单环控制技术数字化（共6篇）
单环控制技术数字化 篇1
基于LCL滤波器的并网逆变器作为接口连接设备,其作用是进行入网前的电流波形与电流质量控制,已经成为当前电网系统研究的一大关键热点。LCL滤波逆变器又添加了上谐波滤波控制功能,切实提升了并网逆变器的电流控制的数字化水平。LCL滤波逆变器在有效的设计优化下对电流控制中的开关频率控制进行了升级,实现了电流的双环与单环联用数字化控制,但是该项改进忽视了电流控制中的脉宽调制系统与数字控制系统中的离散趋势,在应用中增加了电流控制的控制难度。
1 并网逆变器的LCL滤波器设计与运作原理
并网逆变器的LCL滤波器是逆变器进行电流质量控制的关键设备,该项设备的设计应用对于并网电流的数字化控制具有重要的意义。
1.1 单环电流控制方案设计
LCL滤波并网逆变器中单相电流控制主要是借助LCL滤波器,滤波器设备运作线路图(下图)是整个数字化控制运作的核心。图中1为并网侧电流、L为并网逆变器侧电感、U为直流侧电压、C为滤波电容,具体布局见下图:
并网逆变器的单相电流控制设计方案是基于并网前电流与滤波器并网逆变器中的侧电流两者之间的闭环控制来实现的。该闭路设计中电感1处的电流控制主要是对进网前电流进行间接控制,但是部分学者在技术研究中发现LCL滤波逆变器在输出电压与电流时会产生一定的幅频,该幅频在并网电流控制运作中会体现出一定特性,尤其在电压输出至电流幅频发生变化时会产生一定的谐振频率,造成谐振峰,会增加并网运行的不稳定因素,威胁电网安全。
单环电流控制中有系统延时、电流调节器的设计优化,形成的单环控制框图(图二)。单环电流控制框图中Td表示等效系统延时、Gi L(S)表示电流调节器.在电流单相运作中系统等效延时一般仅是形成系统的相位延迟,不会影响到整个系统的幅值相应敏感度,且会维持稳定的谐振频率,提高系统中逆变器的开关控制频率。在单环电流数字控制中,如将延时忽略不计,入网电流会在单环控制下相位会发生转移;如将延时考虑在内入网电流相位穿越度会小于谐振频率。不能忽视的是经过必要的等效延时能够增加电网电流控制的相位谐振,进而实现对系统数频的稳定控制。在单相闭路系统中,电路调节器对谐振峰增幅增益度有控制调节功用,电路调节器为了维持电网稳定一般会将谐振峰增益度控制在0d B以下。由此可见,单环电流数字控制系统中电路调节器的设计优化具有关键意义。
此外,单环电流控制设计中还着重进行了滤波器参数与开关频率的优化设计,以全面提升滤波器参数设计科学化水平,在某种程度上实现了控制器与滤波控制双重保障构建,对于提升入网电流质量具有重大的战略意义。需要注意的是,单环电流控制器的参数设计要最大程度的细化,以有效降低电网系统中电波干扰与电网感抗因素的存在,推进系统中谐振频率的有效变化,提高单环电流控制中鲁棒性能。
1.2 基于降阶模型的单环电流控制
单环电流控制系统中的电流控制方案中还包括进行额外的滤波并网逆变器反馈以将整体控制系统转化成单感电流控制系统,该转化能够实现并网逆变器的简洁化运作,还能改进单环控制系统的运作。
单环电流控制系统在转化中主要基于加权组合电流控制(模型见下表),单环控制中的加权组合控制中加权计算式子为L1/(L1+L2),电感变化会影响电流每阶的变化。这种降阶模式中的电流控制能够有效避开进网电流中谐振峰对系统中闭路运作装置的冲击,且通过间接的电流控制还能简化数字化运作装置,但是间接化控制技术会造成谐振峰控制不彻底,进而影响电网系统的稳定性运作。笔者基于应用经验认为该数字化控制技术还可以进一步优化滤波器参数设置,以全面提升系统的控制性能。
2 单环电流控制技术中的精确跟踪
一般电网并网运行中会存在一定的基波误差与低频谐波电流存在,这主要源于电网中电压影响,会影响到电网系统的稳定性,因此单环数字化控制系统中着重进行了精确跟踪设计,以提升系统的稳定性。
单环数字控制技术中将精确跟踪与电网畸形反馈相结合,实现了电网中低频谐波电流的控制。该项技术还进行了特定频率下的高开环增益谐振比例控制,以降低全系统中感抗因素的干扰影响,并全面推进了精确跟踪控制运行。单环电流控制中还进行了控制数字化简洁设计,以简单的电流控制结构进行电流控制与精确跟踪,进一步实现控制系统的无差拍控制。
3 单环数字化控制的电网适应性设计
LCL滤波逆变器数字控制技术还进行了电网适应性设计,着重进行了电网中阻抗影响的适应性优化设计。应用研究中发现,较大的电网侧感抗因素会直接增加电网中的谐波电流,进而影响到电网中的电流质量,因而,在单环数字控制技术中着重优化了侧电感的感应处理,实现了控制系统在感抗因素增大的情况下降低电网谐振频,并同步减小系统控制带宽度,以全面提升了电网适应性能。
单环数字环控制系统适应性设计中着重进行了闭路系统中的鲁棒性设计,以提高闭路系统随着侧电感抗变化的性能,增加了电流控制中的灵活性因素。单环数字化控制系统中就电网适应性优化设计中还将一些先进的信息控制技术应用于电流的闭路数字化控制中,该数字化控制系统应用价值最大的便是其中的数字反馈技术,对于整个技术的参数优化具有重要的指导作用。
4 结语
本文着重分析介绍了LCL滤波并网逆变器中的单环数字控制技术,并介绍接该项技术的优化设计,就其中不足的环节进行了改进探讨。笔者认为滤波并网逆变器在电流控制的基础上进行了滤波优化控制,具有一定的应用优势,但是在某种程度上增加了电网系统的不稳定因素,不利于电网安全运行,而其中的数字化电流控制设计就其中的相关参数进行了必要的优化改进,并将数字化信息反馈技术引入应用,对于电网电流控制具有明显的实用价值。
参考文献
[1]殷进军.LCL滤波并网逆变器的数字单环控制技术研究[D].华中科技大学,2012(19).
