61.2.4.5 关于电流型PWM整流器的研究71.3小结7第2 章 模糊控制理论及其介绍82.1模糊集合与隶属函数82.1.1 模糊集合82.1.2 模糊子集的表示方法92.1.3 隶属函数102.2 模糊关系及其合成112.2.1 模糊关系的定义及表示122.2.2 模糊关系的运算及性质122.3模糊控制原理和设计方法132.3.1 模糊控制系统组成132.3.2模糊控制的基本原理142.3.3模糊控制器设计的基本方法162.4小结16第3章 电流型PWM整流器（CSR）17控制系统设计173.1单相CSR间接电流控制173.1.1基于交流侧电容电压滞环控制的间接电流控制173.1.2 基于单相CSR交流测电流的间接电流控制233.2 单相CSR网测电流基波及振荡的抑制273.2.1基于网测电流反馈的低次电流谐波抑制273.2.2基于单项CSR网侧电感电压反馈的电流振荡抑制303.3小结32第4章 设计单相CSR直接电流控制仿真334.1控制系统的组成334.2 控制器的设计344.2.1 电流内环控制器的设计354.2.2 外环控制器的设计364.3 仿真验证414.4小结42总结43参考文献44致谢46附录147附录248燕山大学本科生毕业设计（论文） 第1章 绪论1.1 PWM整流器的概述 随着电力电子技术的发展，功率半导体开关器件性能不断的提高，已从早期广泛使用的半控型功率半导体开关，如普通晶闸管发展到如今性能各异类型诸多的全控型功率开关，如双极型晶闸管，门极关断晶闸管，绝缘栅双极性晶闸管，集成门极换向晶闸管功率场效应晶闸管以及场控晶闸管等。而20世纪90年代发展起来的智能型功率模块则开创了功率半导体开关器件新的发展方向。功率半导体开关器件技术的进步，促进了电力电子变流装置技术的迅速发展，出现了以脉宽调制（PWM）控制为基础的各类变流装置，如变频器，逆变电源，高频开关电源以及各类特种变流器等，这些变流装置在国民经济各领域中取得了广泛的应用。但是，目前这些电流装置很大一部分需要整流环节，以获得直流电压，由于常规环节广泛采用了二极管不控整流电路或晶闸管相控整流电路，因而对电网注入了大量谐波及无功，造成了严重的电网“污染”。治理这种电网“污染”最根本的措施就是，要求变流装置实现网侧电流正弦化，且运行于单位功率因数。因此，作为电网主要污染源的整流器，首先受到学术界的关注，并开展了大量的学术工作。其主要思路就是，将PWM技术引入整流器的控制中，使整流器网侧电流正弦化，切可运行于单位功率因数。根据能量是否可双向流动，派生出两类不同的拓扑结构的PWM整流器，即可逆PWM整流器和不可逆PWM整流器。我这里只讨论能量可双向流动的可逆PWM整流器及其控制策略能量双向流动的PWM整流器不仅体现出AC/DC变流特性（整流），而且可呈现出DC/AC变流特性（有源逆变），因而确切地说，这类PWM整流器实际上是一种新型的可逆PWM变流器。 经过几十年的研究和发展，PWM整流器的技术已日趋成熟。PWM整流器主电路以从早期的半空型器件桥路发展到如今的全控型器件桥路；其拓扑结构以从单项，三相电路发展到多项组合及多电平拓扑电路；PWM开关控制由单纯的硬开关调制发展到软开关调制；功率等级从千瓦及发展到兆瓦级，而在主电路类型上，既有电压型整流器，也有电流型整流器，并且两者在工业上均成功的投入了使用。 由于PWM整流器实现了网测电流正弦化，且运行于单位功率因素，甚至能量可双向传输，因而真正实现了“绿色电能变换”。由于PWM整流器网测电流呈现出受控电流=源特性，因而这一特性使PWM整流器以及其控制技术获得了进一步的发展和拓展，并且取得了更为广泛和更为重要的应用，如静止无功补偿，有源电力滤波，统一潮流控制，超导储能，高压直流输电，电气传动，新型UPS以及太阳能，风能等可再生能源的并网发电。1.2 PWM整流器研究概况 PWM整流器的研究始于20世纪80年代，这一时期由于自关断器件的日趋成熟及应用，推动了PWM技术的应用与研究。