开题报告(314版)

1、华中科技大学本科生毕业设计（论文）开题报告华中科技大学毕业设计（论文）开题报告 题目：单相逆变器复合重复控制策略研究 院 系 自动化学院 专业班级 自动化1207班姓 名 李家敏学 号 U201214634指导教师 彭刚 2016年3月14日开题报告填写要求一、 开题报告主要内容：1.课题来源、目的、意义。2.国内外研究现况及发展趋势。3.预计达到的目标、关键理论和技术、主要研究内容、完成课题的方案及主要措施。4.课题研究进度安排。5.主要参考文献。二、 报告内容用小四号宋体字编辑，采用A4号纸双面打印，封面与封底采用浅蓝色封面纸（卡纸）打印。要求内容明确，语句通顺。三、 指导教师评语、教研室

2、（系、所）或开题报告答辩小组审核意见用蓝、黑钢笔手写或小四号宋体字编辑，签名必须手写。四、 理、工、医类要求字数在3000字左右，文、管类要求字数在2000 字左右。五、 开题报告应在第八学期第二周之前完成。 选题依据及研究意义随着各行各业自动化水平及控制技术的发展和其对操作性能要求的提高，许多行业的用电设备（如通信电源、电弧焊电源、电动机变频调速器等）都不是直接使用交流电网作为电源，而是通过形式对其进行变换而得到各自所需的电能形式，它们所使用的电能大都是通过整流和逆变组合电路对原始电能进行变换后得到的。而且随着电力电子技术的迅猛发展，逆变技术广泛应用于航空、航天、航海等国防领域和电力系统，交

3、通运输、邮电通信、工业控制等民用领域。特别是随着石油、煤和天然气等主要能源日益紧张，新能源的开发和利用越来越受到人们的重视。利用新能源的关键技术-逆变技术，能将蓄电池、太阳能电池和燃料电池等其他新能源转化的直流电能变换成交流电能与电网并网发电。因此，逆变技术在新能源的开发和利用领域有着至关重要的地位。现如今，逆变器的应用非常广泛，在已有的各种电源中，蓄电池、干电池、太阳能电池等都是直流电源，当需要这些电源向交流负载供电时，就需要逆变。随着社会经济的快速发展，人类对能源的需求激增，能源紧缺和环境污染问题日趋严重，开发利用新能源已经成为世界各国的共识，这些新能源获得的电能常常会运用到逆变器。2 单

4、相逆变器2.1 逆变器的介绍及分类什么是逆变器呢？逆变器就是将直流转化成交流的电路或者设备。逆变器一般采用的脉宽调制（PWM）技术，通过晶闸管或者开关管输出一定占空比的高频方波，无数高频方波组合成完整的交流波形，同时反馈电路将输出端电压变化反馈到驱动端，控制器根据反馈电压对方波的占空比进行微调，从而得到所需要频率和电压的交流电。目前逆变器主要用于两类工业功率控制装置中，一是恒压恒频逆变器，主要用于UPS电源、航空机载电源和机车辅助电源等应用场合。这是一种当负载或直流电源在一定范围内波动时，能保持输出以恒定电压和恒定频率的交流正弦波的电源装置，称为CVCF逆变器。二是变压变频逆变器，主要用于交流

5、调速系统中。这是一种可获得所需要的电压，电流和频率的交流变压变频装置，简称VVVF逆变器。按照交流用电负载与输入直流电源隔离元件的工作频率，逆变器又可分为低频环节和高频环节两大类。按照输出能量的去向，逆变器可分为无源逆变和并网逆变两大类。逆变器就是一种将低压（12或24伏）直流电（电池、蓄电瓶）转变为220伏交流电（一般为220v50HZ正弦或方波）的电子设备。因为我们通常是将220伏交流电整流变成直流电来使用，而逆变器的作用与此相反，因此而得名。逆变器可以按输出的相数分，可分为单相逆变器、三相逆变器和多相逆变器。一般火车上用单相逆变器是因火车上发的电是直流电，通过变频和逆变器以后变单相交流电