[2]许津铭.LCL滤波并网逆变器的零点配置策略[J].电源学报,2013(01).
单环控制技术数字化 篇2
【摘要】我们看电视的过程中，切换频道或播放节目过程中插播广告时，有时声音突然变大，影响用户收看，造成这种现象的原因是节目源音频信号不一致，输入声音信号突变，造成喇叭的输入功率产生突变，实际的声压随之突变。为给用户创造更好的收看电视环境，目前有各种自动音量控制技术，本文根据自身工作经验对几种自动音量控制技术进行探究。
【关键词】自动音量控制技术AVL;增益;功放
1理想音量控制技术基本原理
理想的AVL(或AVC)功能是：在某一音量值下，不管输入信号源如何变化，我们听觉感受到的是一个声音强度，而且声音的动态响应、饱和度没有任何影响，这样的话就要求在输入信号源较小时，AVL将信号无失真的放大一些，输入信号源较大时，AVL将信号无失真的压缩一些，整个过程要做到等比压缩。为了达到理想的AVL效果，业界提出了几种实现方案，例如：
1.1对某一声音信号进行自动音量控制
该声音信号中有多个取样点的声音数据，先根据各声音数据邻近的`多个声音数据统计得到一对应的平均音量数据。若该平均音量数据大于预先记录的音量极值数据，则更新该音量极值数据，反之则不更新音量极值数据，并记录音量极值数据是否被更新。若在对预设声音数据依序进行上述处理后，发现该音量极值数据均未被更新，则根据现行的平均音量数据更新该音量极值数据。由此该音量极值数据即可反应声音信号的局部音量极值，实现自动控制该声音信号播放时的音量大小。
1.2Dolby实验室的DolbyVolume技术
DolbyVolume(杜比智能音量技术)与普通的自动音量调整技术存在很大区别。它能够针对不同的信号源和节目内容，在不同声音电平下提供一致的高质量的听觉体验。它主要基于杜比实验室多年研究开发的新型心理声学引擎和人体声学感知模型，能够对整个声音频谱进行实时的多频段处理，并且能够在时域和频域内深入感知声音的电平和音质。DolbyVolume主要包含两大功能：
(1)VolumeLeveler
VolumeLeveler功能可以使你在不同的信号源和不同的节目内容之间切换时，提供一致的音量电平和听音体验。这与AVL在功能上有些类似，但杜比智能音量技术还能根据人耳在音量调整时敏感度的变化进行补偿。它能适当地平衡低频、中频和高频信号，在高或低音量回放时，都能保证完整保留原始混音中动态信息的聆听体验。因此，杜比智能音量技术根据人们感知声音的方式对音量进行测量、分析和保持，不管切换频道还是切换音源输入，它都会检查多种音频参数以保持回放音量的一致。通过频域和时域响度分析技术的高超结合，可以快速而适当地纠正音量大小的不同，同时不会在音频信号中混入人为的压缩噪音或者拍频声，而普通的AVL，只是对不同信号源进行单一电平调整，往往会引入压缩噪音和其他杂音。
(2)VolumeModeler
VolumeModeler功能主要是保证音频产品或系统在低音量条件下也能恢复在一般低音条件下会丢失的音质，声像细节和环绕声效果。这项技术能让听者控制节目的音量动态范围。例如在深夜将音量关小时，可以调节动态范围，使对白始终清晰，而音效能够在不吵醒家人的情况下保持其震撼力与音色。DolbyVolume对于模拟和数字输入信号都能进行调整。目前支持DolbyVolume的厂家有CirrusLogic,Freescale，Toshiba等等，至于其他AVL的技术方法，据目前了解大多数是对音量简单削波和提升，而没有分频段处理，会引入噪音。
2自动音量控制技术方案一
2.1控制原理
该方案采用的AVL功能的原理是在增益一定的情况下，将音频功放的输入限制在某一区域之内，使其不随外部节目源音频信号的无限增强而增大。该方案信号流程图如图1所示。如图2所示，横轴为输入信号，右竖轴为功放输出，打开AVL功能后，当输入信号超过某限定值后，输出不再改变(红线)，即AVL是限制输入功放的音频信号强度。
2.2调测结果及波形
(1)输入0.5Vrms、1KHz正弦波音量50，当输入0.5Vrms、1KHz正弦波、音量50时，AVL功能打开或关闭功放输出无变化。
(2)输入0.6Vrms、1KHz正弦波音量50，当输入0.6Vrms、1KHz正弦波、音量50时，AVL功能打开时输出相比关闭时进行了压制，输出限制在6.75Vrms。