1982年Busse Alfred ,Holtz Joachim首先提出了基于可关断器件的三相全桥PWM整流器拓扑结构即其网测电流浮想控制策略，并实现了电流型PWM整流器网侧单位功率因数正弦波电流控制。1985年Akagi Holtz Hirofumi等提出了基于PWM整流器拓扑结构的无功补偿器控制策略，这实际上就是电压型PWM整流器早期的设计思想。到20世纪80年代末，随着A.W.Green等人提出了基于坐标变换的PWM整流器连续，离散动态数学模型及控制策略，PWM整流器的研究发展到一个新的高度。 自20世纪90年代以来，PWM整流器一直是学术界研究和关注热点。随着研究的深入，基于PWM整流器拓扑结构及控制的拓展，相关的研究也相应的发展起来，如有源滤波器1、超导储能2、交流传动3、高压直流输电4以及统一潮流控制5等。这些技术的研究，又促进了PWM整流器及其控制技术的进步和完善。 这一时期的PWM整流器的研究主要集中于以下几个方面： （1）PWM整流器的建模及分析。 ( 2 )电压型PWM整流器的电流控制。 （3）主电路拓扑结构的研究。 （4）系统控制策略的研究。 （5）电流型PWM整流器的研究。 具体简述如下：1.2.1 PWM整流器的建模研究 PWM整流器数学模型的研究是PWM整流器及其控制技术研究的基础。自A.W.green等提出基于坐标变换的PWM整流器连续、离散动态数学模型之后，各国学者以不同方法从各方面对PWM整流器的数学模型进行深入仔细的研究，其中R.Wu.S.B.Dewan等较为系统的建立了PWM整流器的时域模型，并将时域模型分解为高频，低频模型，且给出了相应的时域解。而Chun T、Rim和Dong Y、Hu等则利用局部电路的dp坐标变换建立了PWM整流器基于变压器的低频等效模型电路，并给出了稳态特性分析。在次基础上，Hengchun Mao等人又建立了一种新颖的降阶小型号模型，从此简化了整流器的数学模型及特性分析。 1.2.2 关于电压型整流器的电流控制策略研究 为了使电压型整流器网侧呈现受控电流源特性，其网侧电流控制策略的研究十分重要。在整流器技术发展过程中，电压型整流器网侧电流控制策略主要分为两部类：一类是由、Dixon和B.T.Ooi首先提出的“间接电流控制”策略；另一类就是目前站主导地位的“直接电流控制”策略。“间接电流控制”实际上就是所谓“幅相”电流控制，即通过控制电压型PWM整流器的交流侧电压基波幅值、相位，进而间接控制其网侧电流。由于“间接电流控制”其网侧电流的动态响应慢且对系统参数变化灵敏，因此这种策略以逐步被“直流电流控制”策略所取代。“直流电流控制”策略以其快速的电流响应和鲁棒性受到学术界的关注并先后研究出各种不同的控制方案6.7，主要包括以固定开关频率且采用电网电动势前馈SPWM控制，以及以快速电流跟踪为特性的滞环电流控制等。为了提高电压利用律并降低损耗，基于空间矢量的PWM控制在电压型PWM整流器电流控制中取得广泛应用，并先后提出了多种控制方案。目前，电压型PWM整流器网侧电流控制有将固定开关频率、滞环及空间矢量控制相结合的趋势，以使其在大功率有源滤波等快速电流响应场合获得优越的性能。此外，再具体的控制策略上还相继提出了状态反馈控制等。1.2.3 关于PWM整流器拓扑结构的研究 就PWM整流器拓扑结构而言，可分为电流型和电压型两大类。而对于不同的功率等级和不同的用途，人们研究了各种不同的PWM整流器拓扑结构。在小功率应用场合，PWM整流器拓扑结构的研究主要集中在减少功率开关和改进支流输出性能上。J.J.Shieh等对四开关三相电压型PWM整流器进行了建摸及分析，并阐述了这类电路的工作特点。然而，一般的电压型PWM整流器为Boost型变换器，正常工作时，其直流侧电压须高于交流侧电压峰值，那么如何利用电压型PWM整流器输出相对应的较地的直流电压呢？Ching-Tsai Pan等学者对一般的PWM整流器拓扑结构进行改进，并取得了一定的结果。对于大功率PWM整流器，其拓扑结构的研究主要集中在多电平拓扑结构、交流器组合以及软开关技术上。