6、，供日光灯用，所以火车上只有单相电源。因此火车上没有三相电源 。与整流器的工作原理相反，逆变器是将直流转换为交流，是整流过程的逆向，所以称为逆变。由于实际应用中许多电源发出的是直流电，但是许多负载需要得到和使用交流电，如电机和变压器等。由于直流负载应用范围较小，所以直流供电不能适应多样性的负载，所以需要通过逆变器对直流电进行变换。另外，随着生产技术的进步与发展，许多负载对交流电源有着特殊的要求，比如频率的可调范围很宽，或需要在小范围内保持恒定等，都是市电无法满足的。逆变器除了本身的逆变功能外，还能够自动稳压，提高电能质量。逆变器的分类有很多种，根据逆变原理的不同，可以将逆变器分为脉宽调制(PW

7、M)逆变器、自激振荡型逆变器和阶梯波叠加逆变器等。根据逆变器主回路拓扑的不同，分为全桥拓扑结构、半桥拓扑结构和推挽拓扑结构等。根据输出波形形状不同:分为正弦波PWM逆变器、方波逆变器和阶梯波逆变器。根据控制输出波形类型不同分为电流跟踪型逆变器和电压跟踪型逆变器。2.2 逆变器设计逆变器的主电路是逆变电路，而逆变电路中运用到开关管，所以也需要驱动电路，同时需要由SPWM产生电路来生产SPWM波来控制驱动电路，而且由逆变器的输出波形常常会有谐波，因此需要设计一个滤波电路来抑制谐波畸变。逆变电路根据直流侧电源性质不同可以分为两种：直流侧是电压源的称为电压型逆变器；直流侧是电流源的称为电流型逆变器。我

8、们主要了解电压型逆变电路的基本构成，工作原理和特性。主要特点：1直流侧为电压源，或并联有大电容，相当于电压源。直流侧电压基本无波动，直流回路呈现低阻抗。2由于直流电压源的钳位作用，交流侧输出电压波形为矩形波，并且与负载阻抗角无关。而交流侧输出电流波形和相位因负载阻抗情况不同而不同。3当交流侧为阻感负载时需要提供无功功率，直流侧电容起缓冲无功能量的作用。为了给交流侧向直流侧反馈的无功能量提供通道，逆变桥各臂都并联了反馈二极管。单相逆变器从电路结构上常常分为三种：推挽电路，全桥电路和半桥电路。本次课设我们来设计单相全桥逆变电路。图1 单相全桥逆变电路图1，它共有4个桥臂，可以看成由两个半桥电路组成

9、。把桥臂1和4作为一对，桥臂2和3作为一对，成对的两个桥臂同时导通，两对交替导通180o。全桥电路相对于其它两种结构具有以下优点:全桥电路开关管在稳态时最大电压等于输入直流电压，暂态尖峰电压被钳位于输入电压，比推挽电路要小一半，便于开关管的选择，也能够输出较大的功率;钳位二极管能将漏感储能回馈给输入电容，可以提高效率。因此，本文将选用以单相全桥为逆变主电路拓扑，输出经LC滤波的形式，如图2所示。 图2 逆变电路和LC滤波SPWM波及其原理SPWM 用输出的正弦信号作为调制波, 用高频三角波作为载波, 控制逆变器的一个桥臂的上、下两个开关管导通与关断。如果在半个正弦周期内, 只有上( 下) 桥臂

10、的开关管反复通断, 下( 上) 桥臂开关管动作, 则称为单极式SPWM。如果在整个周期内, 上、下桥臂的开关管交替导通与关断, 即上通下断和上断下通的状态反复切换, 则称为双极式SPWM。下图3给出了双极式SPWM的原理示意图。当载波与调制波相交时, 由该交点确定逆变器一个桥臂开关器件的开关动作时刻及开关通断状态, 获得一系列宽度不等的正负矩形脉冲电压波形。该脉冲序列的特点是等幅不等宽, 其宽度按正弦规律变化;在正弦波半个周期内, 正负脉冲的面积总和与正弦波的面积相等。SPWM 调制的理论基础是面积等效原则, 图中横轴代表时间, 因此SPWM 的理论依据实际是时间平均等效原理 。当脉冲数足够多