(3)输入0.8Vrms、1KHz正弦波音量50，当输入0.8Vrms、1KHz正弦波、音量50时，AVL功能打开时输出相比关闭时进行了压制，输出仍限制在6.75Vrms。①当输入信号小于0.6Vrms时，AVL功能无论打开与否，功放输出信号无变化。②当输入信号大于等于0.6Vrms时，AVL功能关闭时，功放输出随输入信号增大而增大，并出现失真;AVL功能打开时，功放输出一直限制在6.75Vrms，不随输入信号增大而增大。因此，AVL功能限制功放输入信号是一个渐变过程。当音频输入信号从低到高(0.1V——>1V)瞬间变化时，AVL功能开启时音频输出信号的改变有一个渐变过程，声音会从强转为平衡，时间约35mS;AVL功能关闭时，音频输出信号立即从低转高，没有任何缓冲。此方案通过限幅输入信号来完成对音量的自动控制，此种做法在一定程度上牺牲了声音的动态响应范围。
3自动音量控制技术方案二
3.1控制原理
方案二首先对音频输入信号进行采样分析，当一个突变信号来临时，通过采样分析即可得知同前一信号的差异。通过分析差异，在不改变输入信号的情况下，在增益上进行控制(提升或降低)，以达到同前一输出在同一强度级别。由于我们对输入信号没有进行任何操作，因此对音频的动态响应范围等参数不会产生很大影响，此时满足：功放输出=输入信号+增益
3.2调测结果及波形
(1)输入0.5Vrms、1KHz正弦波音量50当输入0.5Vrms、1KHz正弦波、音量50时，由于输入信号还没有超过功放的阈值，所以AVL功能无论打开与否，功放输出无变化。
(2)输入0.8Vrms、1KHz正弦波音量50，当输入0.8Vrms、1KHz正弦波、音量50时，由于输入已经超过了功放的阈值，AVL功能关闭，输出失真;AVL功能打开时，首先会对输入信号进行采样，当发现音频输入信号幅度超过输入阈值时，程序会自动把功放的输入增益降低，从而使功放的净输入信号小于阈值，从而输出稳定而不失真的信号。实现自动音量控制，除上述两种方案外，还有很多其它方案。总之，AVL功能的主要目的是限制声音输出强度在一定的范围内，不随输入信号的增强而持续增强。在电视中，采用AVL功能的主要优点是：避免夜间看电视时，切换频道或插播广告时，输入信号突变，引起的听觉不适;缺点是降低了声音的动态频响范围，让声音听起来较无味。当然，夜间看电视时，将音量开到较小的值，不用AVL功能，也可降低音频输入信号突变带来的影响，同样不影响声音的动态范围，但此时要求环境安静，否则就会有听不清楚的困扰。数字电视自动音量控制技术，使我们的听觉系统更舒适。
参考文献
单环控制技术数字化 篇3
【关键词】航测；数字地形；制图；质量控制
数字地形图是地形图提交形式的一种。数字化生产的应用为数字地形图的生产提供了先进的手段，对于地形图的生产模式、存储和保存均提供了方便。数字地形图的生产和检查大致分为：航空摄影、野外控制测量、野外像片控制测量、内业加密、内业立体采集；野外调绘、内业编辑、整理、建库、附件、整理资料、上交成果[1]。
1低空航测系统
无人机低空航测系统一般包括空中航摄系统、地面控制系统和数据处理系统。无人机航测系统工作流程为：根据任务要求用航线设计软件对测区进行航迹规划，在地面控制子系统中将规划好的航线载入到空中摄影子系统；无人机地面控制子系统按照规划的航线，借助自动驾驶仪控制无人机飞行和拍摄作业；空中摄影子系统将拍摄的数据进行存储，无人机平台利用无线传输通道与地面控制子系统交换数据，地面工作人员通过这些数据监测无人机的飞行航线，并对飞行航迹做必要调整；飞行任务结束后，地面控制飞机降落，下载影像，并快速进行影像质量检查，决定是否补飞；合格的影像转入内业，借助摄影测量工作站进行测绘产品[2]。
2航测数字地形制图的质量问题