多电平拓扑结构的PWM整流器主要应用于高压大容量场合。而对大电流应用场合，常采用变流器组合拓扑结构，即将独立的电流型PWM整流器进行组合。与普通并联不同的是，每个并联的PWM整流器中的PWM信号发生采用移相PWM控制技术，从而以较底开关频率获得了等效的高开关控制，及在降低功率损耗的同时，有效的提高了PWM整流器的电流、电压波形品质。与此相似，也可将独立的电压型PWM整流器进行串联移相组合，以适应高压大容量的应用场合。此外，在大功率PWM整流器设计上，还研究了基于软开关（ZVS、ZCS）控制的拓扑结构和相应的控制策略，然而这一技术还有待进一步完善和改进。1.2.4 PWM整流器系统控制策略的研究 随着PWM整流器及其控制策略研究的深入，研究人员相继提出了一些较为新颖的控制策略，分析如下：1.2.4.1 无电网电动势传感器及无网侧电流传感器控制 为进一步简化电压型PWM整流器的信号检测，Toshi Hiko Noguchi等学者提出了一种无电网电动势传感器PWM整流器的控制策略。随后B.H.Kwon等人也提出了类似的研究报告。这一研究主要包括两类电网电动势的重构方案：其一是通过复功率的估计来重构电网电动势；其二是基于网侧电网偏差调节的电网电动势重构。前者是一种开环估计算法，因而精度不高，并且在复功率估计算法中，由于含有微分项，因而容易因入干扰；而后者则是一种闭环估计算法，他采用网侧电流偏差的PI调节来控制电网电动势的重构误差，因而精度较高。另外，M.Riese则通过直流侧电流的检测来重构电压型逆变器的交流侧电流，从而为无交流电流传感器的PWM整流器奠定了基础。1.2.4.2 基于Lyapunov稳定型理论的PWM整流器控制 针对具有非线形多变量耦合特性的电压型PWM整流器模型，常规的控制策略及其控制设计一般采用稳态工作点小信号扰动线性化整定方案,这种方案不足之处在于无法保证控制系统大范围扰动的稳定性。为此，Hasan Komurcugil等学者提出了基于Lyapunov稳定性理论的控制策略。这一新颖的控制方案以电感、电容储能的定量关系建立了Lyaunov函数，并由三相PWM整流器的dp模型以及相应的空间矢量PWM约束条件，推导出相关的控制算法。从相关实验结果来看，这一方案较好的解决了PWM整流器的大范围稳定性控制问题。随后，Hasan Komurcugil等又针对单相电压型PWM整流器的Lyapunov控制方案进行了系统研究。1.2.4.3 PWM整流器的时间最优控制 常规的基于dp模型的电压型PWM整流器控制，一般通过前馈解耦控制，并采用两个独立的PI调节器，分别控制相应的有功、无功分两件的动态耦合和PWM电压利用率的约束，影响了电压型PWM整流器有功分量（直流电压）的动态响应。针对这一问题，Jong-Woo choi等学者利用最优控制理论，提出了确保直流电压相应的时间最优控制。基本思路是，根据世间最优控制算法解出跟踪指令电流所需的最优控制电压，并在动态过程中降低相应无功分两的响应速度，从而有效提高有功分量（直流电压）的动态响应速度，实现了电压型PWM整流器直流电压的时间最优控制。1.2.4.4 电网不平衡条件下的PWM整流器控制 在三相PWM整流器控制策略研究中，一般均假设三相电网是平衡的。而实际上，三相电网往往是不平衡的，及三相电网电压的幅值、相位不对称。一旦电网不平衡，以三相电网平衡为约束条件所设计的PWM整流器就会出现不正常的运行状态，主要表现在：PWM整流器直流测电压和网测电流的低次谐波幅值增大，且产生非特性谐波，同时损耗相应增大；PWM整流器网测电流亦不平衡，严重时可使PWM整流器发生故障，甚至烧坏装置。 为了使PWM整流器在电网不平衡条件下仍能正常运行，必须提出相应的控制策略。Luis Moran等学者于1992年提出研究报告，分析并推导了三相电压型PWM整流器再三相电网不平衡条件下，网测电流以及时域电压表达式。Luis Moran等通过理论分析认为，电网负序分量是导致网测电流畸变的原因；同时指出，电网不平衡条件下，常规的控制方案将使直流侧产生偶此谐波分量，并且通过PWM控制，PWM整流器交流侧会产生相应的奇次谐波，从而导致网测电流畸变。