祝 新，黃 鷺，顏川江，汪山林

(中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七二三研究所，江蘇 揚(yáng)州225001)

大功率紫外燈啟動(dòng)的模型預(yù)測(cè)控制策略

祝 新，黃 鷺，顏川江，汪山林

(中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七二三研究所，江蘇 揚(yáng)州225001)

針對(duì)大功率紫外燈啟動(dòng)的電流控制問(wèn)題，提出了一種基于模型預(yù)測(cè)實(shí)現(xiàn)電子鎮(zhèn)流器的控制方法。首先建立了電子鎮(zhèn)流器的數(shù)學(xué)模型，以該模型為基礎(chǔ)構(gòu)建了系統(tǒng)控制的預(yù)測(cè)模型，通過(guò)采樣經(jīng)過(guò)三相不控整流和濾波之后的直流電壓值和Buck電路的電感電流值建立平均狀態(tài)方程，以最優(yōu)性能為指標(biāo)，求解最優(yōu)開(kāi)關(guān)狀態(tài)，對(duì)電子鎮(zhèn)流器電路進(jìn)行控制。仿真及實(shí)驗(yàn)表明該模型預(yù)測(cè)控制器在紫外燈點(diǎn)火啟動(dòng)過(guò)程中具有良好的動(dòng)態(tài)性能，有效控制了電子鎮(zhèn)流器。

紫外燈；電子鎮(zhèn)流器；模型預(yù)測(cè)；平均狀態(tài)方程

0 引 言

船舶遠(yuǎn)洋航行運(yùn)輸中，未裝載適量貨物的船舶，為保持平衡會(huì)專門注入壓載水。在一地注入的壓載水中帶有大量的生物就會(huì)被帶到一個(gè)新的水域，可能對(duì)新水域的海洋物種造成侵襲和破壞，會(huì)造成環(huán)境和生態(tài)失衡；因此國(guó)際海事組織(IMO) 制定了相應(yīng)的《國(guó)際船舶壓載水和外來(lái)生物控制和管理公約》，該公約于2017年9月生效。由此，對(duì)壓載水處理成為了一個(gè)研究的熱點(diǎn)。一種方法是將大功率紫外線用于輻射壓載水，進(jìn)行殺菌滅活處理[1-4]。紫外線燈是典型的氣體放電燈，揮發(fā)性有機(jī)化合物的排放量很低。本方法較傳統(tǒng)的加藥法、電離法等其他處理方式具有無(wú)二次污染、滅活效果好等優(yōu)勢(shì)。

由于紫外燈的伏安特性，在擊穿階段，當(dāng)電壓升高到紫外燈的擊穿點(diǎn)時(shí)，紫外燈將在電子鎮(zhèn)流器的驅(qū)動(dòng)下進(jìn)行擊穿工作，強(qiáng)電場(chǎng)使電子產(chǎn)生速率加快，故此時(shí)燈管電阻從未擊穿時(shí)近似無(wú)窮迅速降到幾十歐姆甚至十幾歐姆，此時(shí)電子鎮(zhèn)流器的作用是保證紫外燈電流在一個(gè)合理的范圍內(nèi)。

隨著對(duì)電子鎮(zhèn)流器的深入研究，其中以比例積分(PI)調(diào)解最為經(jīng)典[5-6]，對(duì)電流電壓通過(guò)現(xiàn)行比例積分調(diào)節(jié)器實(shí)現(xiàn)追蹤控制。文獻(xiàn)[7]～[8]在電子鎮(zhèn)流器中應(yīng)用了PI調(diào)節(jié)器，但是控制性能嚴(yán)重依賴PI調(diào)節(jié)器參數(shù)，在實(shí)際控制中很難保證動(dòng)態(tài)、穩(wěn)態(tài)性能最優(yōu)。模型預(yù)測(cè)控制在近年來(lái)廣泛應(yīng)用于電力電子控制領(lǐng)域，具有建模直觀、動(dòng)靜態(tài)性能良好、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快且針對(duì)非線性系統(tǒng)特性易于控制等優(yōu)點(diǎn)，無(wú)需PI調(diào)節(jié)器。