目前地形图质量检查基本上沿袭了传统的作业方式。各级检查人员除了上仪器检查定向精度和综合取舍外，主要是对照纸图检查丢漏、工艺等，最后将检查结果标到纸图上。这种检查方式打印成本较高，而且一旦喷墨绘图仪出现问题检查验收就无法进行。对数字图中的高程注记点的点数统计，无论作业员还是各级检查人员都要对着纸图反复数上好几遍，而且总难免疏漏。在高曲矛盾检查和等高线属性检查中，大量的等高线要靠人工去检查。这些检查方法效率低、劳动强度大。由于我国数字地形图的生产起步较晚，部分生产软件还在发展完善过程中。由软件本身不完善造成数据上的一些较为隐蔽性的问题往往更加难于发现。如我们在1∶5萬地形图的作业过程中发现ANAGRAF解析测图仪采集的等高线高程经常有±1m的跳值现象。这种问题是由采集软件造成的，在现有的生产软件中很难被发现[3]。这就要求我们在完善各类生产软件的同时，增强检查软件功能，从而提高作业效率、保证作业精度。目前在质量检查方面研究院所和各测绘大队都开展了一定的研究并取得了一定的成果，如用于制图的对数据拓扑关系检查的软件。航测对矢量数据的检查也有一定的进展，廖昌军等人对等高线属性检查提出了较好的算法。由于航测工序多，用于生产的软件系统较多，数据格式较多且航测生产过程中的数据拓扑关系尚未建立，因此难于用制图的方式去检查。当前航测方面还没有全面的行之有效的用于质量检查的软件系统。检查自动化程度不高，对问题信息的反馈依赖于纸图。检查手段与依托网络进行数字化生产的要求不相适应。
3无人机航测数字地形制图的关键技术
3.1像控点布设
像控点的目标影像应清晰，易于判刺和立体测量；布设的控制点宜能公用，一般布设在航向及旁向六片或五片重叠范围内；控制点距橡片边缘不应小于lcm或1.Scm综合成图法的控制点距航向边缘不应小于上述规定的1/2；高程控制点点位目标应选在高程起伏较小的地方，以线状地物的交点和平山头为宜；狭沟、尖锐山顶和起伏较大的斜坡等，均不宜选作点位目标；当目标条件和像片条件矛盾时应着重考虑点位目标[4]。
3.2航空摄影
3.2.1航线设计
航线网布点应按航线每分段布设六个平高点；航线首末端上下两控制点应布设在通过像主点且垂直于方向线的直线上，困难时互相偏离不大于半条基线；上下对点应布在同一立体相对内；航线中间两控制点应布设在首末控制点中线上，困难时可向两侧偏离一条基线左右，其中一个宜在中线上；应尽量避免两控制点同时向中线同侧偏离，出现同侧偏离时，最大不应该超过一条基线。按照摄区范围、划定的分区和提供的分区平均基准面高程进行航线设计。尽量保证统一航摄区域高差不大于设计航高的1/6；保证测区之间有重叠度，航向重叠60%-70%、旁向重叠30%-40%。
3.2.2航摄
在规定的航摄期限内，选择地表植被及其它覆盖物对成图影响较小、云雾少、无扬尘（沙）、大气透明度好的季节进行摄影，并根据地形条件的不同，严格按规范规定的太阳高度角要求选择摄影时间。
3.3空三加密
解析空中三角测量，为纠正和测图提供了定向点和注记点，以及作业时所需要的仪器安置元素数据，空三加密前需取得以下各种资料：航摄质量鉴定书，涤纶片，图历表，野外控制、调绘图片，布点略图，各种观测计算手簿，前一工序的技术设计书等。
它包括精密立体测图仪测图和解析测图仪联机测图。精密立体测图仪适用于各种比例尺及各种地形类别的测图，解析测图仪适用于各种摄像资料的测图。该文主要介绍精密立体测图仪测图。
3.4测绘地物地貌
经过像片准备工作和定向后可以进行地物地貌测绘。立体测图可采用全野外凋绘后测图和内判测图后外业对照、补测和补调的方法。在使用内判测图后外业对照、补测和补调的方法时应注意：①航摄像片的现势性要好；②必要时需要编制测区室内判读样片③对有把握判准的地物地貌元素，按图饰要求直接测绘在图板上，对无把握判准的地物地貌元素，内业只测绘外轮廓作为疑点留给外业处理。④外业进行检查、核对、补测和补调工作。对内业测绘有把握的部分应作抽查，对内业标明的疑点应作核对、补测，对内业无法判绘的地形元素应进行补调。
测绘地物地貌时，应在仪器上与已描图边进行接边；像对间的地物接边差不大于地物点平面位置中误差的两倍，等高线接边差应不大于1个基本等高距；每像对测完后应经检查才能从仪器上取下，每幅图测完后应认真进行自校和资料整理。
4结论
数字地形图的生产和检查验收尽管目前已经形成规模生产，实践中仍然存在着问题。为节约成本，对于野外作业质量的控制，有待于提高对过程生产的监控。在工作中要树立以预防为主的原则，树立一次性完成任务的理念。
参考文献：
[1]史华林.无人机航测系统在公路带状地形测量中的应用[J].测绘通报，2014，06：60-62.
[2]邵金强，罗斐，张磊.无人机航测技术及其在土地整治项目中的应用探讨[J].科技视界，2014，01：405-406.
[3]王凤国，胡润强.无人机航测技术的应用实践及可行性分析[J].甘肃科技，2014，06：34-36.