然而，Luis Moran并没有从控制策略上改进设计，而只是提出了电网不平衡条件下，电压型PWM整流器网侧电感、直流侧电容的设计准则。为此，D.Vincenti等人较为系统的提出了正序dp坐标系中的前馈控制策略，即通过负序分量的前馈控制来抑制电网负序分量对PWM整流器控制的影响。但这一方案使正序dp坐标系中的负序基波分量呈现出2次谐波形式，显然，采用PI调节器无法获得负序基波分量的无静差控制，因此不能完全消除负序基波分量的影响。作为改进研究，Hong-Seok Song等学者提出了一种采用正序，负序两套同步旋转坐标系的独立控制方案，该方案在各自的同步旋转坐标系中，将正序负序基波分量均转换成直流分量，从而通过PI调节器即可实现无静差控制，因此，这是一个理论上较为完善的控制方案，该方案不足之处就是控制结构复杂，且在线运算工作量大，一般需采用双数字信号处理器（DPS）控制。1.2.4.5 关于电流型PWM整流器的研究 虽然，Busse Alfred等率先提出了电流型PWM整流器网测电流幅值控制策略，但长期以来，电压型PWM整流器以其简单的结构，较低的损耗，方便的控制等一系列优点，一直成为PWM整流器研究的重点。而电流型PWM整流器由于需较大的直流储能电感，以及交流侧LC滤波环节所导致的电流畸变、振荡问题，使其结构和控制相对复杂化，从而制约了电流型PWM整流器的应用于研究，但是随着超导技术的应用于发展，电流型PWM整流器在超导储能中取的了成功应用。由于超导线圈损耗极低，并且可直接作为电流型PWM整流器直流侧储能电感，因此这类应用克服了电流型PWM整流器原有的不足。由于在超导储能变流环节中应用的电流型PWM整流器无需另加直流电感，并且具有良好的电流保护性能，因此与电压型PWM整流器相比，电流型PWM整流器更为合适。显然，经过数年的研究，电流型PWM整流器技术同样得到了发展，其研究主要集中在以下几方面。 （1）数学建模及特性分析（2） 三值逻辑PWM信号发生技术；（3） 网测电流畸变、谐振抑制及控制策略；（4） 网侧滤波参数的优化设计；（5） 不平衡电网条件下的控制系统设计。1.3 小结 本章主要对PWM整流器的发展现况，历史背景，和研究意义，做了大概的介绍，还讲了现在主要研究的重点，为下文做了很好的铺垫。 第2 章 模糊控制理论及其介绍 我们知道，模糊控制是通过模拟人脑的模糊思维方法，从而实现对被控系统的控制。所谓模拟人脑思维，简单的说就是先将人工实践经验用模糊语言的形式加以总结和描述，产生一系列的模糊控制规则，再通过模糊控制推理，将输入量变为模糊控制输出量这样一个过程。所有这些形成了模糊控制的基本理论和方法。因此，可以说模糊数学模糊控制的理论基础。2.1模糊集合与隶属函数 模糊集合对模糊现象或模糊概念的刻画。所谓模糊现象就是没有严格的界限划分而使得很难用精确的尺度来刻画的现象，而反应模糊现象的种种概念就称为模糊概念。模糊集合是模糊理论的基础，犹如集合是现代数学的基础一样，模糊理论是由“模糊集合”发展而来的，模糊集合中最重要的概念是隶属函数。2.1.1 模糊集合定义：设给定论域X，其上的一个模糊子集A是指，对任意的x属于X，都指定了一个数 0,1与x对应，它称为对A的隶属度。它意味着做了一个映射：:X0,1这个映射称为A的隶属函数。上述定义说明，论域X上的模糊子集A由隶属函数来表征，通过它可以定量地描述模糊集合。取值范围在闭区间0，1上, 的大小反映了x对于模糊子集A的从属程度。的值越接近于1，表示x从属于A的程度越高，当取1时表示完全从属；反之，当越接近0，从属程度越低，当取0时表示完全不从属。当的值域为0，1两值时，即退化成为一个经典子集的特征函数，相应的模糊子集A便退化称为一个经典子集。2.1.2 模糊子集的表示方法 模糊集合由多种不同的表示方法，一般地一个模糊子集A可以表示成序偶；其中X为论域，x为论域中的元素，为相应的隶属函数。