[发明专利]一种基于自抗扰控制的高铁牵引网低频振荡抑制方法有效

申请号：	201510560989.6	申请日：	2015-09-06
公开（公告）号：	CN105119307B	公开（公告）日：	2018-06-12
发明（设计）人：	刘志刚;姚书龙;张桂南;向川;廖一橙	申请（专利权）人：	西南交通大学
主分类号：	H02J3/24	分类号：	H02J3/24
代理公司：	成都信博专利代理有限责任公司 51200	代理人：	张澎
地址：	610031 四川省成都市***	国省代码：	四川;51
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摘要：	本发明公开了一种基于自抗扰控制的高铁牵引网低频振荡抑制方法，针对动车组变流器这种强耦合非线性系统，引入非线性自抗扰控制器，包括跟踪微分器(tracking differentiator,TD)、扩张状态观测器(extended State observer,ESO)和非线性反馈控制律(nonlinear states error feedback control laws,NLSEF)三部分，基于自抗扰控制器的瞬态直接电流控制策略的实现。该方法容易实现，根据整流器状态空间模型，通过编写自抗扰控制模块的功能函数；跟踪微分器：给定直流环节电压值u_dcr，当输入信号发生变化时，为使其输出能够在有限的时间内无超调的跟踪输入信号，安排过渡过程；扩张状态观测器：使中间直流电压输出u_dc和输入控制量u来实时跟踪估计变流器的状态和扰动；对扰动给予动态补偿，求取误差反馈控制量u₀。如此可以实现控制器较强的鲁棒性和良好的控制品质，提高控制系统稳定性，以较低的成本解决动车组‑牵引网电气量低频振荡的问题。
搜索关键词：	自抗扰控制低频振荡扩张状态观测器自抗扰控制器跟踪微分器牵引扰动变流器动车组高铁非线性反馈控制跟踪输入信号直流电压输出直流环节电压状态空间模型非线性系统输入控制量电流控制动态补偿功能函数过渡过程控制系统实时跟踪误差反馈信号发生控制器电气量控制量鲁棒性强耦合整流器超调瞬态输出引入
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【主权项】：

一种基于自抗扰控制的高铁牵引网低频振荡抑制方法，在CRH3型车变流器多车同时启动时抑制多车空载整备下牵引网网压低频振荡，由跟踪微分器TD、扩张状态观测器ESO和非线性误差反馈控制律NLSEF构成的非线性自抗扰控制器获得最终控制量u，将u输入到PWM整流器得到控制输出，包括以下步骤：a)给定直流环节电压u_dc的参考值u_dcr；测得被控输出量的直流环节电压u_dc；b)输入被控制量的直流环节电压的给定参考值u_dcr到TD，输出直流环节给定电压参考值的跟踪值u_dc1；c)将u_dc和最终控制量u的初始设定值u’乘以动态补偿因子b分别输入到扩张状态观测器ESO，输出u_dc的跟踪信号z₁和扰动的估计值z₂；d)用u_dc1和u_dc的跟踪信号z₁作差，得到e₀，并将其输入到NLSFE，该环节将输入量进行非线性组合，为误差反馈环节，输出u₀；e)扰动的估计值z₂除以动态补偿因子b，再作为减数与u₀作差，得到最终控制量u，将u输入到PWM整流器得到控制输出u_dc；其实现过程如下：电压外环采用一阶自抗扰控制器，让直流环节电压u_dc快速、稳定的跟踪参考值u_dcr；电流内环为了保证动态特性选取P控制器，使实际网侧电流i_s较好跟踪给定网侧电流i^*_s，其最终输出是调制信号的指令值u*_ab；结合脉冲整流器状态空间模型，考虑脉冲整流器的理想状态，忽略损耗及储能，根据能量守恒，考虑支撑电容C_d，则有：

<mrow><mfrac><mrow><msub><mi>dU</mi><mi>d</mi></msub></mrow><mrow><mi>d</mi><mi>t</mi></mrow></mfrac><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>U</mi><mi>N</mi></msub><mo>.</mo><msub><mi>I</mi><mi>N</mi></msub></mrow><mrow><msub><mi>U</mi><mi>d</mi></msub><msub><mi>C</mi><mi>d</mi></msub></mrow></mfrac><mo>-</mo><mfrac><msub><mi>I</mi><mi>d</mi></msub><msub><mi>C</mi><mi>d</mi></msub></mfrac></mrow>

