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基于智能控制之大容量航空电源结构的研究

日期:2020-10-12 22:59 作者:上海论文网 编辑:若诗 点击次数:131
销售价格:150 论文编号:el2020100617365320925 论文字数:4267 所属栏目:控制工程论文
论文地区:中国 论文语种:中文 论文用途:硕士毕业论文 Master Thesis

本文是控制工程论文,根据电源的设计指标对主电路的拓扑结构和逆变系统的调制技术进行了选择。分析了传统PID控制技术和模糊控制技术的不足,选择蚁群算法对模糊控制器的参数进行优化,对优化的原理和流程进行了研究。

本文是基于智能控制技术对大容量航空地面电源系统的研究。随着航空领域的快速发展,对航空地面电源的要求越来越高,传统的控制技术逐渐开始不满足控制要求。针对于PID控制技术和模糊控制技术的缺点,本文采用蚁群模糊系统控制方案,利用蚁群算法强大的优化能力对模糊控制器的参数进行优化,从而取得良好的控制效果。本文的主要研究成果如下:(1)利用MATLAB/Simulink搭建仿真模型,对比模糊控制器参数优化前后的控制效果,验证了控制方案的可行性。

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第一章绪论

 

目前,中频电源的控制已经进入了数字化控制阶段。其中,数字PID闭环控制技术是应用最多的控制技术,它的系统结构简单、稳定性好,在线性负载下能有较好的控制效果,但在非线性负载下输出电压的THD较大,不能满足系统控制精度的要求。现在航空领域的用电设备越来越智能化,结构越来越精细复杂,负载特性越来越复杂多变,这就对电源的稳定性和可靠性有了更高的要求。自动控制理论经过了经典控制和现代控制这两个阶段,已经发展到智能控制阶段。智能控制将传统控制方法和人工智能相结合,建立了一种适用于复杂系统的控制方法。智能控制技术的核心是控制决策,它能以一种灵活机动的决策方式使得控制朝着系统所期望的目标靠近。在对非常复杂的系统进行控制时,智能控制往往能取得很好的控制效果。本文的研究对象为大容量航空地面电源的系统,选择智能控制技术作为系统的控制策略,并结合PWM技术来完成对系统的控制,从而提升系统的带载能力,使输出的波形更加完美,电源的稳定性和可靠性更高。
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第二章系统控制方案的设计

 

2.1电源主电路拓扑结构的选择
根据电源的设计指标可知,系统要实现交流—交流变换(AC→AC),这个过程中电源的电压和频率都发生了改变,电压由380V变为200V,频率由50Hz变为400Hz。交流电力控制电路只能改变电压/电流,不能改变频率,变频电路的输出频率受输入频率的制约,这两种直接形式的交流—交流变流电路均不满足要求。整流电路和逆变电路组合的间接形式的交流—交流变流电路既能改变电压大小,又能改变频率,在工程实际中应用十分广泛,因此主电路选择这种电路结构,结构框图如图2-1所示。三相桥式逆变电路中有V1~V6六个桥臂,每个桥臂由一个IGBT和一个反向并联的二极管组成。IGBT的开通与关断依靠PWM技术对其的控制,开关状态和输入电压Ud决定输出电压的大小。LC二阶滤波电路结构简单,由一个电感和一个电容组成,主要作用是滤除输出PWM波形中的载频谐波。
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2.2PWM技术的选择
逆变电路的控制主要依靠调制技术和控制策略的结合,开关调制技术的选择对中频电源整体的输出影响很大。调制技术的理论基础是面积等效原理,即形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时,其效果相同。调制的方式主要是通过对一系列窄脉冲的脉宽、频率、幅值或密度进行调制,来获得需要的电源输出波形(包含形状、幅值和频率),其中脉宽调制技术(PWM技术)是四种调制方式中应用最广泛的一种。PWM技术通过驱动电路对逆变电路中开关器件的通断状态进行控制,使逆变电路输出一系列幅值相等而宽度不等的窄脉冲,用这个脉冲序列来代替所需波形。常用的PWM技术如表2-1所示。逆变电路单一的使用调制技术只能实现对系统的开环控制,稳定性差,输出电压/电流的波形不能达到设计要求。目前,对逆变电路的控制已经进入数字化阶段,通常是根据设计要求选择合适的调制技术,再结合控制技术,实现对逆变电路的闭环控制,这样就能保证系统的稳定性和可靠性。