当论域X为有限集或可数集，则模糊子集A由以下三种方法表示：（a）Zadeh表示法：其中斜线“/”仅表示论域中的元素与其对A的隶属度之对应关系，求和号“”仅表示论域X上A集合的全部，而不是相加求和的意思。(b)序偶表示法：(c)向量表示法： 当论域X为无限不可数集时，Zadeh将模糊集合A表示为： 这里积分号仅表示论域X上相关集合A的整体关系；同样斜线也表示元素x与其对A的隶属度之间的对应关系。(1)模糊集合的运算及其性质 定义:设论域X，A、BF(X),隶属函数分别为和。如果：称A包含B,或B是A的子集，记为B A；如果：称A与B相等，记作B=A.2.1.3 隶属函数通过隶属函数可以将模糊集合的模糊性做定量描述，故隶属函数在模糊集合中占有十分重要的地位。正确确定隶属函数，是运用模糊集合理论解决模糊控制问题的基础，也是模糊理论中的关键问题。由于我们遇到的模糊现象千变万化，要找到统一模式的隶属度计算方法是不现实的。常用的隶属函数确定方法：（a） 模糊统计法在论域X上给出的模糊集合A，由n个不同的试验者独立判断做出一个在概念上与A完全一致的但又有明确边界的普通子集，因试验者在主观上的差异，一般 可有不同的边界。然而，对于论域上特定放入元素，统计 的次数并计算相应的频度，即：将对A的隶属度f近似作为对A的隶属度。随着n增加，也会出现象概率统计一样的稳定性。当变化，取得相应的隶属度，即可得子的隶属函数。这种模糊统计试验方法反映了隶属程度的客观意义，是一种较好的方法，只是工作量大。（b） 例证法 对论域X给出的模糊集合A，可根据有限个的值，来估计A的隶属函数。例如论域代表全体人类，A代表“高个的人”。为确定先给定一个高度值h，然后，选定几个语言真值（即判断一句话的真实程度）中的一个来回答某人高度是否属于“搞个人”。语言真值可分为“真的”、“大致真的”、“似真似假的”、“大致假的”、“假的”，并且对应地用1，0.75，0.5，0.25和0表示。对n个不同高度h1,h2,hn的样本进行查询，就可得到A的隶属函数的离散值，进而得到近似的隶属函数。（c） 专家经验法 根据专家的实际经验，对于所讨论的模糊集合，经分析相关的因素及必要的信息处理后，可建立一个计算隶属度的数学模型。例如郭荣江等在关幼波治疗肝病的计算机诊断程序中，设待诊病人为论域X，模糊子集A为患有脾虚性迁延性肝炎的病人。根据专家经验，可以有16种症状如GPT异常等来判断病人x是否患有此病。将每一症状视为普通子集，令其特征函数为。如结合临床经验，将每一症状对A集所起作用赋予一定的权系数，则隶属函数可按下式求出： （d） 二元对比排序法设论域X内有元素模糊子集A，经两两相互比较后具有某一特征（模糊子集特征）的从属程度为，则可以构造一个相关矩阵: 如令为与相对比较后具有某一特征的程度，并且用0，1上的值来刻画，则可由下式来计算： 显然表示相对比较从属模糊子集的程度相对值，也转换到了0，1区间范围取值。注意，一般 ，当i=j时, =1.矩阵的第i行元素表示与论域内各元素两两作了比较后所得从属模糊集A的相对程度，因此，对第i行各元素取小运算即可得到对于A的相对隶属度： 由此容易得到相对隶属函数，这即确定了隶属函数的大致形状。此方法也是一种比较实用的方法。特别是当论域内的元素不太多时。2.2 模糊关系及其合成 客观世界的各个事物之间普遍存在着联系，关系就是描述事物之间某种联系的一种数学模型。关系在普通集合论中是一个重要概念；关系扩展到模糊集合中，就是模糊关系这一重要概念。2.2.1 模糊关系的定义及表示 关系常记为R，他是定义在以元素序对所构成的集合（作为关系的论域）上的。设X,Y为两非空集合，各任取一元素组成序对（x,y），称为所有序对构成的集合为X和Y的直积，并记为： 那么，对于普通关系，可由元素间有某种联系的序对的集合R来表示，显然它属于直积的一个经典子集。此种关系也可拓广到模糊关系。 定义：从X到Y的模糊关系R是指在直积中的一个模糊子集，其模糊关系由隶属函数：来刻画，隶属度表示序对（x，y）具有关系R的程度。 