单环控制技术数字化 篇4
关键词：并网逆变器,数字控制,数字延时,网侧电流单环
0 引言
并网逆变器作为分布式发电系统与电网的重要接口[1],进行入网前电流波形和电流质量的控制,已经成为分布式发电系统的重要组成部分。与单电感滤波环节相比较,其LCL三阶滤波环节在相同的要求下,由于体积小、成本低、高频滤波效果好[2,3,4],已经逐渐取代单电感滤波环节的地位,成为现今研究的热点之一。然而,LCL滤波器本身会在谐振频率处产生谐振峰,为了消除谐振峰,维持电网运行的稳定性,国内外的专家和学者提出了无源阻尼方法[5,6,7]和有源阻尼方法[8,9,10,11]。无源阻尼方法增加额外的损耗,降低了效率;而有源阻尼方法算法较为复杂,且需增加多个信号采集传感器,成本较高,两者都有各自的缺点。
随着数字信号处理技术的日趋完善,由于数字控制相比较于模拟控制具有可靠性高、稳定性好、控制灵活等优点[12,13,14],逆变器数字控制研究也成为专家和学者关注的问题。文献[15]建立了并网逆变器离散状态空间模型,采用极点配置的方法使系统达到稳定,未考虑采样、计算等数字延时。文献[16]采用间接数字控制的方法,从频域的角度出发设计控制器,然后对其进行离散化。文献[17]建立了考虑采样、计算延时环节的逆变器离散数学模型,未具体分析数字延时对系统稳定性的影响。文献[18]在考虑数字延时影响的基础上,主要针对网侧电流单环控制下不同种类控制器的稳定边界进行讨论。文献[19]则主要讨论在逆变器侧电流单环控制下,数字延时的大小对系统稳定性的影响,并提出优化数字延迟大小的工程整定方法。
本文在考虑计算、采样等数字延时的情况下建立了并网逆变器离散精确数学模型,采用直接数字法对数字系统进行分析和设计,在并网逆变器电流单环直接和间接控制[20]中,相比较于逆变侧电流反馈控制的间接控制方法,需要功率因数补偿[21]。本文采用网侧电流反馈单环控制,通过在连续域和离散域对比分析数字延时对其稳定性的影响,利用数字延时可以改变相角特性而不改变幅值增益。在采用网侧电流反馈控制中设定延迟时间为滞后一拍,通过固定谐振频率调整采样频率,主要分析使系统稳定的采样频率和谐振频率之比的范围,同时设计了控制器参数值范围。本文采用的网侧电流滞后一拍单环反馈数字控制的方法无需多余的传感器和阻尼电阻,既减小系统的额外损耗,也降低了成本,仿真和实验验证了本文所提方法的可行性。
1 并网逆变器离散精确数学模型建立
单相并网逆变器的拓扑结构图如图1所示。图中,T1至T4为功率开关管,L1,L2,C为并网逆变器三阶LCL滤波器电感和电容参数,R1和R2分别为电感支路L1和L2等效的串联电阻和等效线路电阻之和,i1为逆变侧输出电流,i2为逆变器并网电流,ic为电容支路电流,u1为逆变桥输出电压,vc为电容支路的电压,us为电网电压。
以电网电流i2、电容电压vc及电容电流ic为状态变量,逆变器输出电压u1为输入变量,电网电压为扰动变量,得到LCL滤波器状态空间方程为:
其中,
数字控制中虽然可以采取模拟化的方法,即在连续域下,根据系统的性能指标要求先对控制器进行设计,然后对控制器进行离散化。但这是一种近似的处理,数字控制延时和采样保持很难考虑进去,而且不能实现数字控制特有的控制策略,如无差拍控制等。因此,本文采用更好的“直接数字法”进行数学建模。首先,对考虑采样保持环节和广义控制的对象进行离散化,然后再对离散控制对象进行设计,直接数字法使控制模型更加准确,在保持稳定的同时得到更大的控制带宽。
以电网电流单环控制为例,并网逆变器数字单环离散控制模型框图如图2所示,图中,KPWM为逆变桥放大系数,i2*为逆变器并网电流给定值,k为延迟拍数,T为采样周期,逆变器输出指令给定m、零阶保持器输出、延时环节Td,以及控制器Gc(z)都是离散域的,而电路部分是连续的,采用数字直接控制需对连续的控制对象进行离散化。
将式(1)中的输入量改为u=[m,us]T,输入矩阵改为B= [b1,b2],b1= [0,0,KPWM/L1]T,b2=[-1/L2,0,1/L2]T,并且忽略寄生电阻R1和R2,指令信号m与逆变器输出电压u1之间存在零阶保持器,在零阶保持器的情况下,对逆变器连续状态空间方程进行离散化,离散状态空间表达式为:
式中:。
经计算得到各系数矩阵如下。
式中:L=L1+L2,为滤波器前后电感之和;,为LCL型滤波器谐振频率。
输入量us作为系统的扰动量可以通过电网电压前馈进行消除,因此本文不予考虑。通过对离散状态表达式变换可以得到电网电流对逆变器输出指令m的离散传递函数如式(5)所示。
2 网侧电流单环控制在连续域和离散域稳定性分析
2.1 并网逆变器网侧电流单环控制连续域稳定性分析
在连续域进行分析时,无需考虑数字控制延时,将逆变桥等效成比例环节,寄生电阻R1和R2忽略不计,电网电压作为扰动量输入,并网逆变器连续系统网侧电流单环控制框图如附录A图A1(a)所示,根据式(1)状态空间方程,得到连续系统控制策略的开环传递函数如式(8)所示。