 

第三章电源控制系统仿真....................................................................................................22
3.1MATLAB/Simulink..................................................................................................22
3.2模糊控制系统仿真...................................................................................................23
3.3蚁群模糊系统仿真...................................................................................................30
3.4本章小结...................................................................................................................35
第四章系统硬件设计............................................................................................................37
4.1硬件电路整体设计...................................................................................................37
4.2主电路设计...............................................................................................................38
4.3驱动电路设计...........................................................................................................42
4.4采样电路设计...........................................................................................................45
第五章软件系统设计............................................................................................................52
5.1DSP开发环境..........................................................................................................52
5.2软件系统的总框架...................................................................................................52
5.3程序初始化...............................................................................................................53

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第六章实验结果与分析

 

6.1实验结果
在数据采集的过程中,很多芯片都以较高的频率工作;有些芯片的引脚特别多,之间距离较小;数字电路和模拟电路混合存在。以上三个问题对PCB的设计提出了很高的要求,需要考虑系统的电磁兼容性和信号的完整性,增加抗干扰的措施,这样就能确保系统安全可靠地运行。在设计过程中,需要注意这些方面:1)采用多层板的设计,主电路和控制电路分层布置;2)电源和地之间要增加去耦电容,来过滤噪声,电源线、接地线选择加粗线;3)数字电路接地和模拟电路接地要分开,接地线要构成闭环回路,来提高抗噪声的能力;4)将所有芯片未使用的引脚下拉为0,来降低功率损耗。本章是对系统硬件电路的设计。先是对硬件电路整体结构的确定,根据系统特性对主控制器芯片进行了选择;然后是对硬件电路中各部分的设计,包括主电路中参数的计算和元器件的选型、驱动电路的设计、采样电路的设计、控制电路中DSP最小系统和外围电路各部分的设计;最后对PCB设计软件进行了简单介绍,对设计过程中需要注意的问题进行了分析。

 

6.2结果分析
由表6-5可知,在满载状态下:三相输出电压对称性小于1%,相位对称性小于2°,稳定度均小于1%,THD均小于2%,输出频率的稳定度均小于0.1%,满足本文的设计指标。综上所述,电源在空载、平衡负载、不平衡负载和满载这四种状态下的输出技术指标均满足本文的设计要求以及中频电源一般技术指标的要求。因而,在大容量航空地面电源系统中所采用的调制技术和控制策略切实可行。本章对电源装置进行了测试,对测量结果进行了计算和分析。结果表明,本文所设计的大容量航空地面电源在空载和带载的情况下输出的三相电压(200V/400Hz)波形良好,满足设计指标,证明了系统控制方案的可行性。

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第七章总结与展望
(4)对电源硬件系统和软件系统进行设计,并搭建整机装置,对电源进行测试,对实验结果进行分析。通过测试,证明了本文设计的电源系统满足技术指标要求。本文只是对中频电源系统部分内容的研究,还有很多内容需要进一步的研究,主要包括硬件系统和控制算法方面。(1)硬件系统。除了本文研究的内容之外,电源的抗电磁干扰问题有待进一步的研究。(2)控制算法。蚁群模糊系统的本质是模糊逻辑,是借助蚁群算法强大的优化能力对模糊控制器参数的优化,在本文逆变电路的控制中取得了很好的效果。通过对模糊控制算法的研究,除了模糊控制器的参数可以优化之外,模糊控制器的结构也可以进行优化。通过智能算法的优化,可以对模糊控制规则进行去除或者合并,达到简化的目的,使整个控制系统具有更好的鲁棒性。随着科学技术的发展,中频电源会不断向高频化、智能化、数字化、模块化和网络化发展,智能控制技术和数字化技术将成为中频电源系统研究的热点。
参考文献(略)
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