特别地，当Y=X，则称为X上的模糊关系。 对于模糊多元，例如n元模糊关系，是指当模糊关系的论域为n个非空集合的直积时。 模糊关系R作为模糊子集可采用前面介绍的模糊子集的表示方法。但当直积空间为有限集时，则常用矩阵表示，以便于分析和计算。2.2.2 模糊关系的运算及性质 模糊关系R实际上是模糊子集，同样也可参照模糊子集的运算定义模糊关系的并、交、补等运算。因模糊关系一一对应模糊矩阵，所以下述对模糊关系的讨论也适用于模糊矩阵。定义1：设直积空间上的模糊关系R 、S,对,则(a) 并：(b) 交：(c) 补：(d) 包含：(e) 相等：(f) 转置：定义2：设I为X上的模糊关系，O,E为上的模糊关系，如果：称I为X上的恒等关系（对应模糊矩阵为单位矩阵）； 如果： 称O为上的零关系（对应零集，模糊矩阵为零矩阵）；如果： 称E为上的全称关系（对应全集，模糊矩阵为全矩阵）。2.3模糊控制原理和设计方法 模糊自动控制是以模糊集合化模糊语言变量及模糊逻辑推理为基础的一种计算机数字控制。2.3.1 模糊控制系统组成 模糊控制技术属于计算机数字控制的一种形式，因此，模糊控制系统的组成类似于一般的数字控制系统，其框图如下：图 2-1 模糊控制系统框图模糊控制器一般分五部分： (1)模糊控制器，是各类自动控制系统的核心部分。由于被控对象的不同，以及对系统静态、动态特性的要求和所应用的控制规则（或策略）各异，可以构成各类型的控制器。在模糊控制理论中，采用基于模糊控制知识表示和规则推理的语言型“模糊控制器”，这也是模糊控制系统区别于其它自动控制系统的特点所在。模糊控制器是各类自动控制系统的核心部分。由于被控对象的不同，以及对系统静态、动态特性的要求和所应用的控制规则（或策略）各异，可以构成各类型的控制器。在模糊控制理论中，采用基于模糊控制知识表示和规则推理的语言型“模糊控制器”，这也是模糊控制系统区别于其它自动控制系统的特点所在。 （2）输入/输出接口 模糊控制器通过输入/输出接口从被控制对象获取数字信号量并将模糊控制器决策的输出数字经过数模转换，将其转换变成模拟信号，然后送给被控对象。在I/O接口装置中，除了A/D,D/A转换外，还包括必要的电平转换电路。 （3）执行机构 包括各类交、直流电动机，伺服电动机，步进电动机，气动调节阀和液压电动机、液压缸。 （4）被控对象 它可以是一种设备或装置以及它们的群体，也可以是一个生产的、自然的、社会的、生物的或其他各种的状态转移过程。这些被控对象可以是确定的或模糊的、单变量的、有滞后或无滞后的，也可以是线性的或非线性的，定常的或时变的，以及具有强耦合的或干扰等多种情况，以及那些难以建立精确数学模型的复杂对象。 （5）传感器 传感器是将被控对象或各种过程的被控制量转换为电信号（模拟或数字）的一类装置。被控制量往往是非电量，如位移、速度、加速度、温度、压力、流量、浓度、湿度等。传感器在模糊控制系统中占有十分重要的地位，它的精度往往直接影响整个控制系统的精度。因此，在选择传感器时，应注意选择精度高且稳定性好的传感器。2.3.2模糊控制的基本原理 模糊控制的基本原理可以由下图2.2表示：它的核心部分为模糊控制器，如图虚线框中部分所示。模糊控制器的控制规则由计算机的程序实现，微机通过采样获取被控制量的精确值，然后将此量与给定值比较得到误差信号E（在此取误差反馈）。一般误差E作为模糊控制器的输入量。把误差E的精确量进行模糊化变成模糊量，误差E的模糊量可以相应的语言表示。至此，得到了误差E的模糊语言集合的一个子集e（e实际是一个模糊向量）。再由e和模糊控制规则R（模糊关系）根据推理合成规则进行决策，得到模糊控制量 为：式中为一个模糊量。图（2-2）模糊控制原理框图为了对被控对象施加精确的控制，还需要将模糊量转换为精确量，这一步骤在上图中称为非模糊化处理（亦称为去模糊化或清晰化处理）。得到了精确的数字控制量后，经数模转换，变为精确的模拟量后送给执行机构，对被控对象进行控制。 