11、时, 可以认为逆变器输出电压的基波幅值和调制波幅值是相等的, 即SPWM逆变器输出的脉冲波的基波幅值就是调制时要求的等效正弦波。图3 spwm波产生原理图Spwm波的产生常常需要一定的脉宽调制器件，我们这里只了解其工作流程图，如图4所示 图4 spwm波产生流程功率器件的选择逆变电源的功率元件的选择全关重要，目前使用较多的功率元件有巨型晶体管(GTR ) ,功率场效应管(MOSFET )、绝缘栅晶体管(IGBT)和可关断晶闸管(GTO)、静电感应晶体管( SIT)等。GTR饱和压降低，载流密度大，但驱动电流较大。在小容量低压系统中使用较多的器件为MOSFET，因为MOSFET驱动功率很小，开关

12、速度快，但导通压降大，载流密度小，具有较低的通态压降和较高的开关频率，MOSFET随着电压的升高其通态电阻也随之增大。IGBT综合了GTR和MOSFET的优点，驱动功率小而饱和压降低，在高压大容量系统中一般均采用IGBT模块，而IGBT在中容量系统中占有较大的优势，而在特大容量(100KVA以上)系统中，一般均采用GTO作为功率元件。SIT是一种多子导电的器件，其工作频率与电力MOSFET相当，甚至超过电力MOSFET，而功率容量也比电力MOSFET大，因而适用于高频大功率场合。IGBT是近年来发展最快的一种功率电子器件，已广泛应用于工业、家电等各个领域。鉴于IGBT驱动功率小、开关速度快、导

13、通压降小的特点，对提高效率能起到非常重要的作用，本课题研究选用IGBT作为功率开关元件。3常用控制策略31 PID控制PID控制是目前工业控制领域运用最广泛的一种经典控制算法，其主要思想是对系统误差进行比例、积分和微分运算，进而求出相应控制量施与特定控制对象。如图5所示：图5 PID控制图对于连续系统，误差e(t)与e(t)经比例、积分和微分控制后的输出u(t)之间的关系可由下式表示:U(t)=KCe(t)+1Ti0te(t)dt+Tdde(t)dt (1)3.2重复控制重复控制理论是由自动控制理论中的内模原理发展而来。内模原理是指:一个控制系统，若控制器的反馈来自被控信号，且反馈回路中包含被

14、控信号的动态模型，这个系统就可以无静差地跟踪系统的参考信号。逆变器可被看做一个正弦参考信号的随动系统，即逆变器的输出电压一直跟踪给定的参考正弦信号。因此，为了无静差跟踪逆变器的参考正弦波信号，就需要在控制器内部反馈回路中嵌入一个和参考信号相同频率的正弦波信号的数学模型。然而，非线性负载和死区效应因素都会使得输出波形中包含许多高次谐波。因此，在多种扰动因素的影响下，分别针对每一次谐波设置相应频率的内模就复杂且难于实现。但是，虽然在非线性负载和死区效应等因素作用下扰动信号频率有多种，但其皆有着共同的特征:即在每一个基波周期内这些干扰信号都会按照相同的波形不断重复出现。所以，采用相应的重复内模就能无

15、静差地跟踪参考指令同时消除各种扰动带来的波形畸变。基本思想是假定前一基波周期中出现的畸变将在下一基波周期的同一时间重复出现，控制器根据每个开关周期给定信号与反馈信号的误差来确定所需的矫正信号。然后在下一基波周期的同一时间，将此信号叠加在原控信号上，以消除以后各周期中将出现的重复性畸变，为提高对指令的快速度响应，可以加入前馈控制。重复控制算法简单，只需对输出电压进行采样，就能使逆变器在周期性扰动下获得低THD（总谐波畸变）的稳态输出波形，但由于在重复控制器内存在着基波周期延迟环节，输出是逐周期进行调节的。在负载跳跃变化的第一个基波周期内，重复控制不产生任何调节作用，几乎处于开环状态，动态响应较差