本文介紹了一種基于模型預(yù)測(cè)[9-10]控制紫外燈點(diǎn)火啟動(dòng)的方法，在點(diǎn)火啟動(dòng)階段擊穿紫外燈，使電流迅速變大。此方法能有效控制電流上升速度，將其降低在一定范圍內(nèi)，控制簡(jiǎn)單，具有良好的動(dòng)靜態(tài)特性。最后通過(guò)對(duì)比仿真及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了本文設(shè)計(jì)的基于模型預(yù)測(cè)控制電子鎮(zhèn)流器的點(diǎn)火啟動(dòng)方法的可行性和有效性。

1 電子鎮(zhèn)流器拓?fù)?/h2>

紫外燈在啟動(dòng)到穩(wěn)態(tài)工作過(guò)程中，體現(xiàn)出強(qiáng)烈的非線性特性，特別在紫外燈被擊穿之后，其體現(xiàn)出負(fù)阻特性，電子鎮(zhèn)流器必須在這個(gè)過(guò)程中很好地控制紫外燈的電流。

電子鎮(zhèn)流器基本原理為：三相交流電經(jīng)過(guò)濾波環(huán)節(jié)、全波整流環(huán)節(jié)后變?yōu)橹绷麟姡?jīng)過(guò)Buck變換電路及直流/交流(DC/AC)逆變電路，輸出為交流方波電壓，加到紫外燈兩端。在工作時(shí)，電子鎮(zhèn)流器在幾秒鐘之內(nèi)輸出高壓方波擊穿紫外燈使其發(fā)光，之后電子鎮(zhèn)流器限制紫外燈擊穿電流，使其快速回到合理范圍。電子鎮(zhèn)流器拓?fù)淙鐖D1所示。

圖1 電子鎮(zhèn)流器拓?fù)?/p>

電網(wǎng)電壓經(jīng)過(guò)三相不控整流由交流變換為直流，輸出電壓為Ui。經(jīng)過(guò)Buck電路對(duì)電流和電壓進(jìn)行控制，根據(jù)電子鎮(zhèn)流器拓?fù)淇稍O(shè)空間狀態(tài)方程為:

(1)

式中:iL為電感電流;Uo為輸出電壓。

設(shè)j=1時(shí)，表示Q1開(kāi)通；j=2時(shí)，表示Q1關(guān)斷。

由Buck電路輸出的狀態(tài)方程為:

(2)

紫外燈電阻設(shè)為R，是一個(gè)可變電阻。Buck電路的占空比為d，滿足d∈[0,1],根據(jù)平均狀態(tài)方程，Buck電路的數(shù)學(xué)模型可描述為:

(3)

設(shè)T為采樣周期，如果采樣時(shí)間足夠小,可以認(rèn)為x[k+1]≈x[k]，故將平均狀態(tài)方程(3)離散化得到:

x[k+1]=Adx[k]+bdd[k]

(4)

式中:Ad=eAT;bd=(eAT-1)A-1b1;d(k)為k時(shí)刻Buck電路的占空比。

通過(guò)上述公式推導(dǎo)可知，電感電流iL(k+1)與輸出Buck直流側(cè)輸出電壓Uo(k+1)預(yù)測(cè)值可通過(guò)采樣k時(shí)刻iL(k)、Uo(k)和濾波后的直流輸入電壓Ui(k)得到，進(jìn)一步可得到d(k+1)。

2 電子鎮(zhèn)流器點(diǎn)火模型預(yù)測(cè)啟動(dòng)

紫外燈點(diǎn)火啟動(dòng)的電壓與電流由直流部分的Buck電路控制，使用模型預(yù)測(cè)控制Buck的電路的輸出值，通過(guò)H橋逆變對(duì)紫外燈進(jìn)行點(diǎn)火。

假設(shè)函數(shù):

z(k)=cx(k)

(5)