综上所述，模糊控制算法可概括为以下四个步骤：（1） 根据本次采样得到的系统输出值，计算所选择系统的输入变量；（2） 将输入变量的精确值变为模糊量；（3） 根据输入变量（模糊量）和模糊控制规则，按模糊推理合成模糊控制规则计算控制量（模糊量）；（4） 由上述得到的控制变量（模糊量）计算精确的控制量。2.3.3模糊控制器设计的基本方法 模糊逻辑控制器（Fuzzy Logic Controller）简称为模糊控制器（Fuzzy Controller）,因为模糊控制器的控制规则是基于模糊条件语句描述的语句控制规则，所以模糊控制器又称为模糊语言控制器。模糊控制器的设计包括以下几项内容：（1） 确定模糊控制器的输入变量和输出变量（即控制量）；（2） 设计模糊控制器的控制规则；（3） 进行模糊化和去模糊化；（4） 选择模糊控制器的输入变量及输出变量的论域并确定模糊控制器的参数（如量化因子，比例因子）；（5） 编制模糊控制算法的应用程序；（6） 合理选择模糊控制算法的采样时间。2.4 小结本章对模糊控制原理和模糊控制器作了详细的介绍，在介绍模糊控制原理时主要介绍了模糊集合于模糊关系，这是模糊控制器的理论基础；然后讲述了模糊控制器的原理和设计方法，这是将模糊控制用于实践的基础。第3章 电流型PWM整流器（CSR） 控制系统设计3.1单相CSR间接电流控制3.1.1基于交流侧电容电压滞环控制的间接电流控制 单相CSR主电路拓扑结构如图3-1所示 图3-1 单相CSR主电路拓扑结构 从图3-1单相CSR主电路拓扑结构分析单相CSR有两个被控变量：直流测电流idc和网测电流is。idc的控制目标主要是要求CSR直流侧提供恒定的直流电流，为此要求idc控制具有良好的抗扰性能；而is的控制目标主要是实现CSR网侧正弦波电流控制，甚至要求其功率因数可控，因此网测电流i的控制跟侧重于电流的跟随性能。那么，如何协调CSR交、直侧电流控制，以获得较理想的控制性能呢？ 首先，研究单相CSR间接电流控制。所谓单相CSR间接电流控制，是指通过控制单相CSR交流侧电容电压或交流测电流基波的幅值与相位，从而间接控制单相CSR网测电流，这一控制策略与电压型PWM整流器（VSR）的间接电流控制相类似。那么，单相CSR交流侧电容电压如何控制呢？首先定义单相CSR双极性二值逻辑开关函数p P= （3-1） 根据这一定义，单相CSR交流测电流方程为 C=is-pidc （3-2）（）当idc时，p取值不同时的电容电压变化率各异，即 （3-3） 这表明，通过控制p,可以直接控制单相CSR交流侧电容电压，进行间接控制期望测电流。显然，采用滞环控制策略，即根据要求设定电容电压指令及其滞环宽度Vw，就可以实现电容电压的快速跟踪控制。而滞环宽度Vw的设定，主要依赖于单相CSR功率开关管的上线开关频率。基于开关函数p描述的单相CSR直流测电压为 （3-4）单相CSR电容电压滞环控制时的相关波形如图1所示 图（3-2） 单相CSR交流侧电容电压滞环控制相关波形 考虑式（3-4），则单相CSR直流测电压方程为 （3-5） 这表明单相CSR直流侧电压vdc到直流测电流idc的传递环节为一阶惯性环节。显然，idc是脉动的。当惯性时间常数足够大时，idc的脉动幅值将足够小，另外，还可以通过直流平均电压Vdc、直流品均电流Idc及其功率平衡关系来建立单相CSR交、直流侧的定量关系。如图（3-2）所示，考察t0时刻附近一个开关周期（）中的直流电压平均值Vdc （3-6）上式中，令一个PWM开关周期近似不变。当Ldc足够大时，单相CSR直流测电流idc近似不变，且 （3-7） 式中Id直流侧电流平均值。忽略桥路损耗，且令交流侧电容电压跟踪电压指令，则由单项CSR交、直流侧的能量平衡关系，得 （3-8）以上讨论说明：单相CSR交流测电流的间接控制关键在于其交流侧电容电压 的控制，那么如何产生电容电压指令信号呢？ 设单相CSR网侧电动势es及电流is分别为 （3-9） 式中 网侧功率因数； 、网侧电动势、电流峰值，稳态时令 而指令峰值Ism*（t）由直流电流环调节器输出决定。 