包含多個(gè)直流斬波器的現(xiàn)代工業(yè)控制系統(tǒng)如直流電源控制系統(tǒng)等多存在非線性、高耦合等經(jīng)典控制理論無(wú)法解決的難題。在由多個(gè)降壓斬波器各自驅(qū)動(dòng)獨(dú)立負(fù)載的某軍事應(yīng)用場(chǎng)景中,要求各個(gè)降壓斬波器的輸出電流在啟動(dòng)階段和穩(wěn)態(tài)階段均具有良好的一致性,保證每個(gè)斬波器輸出電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)穩(wěn)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(yán)重影響。因此為了獲得滿意的實(shí)際控制效果,必須采用控制策略對(duì)多個(gè)直流斬波器的輸出進(jìn)行協(xié)同控制。
協(xié)同控制最早是從大自然中獲得靈感,比如鳥的列隊(duì)而飛、昆蟲的蜂擁而至等。為了解決多智能體的一致性問(wèn)題,近年來(lái)國(guó)內(nèi)外提出許多協(xié)同控制策略,在不同的應(yīng)用場(chǎng)景取得了不同的控制效果。這些研究均對(duì)多個(gè)直流斬波器的電流協(xié)同控制具有指導(dǎo)意義。在直流斬波器的控制上,文獻(xiàn)中提出的基于脈沖寬度調(diào)制(Pulse Width Modulation, PWM)的數(shù)字控制、自適應(yīng)滑模控制及基于AD采樣的預(yù)測(cè)控制等控制策略均取得了滿意的實(shí)際控制效果。
對(duì)于多個(gè)直流斬波器并聯(lián)的功率不均衡問(wèn)題,有學(xué)者基于一致性理論,提出電流共享控制,通過(guò)總線共享電流信息,取得了滿意的控制效果;有學(xué)者提出基于有限時(shí)間的輸出反饋控制,取得了較好的仿真效果;有學(xué)者在滑模控制的基礎(chǔ)上提出基于分?jǐn)?shù)階的滑模控制,在解決功率不均衡問(wèn)題的同時(shí)顯著提高了系統(tǒng)的輸出效率。有學(xué)者提出基于比例積分觀測(cè)器的反演控制,基于狀態(tài)空間模型的預(yù)測(cè)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(shí)現(xiàn)了多直流斬波器的并聯(lián)協(xié)同控制。
對(duì)于多智能體的一致性問(wèn)題,相對(duì)于穩(wěn)態(tài)一致性,人們?cè)絹?lái)越關(guān)注有限時(shí)間內(nèi)的一致性問(wèn)題及一致性收斂速度問(wèn)題。針對(duì)多智能體系統(tǒng),有學(xué)者使用最小階觀測(cè)器和積分器進(jìn)行動(dòng)態(tài)牽制控制,顯著提高了系統(tǒng)達(dá)到一致性的速度;有學(xué)者針對(duì)含有不確定動(dòng)力學(xué)的高階非線性多智能體系統(tǒng)提出一種實(shí)現(xiàn)有限時(shí)間一致性的分布式控制算法,驗(yàn)證了提出的控制算法能夠在有限時(shí)間內(nèi)以較高的精度達(dá)到一致;有學(xué)者提出一種主從式預(yù)測(cè)編隊(duì)控制架構(gòu),為實(shí)現(xiàn)多智能體動(dòng)態(tài)一致性提供了新的思路。
上述協(xié)同控制理論的實(shí)現(xiàn)大都基于多個(gè)直流斬波器給同一負(fù)載供電的情況,較多應(yīng)用于直流電源控制系統(tǒng)中。然而在由多個(gè)降壓斬波器各自驅(qū)動(dòng)獨(dú)立負(fù)載的某軍事應(yīng)用場(chǎng)景中,每個(gè)斬波器的負(fù)載不盡相同,且不同負(fù)載之間的距離較遠(yuǎn),普通的通信方式如CAN、RS485等不能滿足實(shí)時(shí)性和遠(yuǎn)距離的要求。
為了解決由多個(gè)降壓斬波器各自驅(qū)動(dòng)獨(dú)立負(fù)載的控制系統(tǒng)的電流協(xié)同一致性問(wèn)題,武漢大學(xué)電氣與自動(dòng)化學(xué)院的研究人員針對(duì)由多個(gè)降壓斬波器各自驅(qū)動(dòng)獨(dú)立負(fù)載的控制系統(tǒng)提出了一種相鄰電流協(xié)同控制策略,對(duì)其穩(wěn)定性和一致性進(jìn)行分析,并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了提出的相鄰電流協(xié)同控制策略具有良好的電流協(xié)同效果。
圖1 四個(gè)降壓斬波器控制系統(tǒng)實(shí)物圖
科研人員在分析研究后得出結(jié)論如下:
1)在多降壓斬波器控制系統(tǒng)中引入工業(yè)以太網(wǎng)EtherCAT,構(gòu)建實(shí)時(shí)信息交互系統(tǒng),解決了不同斬波器遠(yuǎn)距離信息傳輸時(shí)延大的問(wèn)題。
2)多個(gè)降壓斬波器輸出動(dòng)態(tài)一致性差異主要是負(fù)載電阻差異引起的,電感大小對(duì)電流動(dòng)態(tài)一致性影響不大。在一定負(fù)載差異范圍內(nèi),本文提出的協(xié)同控制策略能夠較好地實(shí)現(xiàn)不同斬波器輸出電流的動(dòng)態(tài)一致性。
3)增大協(xié)同控制器的比例系數(shù)可以加快不同斬波器的協(xié)同速度,然而過(guò)大的比例系數(shù)會(huì)破壞系統(tǒng)的穩(wěn)定性,導(dǎo)致輸出振蕩。
4)相較于無(wú)協(xié)同控制算法,引入相鄰電流協(xié)同控制策略對(duì)通信延時(shí)具有一定的抗干擾性。在一定范圍內(nèi),斬波器的控制頻率對(duì)協(xié)同控制效果基本無(wú)影響,因此該協(xié)同控制算法可應(yīng)用于不同頻率場(chǎng)合。
5)當(dāng)負(fù)載差異過(guò)大時(shí),受控制器性能和通信速率的影響,輸出電流達(dá)到動(dòng)態(tài)一致性的收斂速度變慢,系統(tǒng)的調(diào)節(jié)時(shí)間變長(zhǎng),因此需要使用速率更高的通信方式來(lái)擴(kuò)展本控制策略的應(yīng)用范圍,從而保證在較大負(fù)載差異情況下仍能實(shí)現(xiàn)較好的輸出動(dòng)態(tài)一致性。
以上研究成果發(fā)表在2021年第15期《電工技術(shù)學(xué)報(bào)》,論文標(biāo)題為“多斬波器電流協(xié)同控制”,作者為鄧其軍、曾文彬 等。