故預(yù)測(cè)的z(k+1)輸出為:

z(k+1)=cAdx(k)+cbdd(k)

(6)

設(shè)目標(biāo)函數(shù)為:

J=z(k+1)-zr=

cAdx(k)+cbdd(k)-zr

(7)

模型預(yù)測(cè)的控制框圖如圖2所示，紫外燈被擊穿前鎮(zhèn)流器的輸出近似于開(kāi)路。由于高頻變壓器的電感存在，變壓器在高頻交流供電的情況下，在輸出端產(chǎn)生很高的電動(dòng)勢(shì)用來(lái)對(duì)紫外燈進(jìn)行點(diǎn)火啟動(dòng)，通過(guò)模型預(yù)測(cè)可將輸出電壓Uo控制在給定的電壓Ur范圍內(nèi)。

正常情況下，經(jīng)過(guò)幾個(gè)周期變頻循環(huán)后，變壓器輸出電壓會(huì)升高到紫外燈的擊穿電壓。紫外燈被擊穿瞬間，為了保證負(fù)載的安全，需要快速將輸出電流控制在合理范圍內(nèi)。采樣k時(shí)刻iL(k)、Uo(k)和濾波后的直流輸入電壓Ui(k)，通過(guò)目標(biāo)函數(shù)對(duì)給定電流進(jìn)行追蹤，選擇最優(yōu)占空比進(jìn)行輸出。此時(shí)二級(jí)逆變橋提供滿足負(fù)載的工作電流和電壓。

圖2 模型預(yù)測(cè)控制框圖

3 仿真與實(shí)驗(yàn)研究

3.1 仿真分析

本文選擇使用4 kW的紫外燈，額定電壓為200 V，電流為20 A，其冷態(tài)擊穿電壓在480～500 V之間，故采用整流之后無(wú)需升壓，在Matlab/Simulink中搭建了電子鎮(zhèn)流器的仿真模型對(duì)本文所提出的模型預(yù)測(cè)控制策略進(jìn)行可行性驗(yàn)證，仿真參數(shù)如表1所示。

表1 電子鎮(zhèn)流器環(huán)路參數(shù)

三相電壓經(jīng)過(guò)濾波之后，經(jīng)過(guò)Buck電路使其穩(wěn)定在500 V，此時(shí)達(dá)到紫外燈擊穿電壓，在仿真中經(jīng)過(guò)0.01 s紫外燈被擊穿，電流增加到40 A。從圖3(a)可見(jiàn)采用本文所提出的模型預(yù)測(cè)控制算法，能較快將電流控制在20 A左右，使電流穩(wěn)定在紫外燈額定工作電流內(nèi)。圖3(b)、(c)分別為紫外燈負(fù)載兩端的電流和電壓，電流穩(wěn)定在20 A左右，電壓穩(wěn)定在200 V左右，通過(guò)仿真可以驗(yàn)證本文所提控制策略的可行性。

圖3 模型預(yù)測(cè)算法仿真圖

3.2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

大功率紫外燈數(shù)字電源系統(tǒng)的控制部分是系統(tǒng)的核心，控制芯片選用TI公司TMS320F28035數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)，控制硬件框圖如圖4所示。

圖4 控制電路硬件框圖

控制程序基于SYS/BIOS操作系統(tǒng)，主程序包括上電初始化程序、紫外燈運(yùn)行控制程序、保護(hù)程序、顯示程序、I/O控制程序和通訊程序。

SYS/BIOS操作系統(tǒng)合理分配DSP的運(yùn)算資源，實(shí)現(xiàn)控制算法。具體實(shí)現(xiàn)中，將采樣和控制設(shè)為優(yōu)先級(jí)最高的流程，采用中斷方式處理，設(shè)計(jì)中采用脈寬調(diào)制(PWM)中斷觸發(fā)A/D采樣，采樣周期設(shè)定為100 μs；運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)視、通訊、按鍵、刷新LCD顯示設(shè)為低優(yōu)先級(jí)，主程序流程圖如圖5所示。