16、。此外，若扰动是非周期性的重复控制将增大输出电压的误差。根据上述分析，重复控制能无静差地跟踪周期参考信号，提高控制系统抑制周期性扰动的能力，减小稳态误差。但是由于重复内模本身存在的滞后性，使得控制信号后一个基波周期输出,，这样就会影响控制系统的动态性能。所以一般情况下，会将重复控制与动态响应较快的控制算法结合起来，在减小系统稳态误差的同时提高动态性能。重复控制框图如图6所示图6重复控制器框图3.3复合重复控制复合重复控制在本次课设中将PID控制和重复控制两种控制策略复合起来使用，通过调节参数来综合两种控制策略的优点，并最大化的规避两种控制策略的缺点，取长补短，追求更好的动态性能和静态性能。如图

17、7所示图7 基于PID控制和重复控制的复合重复控制框图4 MATLAB介绍与GUI人机交互MATLAB的名称源自MATRIXLABORATORY，它是一种科学计算软件，专门以矩阵的形式处理数据。MATLAB将高性能的数值计算和可视化集成在一起，并提供了大量的内置函数，从而被广泛地应用于科学计算、控制系统、信息处理等领域的分析、仿真和设计工作，而且利用MATLAB产品的开放式结构，可以非常容易地对MATLAB的功能进行扩充，从而在不断深化对问题认识的同时，不断完善MATLAB产品以提高产品自身的竞争能力。MATLAB主要包括MATLAB和SIMULINK两大部分。MATLAB的优势主要有四个方面

18、：1高效的数值计算及符号计算功能，能使用户从繁杂的数学运算分析中解脱出来；2具有完备的图形处理功能，实现计算结果和编程的可视化；3友好的用户界面及接近数学表达式的自然化语言，使学者易于学习和掌握；4功能丰富的应用工具箱(如信号处理工具箱、通信工具箱等) ，为用户提供了大量方便实用的处理工具。 对于图像处理来说，MATLAB有着巨大的优势，MATLAB制作GUI界面是十分简单的。什么是GUI呢 ? GUI是GRAPHICAL USER INTERFACE 图形用户界面的意思。象很多高级编程语言一样。MATLAB也有图形用户界面开发环境。随着计算机技术的飞速发展。人与计算机的通信方式也发生的很大的

19、变化。从原来的命令行通讯方式（例如很早的DOS系统）变化到了现在的图形界面下的交互方式。而现在绝大多数的应用程序都是在图形化用户界面下运行的。大致操作是这样的：输入行输入guide，然后会弹出一个界面，create new gui下选择blank gui会创建一个空的gui，同时也要注意保存路径，弹出新界面的左边会有很多控件（如按钮键，在左边点击ok按钮，将其拖到右边界面，会出现一个按钮，双击该按钮，会出现属性界面，在该界面可以修改该按钮的各种属性。）5 实施计划（1）、查阅大量资料，弄清单相逆变器工作原理系统组成和关键技术掌握SPWM波生成原理。（2）、设计SPWM全桥逆变电路。（3）、了解

20、MATLAB并熟练运用SIMULINK来仿真。（4）、分析PID控制，重复控制，及复合重复控制的异同及优缺点。（5）、运用MATLAB进行仿真。（6）、焊接逆变电路。（5）、撰写毕业设计论文。大体的进度安排如下：第一阶段 2015.3.1前完成文献翻译、系统概要设计和开篇报告。第二阶段 2015.3.12015.4.1设计具体电路，掌握小型单相逆变器系统组成和关键技术。设计SPWM全桥逆变电路。运用matlab进行仿真。第三阶段 2015.4.12015.5.1根据设计电路进行电路板的烧制。第四阶段 2015.5.12015.5.25查漏补缺，以及完善前面各项工作。第五阶段 2015.5.25

21、答辩撰写论文及准备答辩。 6 参考文献1 Y Y Tzou, R S.Ou, and S.-L.Jung, et al. High-Performance Programmable AC Power Source with Low Harmonic Distortion Using DSP-Based Repetitive Control Technique. IEEE Trans.on Power Electronics, 1997, 12 (4): 715-7252 Liang Zhou, Xiong Jian, Kai Zhang. Improved Dual-loop Control Plus Repetitive Control for PWM invertersA. Industrial Electronics and Applications, 2006 1st IEEE ConferenceC. 2006: 1-53 Yeh S, Tzou Y. Adaptive Repetitive Control of A PWM Inverter For AC Voltage Regulation With Low Harmonic Distortion. PESC.