Gc(s)以比例控制为例,根据系统的开环传递函数绘制出系统的根轨迹如附录A图A1(b)所示。由系统的根轨迹图可知,基于网侧电流的单环反馈控制根轨迹曲线向频域平面右半部分移动,所以系统是不稳定的。
2.2 数字延时对网侧电流单环控制离散域稳定性影响分析
在离散域进行分析时,由于数字控制系统的特点,数字控制中采样、计算等环节都会产生延时,根据第1节中LCL型并网逆变器离散化后的模型,在考虑了数字控制中采样、计算的延时基础上,建立了离散域基于网侧电流的数字单环反馈控制系统,其控制框图如图3(a)所示。由控制框图可得到基于网侧电流的数字单环反馈控制策略的开环传递函数如式(9)所示。
控制器Gc(z)仍然以比例控制为例,根据网侧电流数字单环反馈控制的开环传递函数绘制系统的波特图,当数字控制系统在分别考虑不同的延时大小的情况下系统的伯德图如图3(b)所示。可以看出,当系统不考虑延时作用时,由于LCL型滤波器本身会产生谐振峰,系统在谐振频率处会产生180°的相角突变,如蓝色曲线所示,且幅值增益无穷大,存在一个正反馈效应,致使系统不稳定。而从幅频特性曲线可见,在谐振频率之前有幅频特性曲线处于0dB以下的部分,即奈奎斯特曲线在相角突变前位于单位圆内,因此如果将相角交界频率提前到幅值小于0dB的频率段,则系统可以获得正的幅值裕度。从紫色和绿色曲线可以看出,当网侧电流反馈数字控制系统在考虑0.5和1拍的情况下,延时环节不会对系统的幅值增益带来任何影响,但可以增加系统的相移,减小系统180°穿越点的频率,使其180°交界点频率在幅值小于0dB的范围,即奈奎斯特曲线在负实轴上的交点位于(-1,j0)点的右边,能够使系统稳定。
3 基于网侧电流滞后一拍单环反馈控制分析与设计
通过上节的分析可知,在考虑延时作用时,由于延时环节只改变系统相位特性的特点,能够使并网逆变器在网侧电流数字单环反馈控制下稳定运行。因此,本文考虑采样、计算延时滞后一拍控制进行分析与设计,即式(9)中z-k的k取1,通过式(9)的网侧电流单环控制的开环传递函数绘制系统在延时滞后一拍情况下的根轨迹图。
图4所示为几组典型ωrT情况下系统的根轨迹图。
由图4可以看出,系统在网侧电流单环滞后一拍控制下存在系统根轨迹位于单位圆内,能够使系统稳定,同时结合系统的开环传递函数可知,在延时滞后一拍的情况下根轨迹图还与系统采样频率和谐振频率的比密切相关。当两种频率的比较小时,根轨迹曲线位于单位圆外,此时系统网侧电流单环滞后一拍控制是不稳定的;当两种频率的比较大时,系统的根轨迹位于单位圆内,此时系统是稳定的。
在式(9)中,令LCL滤波器的参数为L1=1mH,L2=4.5mH,C=5μF,控制器Gc(z)取比例控制,延时环节为一拍滞后,由式(9)可以绘制出基于网侧电流单环反馈数字控制系统在ωrT∈(0,π)时闭环零、极点图的分布图。图5为系统在不同的ωrT下的闭环零极点分布图,通过零、极点的分布及其趋势可以判定系统稳定与否。显然,在ωrT取值较小时,无论比例控制的参数如何调节,系统的闭环极点处于单位圆外,系统不能稳定;而在 ωrT取值较大时,闭环极点位于单位圆内,系统可以稳定。由此可以得出系统在考虑延时滞后一拍的情况下,使系统稳定的采样频率和谐振频率比的要求为ωrT∈(π/3,π)。
在系统采样频率和谐振频率比的范围为(π/3,π)的情况下,系统的稳定条件取决于比例系数kp的取值,从系统的频率响应特性出发,由欧拉公式令z=ejωT=cosωT+jsinωT代入式(9)系统的开环传递函数,其中ω 为系统角频率,得到系统频率响应的表达式为:
由奈奎斯特稳定判据可知,当系统在开环传递函数不存在单位圆外的极点时,系统稳定的充要条件为奈式曲线不包围(-1,j0)点[22]。从式(9)可知系统开环传递函数不存在单位圆外的极点,而由式(10)虚部可知,系统在ωrT分别为π/3,π时,系统的奈奎斯特曲线与负实轴相交,根据奈奎斯特判据可知,奈奎斯特曲线不能够包围(-1,j0)点,即奈奎斯特曲线的交点位于(-1,j0)的右边,由此可以得到系统比例控制器参数kp的取值范围如式(11)所示,同时为了保证系统控制的环宽较宽,在系统稳定的条件下应尽量取kp值较大使其动态性能更好。
4 仿真和实验结果
4.1 仿真验证
为了验证以上理论分析的正确性,对其采取的控制策略进行仿真研究,利用MATLAB搭建基于网侧电流的反馈单环控制的仿真模型,仿真实验参数如下:L1=1 mH,L2=4.5 mH,C=5μF,R1=0.05Ω,R2=0.05Ω,Vdc=400V。
首先,使其仿真模型在连续的状态下运行,附录A图A2(a)为连续系统下基于网侧电流的单环反馈控制仿真波形图。可以看出,电流波形呈现高频振荡的状态,此时系统处于不稳定的状态。然后,在考虑采样、计算延时一拍情况下,对系统进行离散化仿真验证,附录A图A2(b)(c)为基于网侧电流的滞后一拍单环控制在采样频率和谐振频率之比ωrT分别为0.3π和0.5π下的并网逆变器仿真波形图。可以看出,系统在ωrT=0.3π和0.5π情况下网侧电流波形逐渐稳定,畸变率逐渐变小,证明系统在此控制策略下可以稳定,与理论分析基本一致。
