- 頭條武漢大學科研人員提出多斬波器電流協同控制的新算法2022-04-03 作者：鄧其軍、曾文彬等 | 來源：《電工技術學報》 | 點擊率：導語在由多個降壓斬波器各自驅動獨立負載的某軍事應用場景中，要求各個降壓斬波器的輸出電流在啟動階段和穩態階段均具有良好的一致性。如果不加以控制，電流的一致性會受負載差異和啟動通信延時等因素的嚴重影響。 武漢大學電氣與自動化學院的研究人員鄧其軍、曾文彬等，在2021年第15期《電工技術學報》上撰文，基于多智能體協同控制思想設計了一種相鄰電流協同控制策略，用相鄰電流值實時補償電流設定值的方式實現了系統的控制目標。通過對實際多降壓斬波器系統進行實驗，引入工業以太網EtherCAT進行信息交互以滿足控制系統的實時性要求，從而驗證了相鄰電流協同控制算法對解決多斬波器電流協同問題具有良好的效果。
包含多個直流斬波器的現代工業控制系統如直流電源控制系統等多存在非線性、高耦合等經典控制理論無法解決的難題。在由多個降壓斬波器各自驅動獨立負載的某軍事應用場景中，要求各個降壓斬波器的輸出電流在啟動階段和穩態階段均具有良好的一致性，保證每個斬波器輸出電流產生的磁場穩定一致，從而得到良好的消磁效果，若輸出電流不一致，消磁效果將受到嚴重影響。因此為了獲得滿意的實際控制效果，必須采用控制策略對多個直流斬波器的輸出進行協同控制。
協同控制最早是從大自然中獲得靈感，比如鳥的列隊而飛、昆蟲的蜂擁而至等。為了解決多智能體的一致性問題，近年來國內外提出許多協同控制策略，在不同的應用場景取得了不同的控制效果。這些研究均對多個直流斬波器的電流協同控制具有指導意義。在直流斬波器的控制上，文獻中提出的基于脈沖寬度調制（Pulse Width Modulation, PWM）的數字控制、自適應滑模控制及基于AD采樣的預測控制等控制策略均取得了滿意的實際控制效果。
對于多個直流斬波器并聯的功率不均衡問題，有學者基于一致性理論，提出電流共享控制，通過總線共享電流信息，取得了滿意的控制效果；有學者提出基于有限時間的輸出反饋控制，取得了較好的仿真效果；有學者在滑模控制的基礎上提出基于分數階的滑模控制，在解決功率不均衡問題的同時顯著提高了系統的輸出效率。有學者提出基于比例積分觀測器的反演控制，基于狀態空間模型的預測控制、主從電流共享控制、主從電流共享滑模控制以及基于CAN總線的主從電流跟蹤控制策略，成功實現了多直流斬波器的并聯協同控制。
對于多智能體的一致性問題，相對于穩態一致性，人們越來越關注有限時間內的一致性問題及一致性收斂速度問題。針對多智能體系統，有學者使用最小階觀測器和積分器進行動態牽制控制，顯著提高了系統達到一致性的速度；有學者針對含有不確定動力學的高階非線性多智能體系統提出一種實現有限時間一致性的分布式控制算法，驗證了提出的控制算法能夠在有限時間內以較高的精度達到一致；有學者提出一種主從式預測編隊控制架構，為實現多智能體動態一致性提供了新的思路。
上述協同控制理論的實現大都基于多個直流斬波器給同一負載供電的情況，較多應用于直流電源控制系統中。然而在由多個降壓斬波器各自驅動獨立負載的某軍事應用場景中，每個斬波器的負載不盡相同，且不同負載之間的距離較遠，普通的通信方式如CAN、RS485等不能滿足實時性和遠距離的要求。
為了解決由多個降壓斬波器各自驅動獨立負載的控制系統的電流協同一致性問題，武漢大學電氣與自動化學院的研究人員針對由多個降壓斬波器各自驅動獨立負載的控制系統提出了一種相鄰電流協同控制策略，對其穩定性和一致性進行分析，并通過實驗驗證了提出的相鄰電流協同控制策略具有良好的電流協同效果。
圖1 四個降壓斬波器控制系統實物圖
科研人員在分析研究后得出結論如下：
1）在多降壓斬波器控制系統中引入工業以太網EtherCAT，構建實時信息交互系統，解決了不同斬波器遠距離信息傳輸時延大的問題。
2）多個降壓斬波器輸出動態一致性差異主要是負載電阻差異引起的，電感大小對電流動態一致性影響不大。在一定負載差異范圍內，本文提出的協同控制策略能夠較好地實現不同斬波器輸出電流的動態一致性。
3）增大協同控制器的比例系數可以加快不同斬波器的協同速度，然而過大的比例系數會破壞系統的穩定性，導致輸出振蕩。
4）相較于無協同控制算法，引入相鄰電流協同控制策略對通信延時具有一定的抗干擾性。在一定范圍內，斬波器的控制頻率對協同控制效果基本無影響，因此該協同控制算法可應用于不同頻率場合。
5）當負載差異過大時，受控制器性能和通信速率的影響，輸出電流達到動態一致性的收斂速度變慢，系統的調節時間變長，因此需要使用速率更高的通信方式來擴展本控制策略的應用范圍，從而保證在較大負載差異情況下仍能實現較好的輸出動態一致性。
以上研究成果發表在2021年第15期《電工技術學報》，論文標題為“多斬波器電流協同控制”，作者為鄧其軍、曾文彬 等。
