摘 要： 针对三相电压型PWM整流器的双闭环控制系统直流母线电压超调较大、对扰动克服能力不强、鲁棒性差等问题，本文对控制系统进行了改进，在电压外环设计一种基于内模原理的控制器以取代传统PI控制器，并对内模控制器中滤波器部分的参数设计进行分析，最后使用MATLAB/SIMULINK进行仿真研究，并与电压外环采用PI控制器的系统性能进行比较。仿真结果表明，在电压环采用内模控制器，可以有效降低直流母线电压超调，快速抑制扰动，具有良好的鲁棒性，性能优于传统PI调节器。
关键词： PWM整流器；内模控制；鲁棒性
本文以北京科技大学350 mm热轧机主传动改造项目为背景。该项目拟将原有110 kW直流主传动系统扩容为200 kW交流调速系统。目前整流侧使用的是电压型PWM整流器，采用双闭环控制结构，电流内环与电压外环均采用PI控制器。但直流母线电压超调较大，对扰动克服能力不强，致使逆变侧控制受到影响，整个交流变频调速系统性能较差[1]。
内模控制器具有设计简单、跟踪性能好、鲁棒性强、能消除不可测干扰的影响等优点，基于以上因素本文在电压环设计内模控制器来改善整流侧控制系统性能。最后使用MATLAB/SIMULINK进行仿真研究。仿真结果表明，电压环采用内模控制器后，直流母线电压超调减小，对扰动克服能力加强，系统具有良好的鲁棒性。
1 理论基础
1.1 内模控制
内模控制结构图如图1所示。这种结构中，控制器的输出同时作用到控制对象和内部模型，系统的实际输出与内部模型的输出之差经过反馈回路与设定值比较后作为控制器的输入。图1中虚线框内是整个内模控制系统的内部结构。该结构中除了有控制器以外，还包含了过程模型^Ｇ，内模控制因此而得名[2]。
1.2 PWM整流器
目前通用的整流电路大部分采用二极管或晶闸管整流，功率因数低并且谐波污染严重。PWM整流技术具备功率因数可调、理想无低次谐波、能量双向流动、输出直流电压可调且无纹波等优点，具有广阔的发展前景[3-4]。
PWM整流器可以分类成电压型和电流型两大类。相比于电流型PWM整流器，电压型PWM整流器具有结构简单、损耗较低、控制方便等优点，因此应用较为广泛。本系统中亦采用电压型PWM整流器。
2 电压外环内模控制器的设计
在三相电压型PWM整流器控制系统的设计中，通常采用电压外环和电流内环的双闭环控制结构。电压外环的主要作用是控制三相电压型PWM整流器直流侧电压；电流内环的主要作用是按电压外环输出的电流指令进行电流控制，实现整流器网侧单位功率因数正弦波电流控制。
本文电流内环控制器的设计采用参考文献[4]中典型I型系统电流调节器设计方法。按照此种方法设计时，电流内环具有较快的动态响应，对指令电流的跟随性能较好[4]。
根据参考文献[4]，电流内环PI控制器的参数分别为：
由上两式可得：
图中，τv为电压外环采样小惯性时间常数。
2.2 电压外环内模控制器的设计
由图1可知，当模型完全准确，即G(s)=^G(s)，且没有外界扰动，即^D(s)=0时，可得出模型的输出与过程的输出相等，此时反馈信号为零。这样，在无模型不确定性和无未知输入的条件下，内模控制系统具有开环结构。对于开环稳定的过程，反馈的目的就是克服过程的不确定性。在工业过程控制中，模型不确定性是难免的。此时，内模控制结构中的反馈信号就反映了过程模型的不确定性和扰动的影响，构成了闭环控制结构。
对于三相电压型PWM整流器双闭环控制系统，GIMC(s)分子多项式的系数大于分母多项式的系数，为保证控制器的可实现性及系统的稳定性和鲁棒性，需加一个低通滤波器
中，分子多项式的次数比分母多项式次数大2，可知γ=2即可保证内模控制器的有理性。因此ε为整个内模控制系统唯一需要调节的参数[5]。
3 仿真实验结果
基于以上的控制方法进行软件仿真试验。在MATLAB/SIMULINK中建立仿真模型，仿真模型参数取自硬件系统的实际参数。交流电源电压幅值为 311 V，频率50 Hz，交流侧电感L＝1.6 mH，寄生电阻R＝0.02 Ω，直流侧电容C＝3 600 μF；开关频率为10 kHz，负载电阻RL＝30 Ω。在0.1 s时加入+50 V的电压扰动。
图3为采用内模控制器的电压外环控制结构图。
ε的选择要根据电压信号采集系统所需低通滤波器的带宽来决定。可令a=1/ε，a的数值首先应小于电压基波成分频率，其次a应大于PWM整流器开关频率。在具体调节?着的过程中发现，当选择ε较小时，系统延迟较小，抗干扰性能较差；当选择ε较大时，内环抗干扰性能较强。
仿真过程中，电压外环分别采用PI控制器和内模控制器。二者比较的曲线如图4所示。采用PI调节器时，电压超调接近20%,而采用内模控制器的系统电压超调小于10%。在0.1 s加入扰动时，内模控制系统的抗扰性能更强。但采用内模控制器时，系统具有一定延迟[5]。
采用内模控制器的系统，交流侧输入电压与输入电流波形如图5所示，能量回馈时交流侧输入电压与输入电流波形如图6所示。由仿真图可见输入电流正弦度很好，实现了系统的单位功率因数运行和能量的双向流动。
本文建立了基于内模控制的改进型双闭环PWM整流器的模型，在MATLAB/SIMULINK环境下进行仿真研究。仿真结果表明，采用内模控制器后，直流母线电压超调减小，抑制扰动能力加强，并且网侧功率因数接近于1，减少了对电网的污染，实现了整流器的能量双向流动以及高功率因数运行；证实了本设计硬件结构合理，参数调节适当，具有实际工程应用价值。
参考文献
[1] 李晓东，王京，张勇军，等.VME总线嵌入式交流调速控制系统[J].电气传动，2007，37(11).
[2] 赵辉.基于内模控制原理的PID控制器设计[D].天津：天 津大学，2005.
[3] ZHOU Ke Liang，WANG Dan Wei，XU Guang Yan.Repetitive controlled three-phase reversible PWM rectifierPower[C]. American Control Conference.2000.Proceedings of the 2000. June 28-30，2000.Chicago，IL，USA.vol.1：125-129.
[4] 张崇巍，张兴.PWM整流器及其控制[M].北京：机械工业出版社，2003.
[5] 周渊深.感应电动机交-交变频调速系统的内模控制技 术[M].北京：电子工业出版社，2005.
[6] SKOGESTAD S.Simple analytic rules for model reduction and PID controller tuning[J].Journal of Process Control， 2003(13)：291-309