4.2 实验验证
本文搭建了一台单相并网逆变器,采用TI公司的数字信号处理器(DSP) 控制芯片TMS320F2812完成检测和控制功能,主功率器件采用4个型号为FGA15N120AN的绝缘栅双极型晶体管(IGBT)。并网逆变器的参数设置为L1=1mH,L2=4.5 mH,C=5μF,R1=0.05Ω,R2=0.05Ω,采用调压器经三相整流桥获得直流母线电压Vdc=400V,直流侧的电容采用日立HCGF5系列,电解电容耐压值为450V,电容值为2 200μF。采用交流接触器进行直接并网,实验样机系统照片见附录A图A3。实验结果采用电能质量分析仪FLUKE进行观测。比例控制参数根据式(11)中kp的取值范围分别取22 和12.5,设定并网逆变器谐振频率不变,通过改变系统的采样频率来调整谐振频率和采样频率之比。
图6(a)为采样频率为15kHz,ωrT=0.3π时网侧电流单环控制下的网侧电流波形图。图6(b)为采样频率为10kHz,ωrT=0.5π时电流单环控制下的网侧电流波形图。图6(c)为ωrT=0.5π时网侧电流波形的谐波畸变率。可以看出,实验结果与理论分析具有一致性,并网逆变器网侧电流数字单环控制在设置延时为滞后一拍的情况下,通过改变系统采样频率,调整系统谐振频率和采样频率比在ωrT∈(0.3π,0.5π)范围时,系统能够保持稳定,且电流波形畸变率较小。
5 结语
本文详细分析了数字延时对并网逆变器稳定性的影响,由于延时环节只改变系统的相位特性,不改变幅值特性,可使系统保持稳定,因此设定基于网侧电流控制的延时环节为滞后一拍,主要讨论并分析采样频率和谐振频率之比对电流滞后一拍控制的稳定范围,同时对控制器参数进行了设计。
虽然网侧电流控制滞后一拍在固定谐振频率时,采样频率的选择与控制对象的频率特性、功率大小、信号带宽、控制目标及电网相关,具有一定的局限性,但此方法无需额外的传感器和阻尼电阻,不增加系统的额外损耗,且方法简单成本低,同时能保持电流波形畸变率较小,在中小功率并网逆变器具有一定工程应用价值。
单环控制技术数字化 篇5
Hantzsch-Widman杂单环命名法及杂环命名与国际接轨问题
提出不受IUPAC杂环命名法例外规则影响、完全系统化的中文Hantzsch-Widman杂单环命名法,使中文杂环命名能与国际接轨.中文杂环命名法用天干表示杂环员数,“轭”和“单”分别表示共轭双键与饱和杂环.
作 者：曹忠民 CAO Zhongmin 作者单位：大连理工大学化工学院,辽宁大连,116012刊 名：中国科技术语英文刊名：CHINA TERMINOLOGY年，卷(期)：12(1)分类号：NIM H083 TQ0关键词：Hantzsch-Widman 杂环命名法 杂环 中文杂环命名法
单环控制技术数字化 篇6
【关键词】煤矿；直流提升机；自动化控制；信息化
矿井提升机主要承担矿物的提升、人员的上下和材料的运送等任务，它应能按照预定的力图和速度图，在四象限实现平稳启动、等速运行、减速运行、爬行和停车，而且在运行过程中要有极高的可靠性[1]。原系统已经严重地制约了矿山的生产安全，急切需要制造出一种安全可靠，性能优良且又节电的新型驱动系统。 由于存在着以上不足， 使得继电器-接触器电控系统提升机随着现代科学技术的进步而不断的处于被淘汰的位置。
1.煤矿主井直流提升机的自动化控制
1.1主回路
主回路由高压配电系统、整流变压器、可控硅整流装置、快开、电抗器等构成，采用电枢电流换向（电枢可逆），磁场电流单向的方式；也可采用电枢电梳单向。磁场电流换向的方式。为减少电网的无功冲击和高次谐波的干扰，电枢回路配置成串联12脉动顺控。
1.2全数字调节部分
全数字调节部分以高性能单片机为核心，主要功能有：
（1）完成提升机速度和电流双闭环调节，如：①预设速度基准值；②限制加、减速过程的冲击；⑧速度自动调节；④电枢电流自动调节；⑤磁场电流自动调节；⑥预设电流限制值。
（2）实现电枢回路和磁场回路的各种故障保护，如：①磁场变压器超温；②磁场整流桥快熔熔断；③磁场过电流；④磁场回路对地漏电；？⑤磁场可控硅交流阻尼熔丝断；⑥磁场可控硅过热；⑦电枢变压器超温；⑧电枢整流桥快熔熔断；⑨电枢过电流；⑩电枢回路对地漏电；⑩电枢可控硅交流阻尼熔丝断；⑩电枢可控硅过热[2]。
1.3多PLC冗余控制部分