圖5 程序流程圖

圖6給出了樣機(jī)啟動(dòng)階段實(shí)測(cè)電壓電流波形圖。其中1通道為電壓波形圖，2通道為電流波形圖。通過(guò)與圖3仿真波形圖對(duì)比，可以很清晰地看出兩者的趨勢(shì)一致，波形具有較高的相似性，這表明該算法具有有效性、可行性。

圖6 實(shí)測(cè)電壓和電流波形

4 結(jié)束語(yǔ)

本文在大功率紫外燈點(diǎn)火啟動(dòng)的電流控制中提出了一種基于模型預(yù)測(cè)的控制電子鎮(zhèn)流器的方法。利用所建立的模型預(yù)測(cè)控制器，輸出PWM最優(yōu)占空比對(duì)電子鎮(zhèn)流器電路進(jìn)行控制，具有良好的動(dòng)、靜態(tài)性能，方法簡(jiǎn)單靈活，仿真和實(shí)驗(yàn)均驗(yàn)證了此策略的可行性和有效性。

[1] SCHMITKONS J W,BRETMERSKY C A.Detector for an ultraviolet lamp system and a corresponding method for monitoring microwave energy:US7723992[P].2010-05-25.

[2] STIBICH M A,WOLFORD J B,GARFIELD A N,et al.Ultraviolet discharge lamp apparatuses with one or more reflectors:US9165756[P].2015-10-20.

[3] 夏蘭艷,顧丁紅,董文博,等.無(wú)極紫外燈及其在環(huán)境污染治理中的應(yīng)用[J].四川環(huán)境,2007,26(4):107-112.

[4] 曾慶莉,宋強(qiáng).紫外燈滅菌性能及監(jiān)測(cè)[J].時(shí)珍國(guó)醫(yī)國(guó)藥,2010,21(7):1847-1848.

[5] 謝勇,袁開(kāi)見(jiàn).HID燈的控制與驅(qū)動(dòng)電路[J].電力電子技術(shù),2007,41(10):52-54.

[6] 陳銘,洪文明,金亦青,等.金鹵燈用電子鎮(zhèn)流器的數(shù)字控制[J].電力電子技術(shù),2005,39(3):81-82.

[7] CHUNG S H H,CHEN N.Energy-recycling burn-in apparatus and method of burn-in for electronic ballasts[J],2016.

[8] REDDY V V,PALETI S.Design and Simulation of single-stage single-switch electronic ballast with SEPIC topology for fluorescent lamps[C]//International Conference on Emerging Trends in Electrical Engineering and Energy Management.IEEE,2013:323-327.

[9] LIMON D,ALVARADO I,ALAMO T,et al.MPC for tracking piecewise constant references for constrained linear systems [J].Automatica,2008,44(9):2382-2387.

[10] DIEHL M,FERREAU H J,HAVERBEKE N.Efficient numerical methods for nonlinear MPC and moving horizon estimation[J].Lecture Notes in Control & Information Sciences,2009(384):391-417.

ControlStrategyofModelPredictionforHighPowerUltravioletLampStartup

ZHU Xin,HUANG Lu,YAN Chuan-jiang,WANG Shan-lin

(The 723 Institute of CSIC，Yangzhou 225001，China)

This paper presents a controlling method for electronic ballast based on model prediction aiming at the current control problem of high-power ultraviolet lamp startup,firstly establishes the mathematical model of electronic ballast,builds the prediction model of system control on the basis of the model,constructs the average state equation by sampling the direct current voltage after three-phase uncontrolled rectifier and filtering and inductance current value of Buck circuit,takes optimal performance as the index,solves the optimal on-off state to control the electronic ballast circuit.The simulation and experiment show that the model prediction controller has good dynamic performance in the ignition process of ultraviolet lamp and controls the electronic ballast effectively.

ultraviolet lamp;electronic ballast;model prediction;average state equation

TM923.61

A

CN32-1413(2017)05-0109-04

10.16426/j.cnki.jcdzdk.2017.05.025

2017-08-16