单相CSR交流测电压方程为 -( 3-10)将式（3-9）代入式（3-10），求解得 （3-11）式中 -(3-12)显然要实现式（3-11）描述的单相CSR网测电流控制，CSR交流侧电容电压指令值 为 - (3-13) 采用电容电压滞环控制的单相CSR间接电流控制原理电路如图3-3所示。可见，这种单相CSR间接电流控制策略实际上是一种基于闭环的is开环控制策略。当设计单相CSR直流电流外环时，若PWM开关频率足够高，且Ldc足够大，则vc闭环控制的系统带宽远宽于直流电流外环控制的系统带宽。因此，在直流电流外环设计时，可将vc内环相应看成稳态过程。这样，电流调节器输出相当于控制了电容电压基波有效值Vc。若设电网电动势及网测电流有效值为Es、Is，且直流测电流、电压平均值为Idc、Vdc，若忽略桥路损耗，并令交流侧功率因数角、，则由单相CSR交、直流侧功率因数平衡原理得图3-3 采用电容电压滞环控制的单相CSR间 接电流控制原理电路 或 (3-14)当网侧电感足够小时，且考虑单位功率因数控制时，则 或 (3-15)若电流外环采用PI调节器，稳态时有 (3-16)式中idc*直流测电流指令。联立式（3-14）-式（3-16），易得CSR直流侧电压平均值Vdc为 -( 3-17) 由此不难看出单相CSR间接电流控制时的电流外环控制结构，如图（3-4）所示 图（3-4） 单相CSR直流电流外环控制结构显然，直流测电流控制系统整定可按“典型系统”或“对称最佳整定”方法设计电流调节器参数、。3.1.2 基于单相CSR交流测电流的间接电流控制 以上研究单相CSR交流侧电容电压滞环控制的间接电流控制。实际上，还可以设计更为简单的单闭环间接电流控制，即由直流电流环调节器输出单相CSR网测电流指令，并通过相关运算求出对应的单相CSR交流测电流指令，而单相CSR交流测电流基波分量是PWM电流调制信号的线性放大，因此可以实现单相CSR的间接电流控制。 如图（3-4）所示，若要实现单相CSR单位功率因数正弦波电流控制，令单相CSR网侧电动势es、电流is分别为 （3-18）显然，单相CSR交流侧电压，电流的方程为 （3-19） 式中it单相CSR交流测电流。联立式（3-16）式（3-19），解得交流测电流指令it*为 （3-20）式中Ism*（t)单相CSR网测电流峰值指令。 显然，当C、R、L、参数一定时，若按式（3-20）指令信号对单相CSR进行PWM电流控制，则可实现单相CSR单位功率因数正弦波电流控制。然而，由于式（3-20）中存在二阶微分项。当PWM开关频率足够高，且单相CSR直流电感Ldc足够大时，在滤除网测电流峰值指令信号噪音后，一阶微分环节是可以实现的。基于交流测电流电流的单相CSR简介电流控制原理电路如图（3-5）所示。 图3-5 基于交流侧电流的单相CSR间接 电流控制原理电路图中，网测电流峰值指令Ism*有直流电流环节调节器输出，因而这实际上是一种基于指令电流的CSR网测电流开环控制策略。 为分析单相CSR交流侧动态响应，根据（3-5）可将CSR交流侧传递结构分解为两部分，如图（3-6）所示。图中，Es（s）、Is（s）、It(s)分别为es、is、it的拉氏变换量。 图3-6 单相CSR交流侧传递函数分析单相CSR交流侧各环节传递函数，有 （3-21） （3-22） （3-23）由式（3-21）得单相CSR交流侧系统的自然振荡频率与阻尼比分别为 (3-24) （3-25） 可见，若要使网侧LC滤波器取得一定的高频衰减特性，足够低，即当L一定时，C应足够大。虽然增加网测电阻可以增加系统阻尼，但同时损耗亦增加，这显然不可取。另一方面，随着LC滤波器滤波电容C的增大，系统阻尼亦增大。但当C过大时，过小的将使网侧低次谐波电流通过LC滤波器得以放大，从而使单相CSR网测电流发生畸变。 当网侧电动势含有3、5、7次等低次谐波，且较低时，则通过W1（s）环节传递后，低次谐波电动势会使CSR网侧产生较大幅值的低次谐波电流，从而导致网测电流畸变。以上分析表明：单相CSR网测电流控制存在以下问题，