多PLC冗余控制部分用来完成提升机系统操作保护、行程监控和装、卸载控制等功能。（1）操作保护部分采用一台PLC，其主要功能是执行操作程序，并实现各种故障保护及闭锁。来自系统各部分的保护信号直接引入到PLC中，PLC将其处理后分为立即施闸、井口施闸、电气制动和报警四类，送监视器显示故障类型并控制声光报警系统报警并施闸。系统的安全回路有两套，一套由PLC构成，另一套为继电器直动回路。（2）行程监控部分由一台PLC、两个轴编码器（一个装在传动控制器上，另一个装在导向轮上）和井筒开关构成，两台轴编码器将提升机钢丝绳在线速度和行程位置转换成脉冲信号送人PLC，经PLC中的软件计算后处理成罐笼在井筒中的位置和在线速度，送到操作台监视器显示。这种以软件处理为主的行程跟踪方法在灵活性、可靠性及精度等方面都很高，只要选择分辨率较高的轴编码器，就可保证定位精度<2cm，因打滑及钢丝绳伸长等行程误差可通过井筒开关加以校正。此外，PLC还将部分操作信号、轴编码器信号、部分保护信号以及设定的一些行程参数结合起来进行逻辑运算处理，自动产生提升机所需的速度给定信号。（3）PLC控制的装、卸载系统由提升机车房PLC监控站、井口PLC卸载控制站和井底PLC装载控制站三部分构成，各部分PLC之间的信息传输采用RS485数据通讯与I/O传输并用的方式。I/O传输用于闭锁、控制、保护、信号的信息传输。RS485数据通讯只用于模拟信号、状态、故障信息的传输，不参与闭锁、控制、保护、信号的传输。这样，一旦通讯发生故障，也不影响井筒信号及装卸载控制系统的正常运行[3]。
1.4操作台和监视器
操作台由左操作台、右操作台和指示台三部分构成。左操作台上有制动手柄、高压送电按钮、磁场送电按钮、快开控制按钮、安全复位按钮、紧停按钮、灯试验按钮、闸试验按钮、过卷旁通按钮等；右操作台上有主令操作手柄、工作方式选择开关、控制方式选择开关和信号联络按钮等；指示台左侧为监视器，指示台上有深度指示器（发光管柱状图）、重要操作信号和故障信号指示灯以及运行参数（如：闸压、电枢电流、磁场电流、速度等）显示仪表。监视器可实现人—机对话，它可显示主回路、低压配电回路、提升系统、液压制动系统、装卸载系统和故障信息等画面。
操作控制系统采用西门子PLC 组成，具有以下特点：①检修、验绳、手动、半自动、全自动等操作方式；②根据提升种类进行最高速度限制；③提升机工艺控制下必要的闭锁；④ 安全回路由 PLC 控制软件与外部硬件实现2 套冗余，当 PLC 故障时，提升机能低速运行（应急开车）；⑤安全制动过程实现恒减速控制，使安全制动过程中的减速度不受提升、下放、载荷大小影响，在给定范围内保持恒定， 并且不超过防滑极限减速度，确保提升机安全运行（当选恒减速液压系统时具有的功能）；⑥具有提升机位置闭环控制功能，准确停车；⑦具有完善的保护功能，如：超速、过卷、钢丝绳滑动、闸瓦磨损、弹簧疲劳、过流、过压、变流装置故障等保护，对于重要的保护，一般都设有两到三重，确保提升机的安全运行。
2.煤矿主井直流提升机的信息化管理
关于软件设计，即选择控制规律和控制参数，与模拟连续系统综合校正方法的步骤基本相似。在对连续系统进行综合时，设计者根据对控制系统稳态和动态性能提出的要求，在时域中即是对动态误差（或误差系数）、阶跃响应的调节时间、超调量和振荡次数等的要求，在已知不可变部分的情况下，设计出系统的校正，使系统的实际性能指标达到预期的要求。对于计算机控制系统，模拟校正装置由数字计算机代替，模拟校正装置担负的计算和控制任务将由计算机来完成。因此，选择校正装置的结构和参数的工作就转变为设计由计算机实现的控制算法和控制程序。在用模拟调节器对直流提升机进行控制时，各项控制是同时进行的。在用数字计算机实现上述控制时，由于计算机在任一时刻只能做一项工作，所以各项控制是分时进行的[4]。为了尽量减少启动、制动过程中的机械冲击及提升机控制精度，速度给定信号的加速、减速段为“S”形曲线，减速段行程通过PLC实际运算来调节减速度以保证其为一固定值，从而保证了停车点不变和停车点的精度。
计算机控制系统实际上是一个混合系统，既可以在一定的条件下近似看成一个模拟系统，用模拟系统的分析方法进行分析和综合，再将设计结果离散化，转变为数字计算机的控制算法，也可以把系统经过适当的变换，变为纯粹的离散系统，用z变换等工具进行分析和综合，直接设计出控制算法。全数字直流提升机电控系统既可用于新装系统使用，也可用于老系统改造的配套使用，如单绳、双绳，直井、斜井等各种工作场地。从应用运行的情况来看， 提高了矿井提升机运行的安全可靠性，而且操作简单。利用了机内计算机、PLC 接口可以方便地实现各种控制、监控功能，大大提高提升机运行的自动化程度。
3.结论
全数字直流提升机电控系统充分考虑了提升机实际运行中的各种要求，采用各种措施保证系统的安全运行，又因为它具有传统调速系统所无可比拟的调速和控制性能，其取代传统调速系统将成为必然趋势。
【参考文献】
[1]刘超，孟艳君，尚廷义等.基于PLC的矿井提升机变频调速控制系统[J].牡丹江师范学院学报（自然科学版），2009（03）.
[2]赵鹏.基于PLC技术的煤矿皮带运输系统的控制改造[J].科技情报开发与经济，2011（10）.
[3]张炳良.PLC技术在带式输送机自动控制系统中的应用研究[J].黑龙江科技信息，2010（02）.