式中，U_d和I_d为直流侧电压和直流侧电流，直流电压外环控制器中采用最优控制函数f_al实现对被控对象的跟踪控制；得：

<mrow><msub><mi>I</mi><mi>N</mi></msub><mo>=</mo><mi>k</mi><mo>·</mo><mi>f</mi><mi>a</mi><mi>l</mi><mrow><mo>(</mo><msub><mi>u</mi><mrow><mi>d</mi><mi>c</mi><mi>r</mi></mrow></msub><mo>-</mo><msub><mi>u</mi><mrow><mi>d</mi><mi>c</mi></mrow></msub><mo>,</mo><mi>a</mi><mo>,</mo><mi>d</mi><mo>)</mo></mrow><mo>-</mo><mi>f</mi><mrow><mo>(</mo><mi>t</mi><mo>)</mo></mrow><mo>/</mo><msub><mi>b</mi><mn>1</mn></msub><mo>=</mo><mi>k</mi><mo>·</mo><mi>f</mi><mi>a</mi><mi>l</mi><mrow><mo>(</mo><msub><mi>u</mi><mrow><mi>d</mi><mi>c</mi><mi>r</mi></mrow></msub><mo>-</mo><msub><mi>u</mi><mrow><mi>d</mi><mi>c</mi></mrow></msub><mo>,</mo><mi>a</mi><mo>,</mo><mi>d</mi><mo>)</mo></mrow><mo>+</mo><msqrt><mn>2</mn></msqrt><msub><mi>I</mi><mi>d</mi></msub><msub><mi>U</mi><mi>d</mi></msub><mo>/</mo><msub><mi>U</mi><mi>N</mi></msub><mo>;</mo></mrow>

具体控制算法如下：

<mfenced open = "{" close = ""><mtable><mtr><mtd><mi>Δ</mi><msub><mi>I</mi><mi>N</mi></msub><mo>=</mo><mi>k</mi><mo>·</mo><msub><mi>f</mi><mrow><mi>a</mi><mi>l</mi></mrow></msub><mo>(</mo><msub><mi>u</mi><mrow><mi>d</mi><mi>c</mi><mi>r</mi></mrow></msub><mo>-</mo><msub><mi>u</mi><mrow><mi>d</mi><mi>c</mi></mrow></msub><mo>,</mo><mi>a</mi><mo>,</mo><mi>d</mi><mo>)</mo></mtd></mtr><mtr><mtd><msub><mi>I</mi><mrow><mi>N</mi><mn>1</mn></mrow></msub><mo>=</mo><msqrt><mn>2</mn></msqrt><msub><mi>I</mi><mi>d</mi></msub><msub><mi>U</mi><mi>d</mi></msub><mo>/</mo><msub><mi>U</mi><mi>N</mi></msub></mtd></mtr><mtr><mtd><mrow><msub><mi>I</mi><mi>N</mi></msub><mo>=</mo><msub><mi>ΔI</mi><mi>N</mi></msub><mo>+</mo><msub><mi>I</mi><mrow><mi>N</mi><mn>1</mn></mrow></msub></mrow></mtd></mtr><mtr><mtd><mrow><msub><mi>u</mi><mi>L</mi></msub><mo>=</mo><msub><mi>ωL</mi><mi>N</mi></msub><msubsup><mi>I</mi><mi>N</mi><mo>*</mo></msubsup><mi>c</mi><mi>o</mi><mi>s</mi><mi>ω</mi><mi>t</mi></mrow></mtd></mtr><mtr><mtd><msub><mi>u</mi><mrow><mi>a</mi><mi>b</mi></mrow></msub><mo>(</mo><mi>t</mi><mo>)</mo><mo>=</mo><msub><mi>u</mi><mi>N</mi></msub><mo>(</mo><mi>t</mi><mo>)</mo><mo>-</mo><mi>ω</mi><msub><mi>L</mi><mi>N</mi></msub><msubsup><mi>I</mi><mi>N</mi><mo>*</mo></msubsup><mi>cos</mi><mi>ω</mi><mi>t</mi><mo>-</mo></mtd></mtr><mtr><mtd><msup><mi>G</mi><mo>′</mo></msup><mo>[</mo><msubsup><mi>I</mi><mi>N</mi><mo>*</mo></msubsup><mi>sin</mi><mi>ω</mi><mi>t</mi><mo>-</mo><msub><mi>i</mi><mi></div>
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                                <li><a href="/patent/201711187196.X/">异步电机自抗扰控制器的设计方法</a></li>
                                <li><a href="/patent/201711250772.0/">基于光电平台精确模型的自抗扰控制器设计系统</a></li>
                                <li><a href="/patent/201810079825.5/">一种带有抗积分补偿的自抗扰控制器的设计方法</a></li>
                                <li><a href="/patent/201811054599.1/">三相电压型PWM整流器的线性自抗扰控制器的设计方法</a></li>
                                <li><a href="/patent/201911345699.4/">一种应用于化工生产的改进型自抗扰技术温度控制系统</a></li>
                        </ul>
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[发明专利]一种基于自抗扰控制的高铁牵引网低频振荡抑制方法有效

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