于新紅

(中國(guó)科學(xué)院海西研究院泉州裝備制造研究中心,泉州 362216)

0 引 言

交錯(cuò)并聯(lián)DC-DC變換器因具有功率密度高、電流紋波小、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)[1-2],在電動(dòng)汽車、光伏發(fā)電、儲(chǔ)能系統(tǒng)等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[3-5]。交錯(cuò)并聯(lián)Buck變換器能夠大幅減小輸出電流紋波,同時(shí)具備提高功率等級(jí)和降低開(kāi)關(guān)應(yīng)力等特點(diǎn)。傳統(tǒng)控制算法多采用PI控制[6],結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單和易于工程實(shí)現(xiàn),但應(yīng)用在交錯(cuò)并聯(lián)拓?fù)鋾r(shí)存在多組PI相互耦合、參數(shù)難以整定等缺點(diǎn),并且在非線性擾動(dòng)下易出現(xiàn)控制性能下降問(wèn)題[7-8]。

模型預(yù)測(cè)控制(以下簡(jiǎn)稱 MPC) 具有動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、多目標(biāo)控制能力強(qiáng)、實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn),近年來(lái)在電力電子領(lǐng)域得到了較多應(yīng)用[9]。文獻(xiàn)[10]將有限控制集MPC應(yīng)用于DC-DC變換器,提升了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能,但開(kāi)關(guān)頻率不固定,導(dǎo)致電流紋波較大。文獻(xiàn)[11]將連續(xù)控制集MPC應(yīng)用于DC-DC變換器,實(shí)現(xiàn)固定開(kāi)關(guān)頻率控制,但其控制性能在很大程度上依賴于模型參數(shù)的準(zhǔn)確性。在實(shí)際工況下,受到溫度變化、振動(dòng)、負(fù)載突變等內(nèi)外部干擾時(shí),感性敏感器件參數(shù)容易發(fā)生非線性變化,造成實(shí)際數(shù)值和系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型失配。MPC等先進(jìn)控制算法的性能依賴系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的精度,當(dāng)參數(shù)出現(xiàn)漂移時(shí),控制系統(tǒng)在失配模型的基礎(chǔ)上會(huì)產(chǎn)生誤判,無(wú)法選擇最優(yōu)的開(kāi)關(guān)矢量,從而造成控制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性和魯棒性下降[12-13]。

4Rs是指關(guān)聯(lián)（Relevancy）、反應(yīng)（Respond）、關(guān)系（Relation）、回報(bào)（Return）策略。4Rs既從企業(yè)的角度出發(fā)，又兼顧了消費(fèi)者的需求，還兼顧了競(jìng)爭(zhēng)導(dǎo)向，是一個(gè)更符合新經(jīng)濟(jì)背景下、有利于企業(yè)和消費(fèi)者的營(yíng)銷組合策略。

為解決上述問(wèn)題,近幾年學(xué)者們提出了一些方法,主要包括擾動(dòng)觀測(cè)技術(shù)和無(wú)模型控制策略(以下簡(jiǎn)稱 MFC)[14]。文獻(xiàn)[15]采用擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器(以下簡(jiǎn)稱 ESO)對(duì)集總擾動(dòng)進(jìn)行觀測(cè),由無(wú)源控制器進(jìn)行實(shí)時(shí)補(bǔ)償。文獻(xiàn)[16]提出一種基于降階ESO的滑?？刂品椒?實(shí)現(xiàn)對(duì)直流降壓變換器系統(tǒng)給定電壓跟蹤的快速性和準(zhǔn)確性。文獻(xiàn)[17]提出一種帶自適應(yīng)滑模觀測(cè)器的MPC,將其應(yīng)用于內(nèi)環(huán)以處理負(fù)載不確定性,但基于擾動(dòng)觀測(cè)器的方法仍需建立被控對(duì)象的精準(zhǔn)預(yù)測(cè)模型。文獻(xiàn)[18]將MFC與智能PID控制器相結(jié)合,應(yīng)用于DC-DC變換器中,無(wú)需詳細(xì)預(yù)測(cè)模型,增強(qiáng)了系統(tǒng)魯棒性,但帶來(lái)了計(jì)算量較大的問(wèn)題。文獻(xiàn)[19]建立了MPC與MFC相結(jié)合的控制策略,以更簡(jiǎn)單的形式替換原有數(shù)學(xué)模型,降低了控制系統(tǒng)模型精度依賴,但外部擾動(dòng)下的魯棒性仍有待提高。

為了提高三相交錯(cuò)并聯(lián)Buck變換器在復(fù)雜工況模型失配下的控制性能,本文提出了一種基于非線性擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器(以下簡(jiǎn)稱 NESO)的無(wú)模型預(yù)測(cè)控制(以下簡(jiǎn)稱 MFPC)策略。通過(guò)建立變換器超局部模型,降低控制系統(tǒng)對(duì)精準(zhǔn)數(shù)學(xué)模型的依賴。設(shè)計(jì)NESO,對(duì)電壓和電流兩個(gè)控制環(huán)路的集總擾動(dòng)進(jìn)行觀測(cè),并補(bǔ)償給模型。通過(guò)無(wú)差拍預(yù)測(cè)控制,預(yù)測(cè)未來(lái)時(shí)刻的參考矢量,經(jīng)過(guò)載波移相調(diào)制控制變換器運(yùn)行。最后仿真驗(yàn)證了本控制策略的有效性。

基于NESO的MFPC框圖如圖2所示。電壓控制外環(huán)和電流控制內(nèi)環(huán)均采用MFPC策略,并設(shè)計(jì)NESO實(shí)時(shí)補(bǔ)償超局部模型的未知擾動(dòng)部分,系統(tǒng)具有良好的動(dòng)穩(wěn)態(tài)性能和魯棒性。

1 三相交錯(cuò)并聯(lián)Buck變換器數(shù)學(xué)模型

三相交錯(cuò)并聯(lián)Buck變換器拓?fù)鋱D如圖1所示。當(dāng)功率開(kāi)關(guān)Sm(m=1,2,3)和續(xù)流二極管Dm(m=1,2,3)忽略不計(jì)時(shí),便得到一個(gè)連續(xù)時(shí)間模型:

圖1 三相交錯(cuò)并聯(lián)Buck變換器拓?fù)鋱D

(1)

式中:Lm,RLm和iLm(m=1,2,3)分別為電感、等效電阻和三相電流;Co,Ro和Uo分別為輸出電容、負(fù)載電阻和輸出電壓;um(t)是開(kāi)關(guān)狀態(tài)(1表示開(kāi)關(guān)導(dǎo)通)。

為了簡(jiǎn)化起見(jiàn),只考慮交錯(cuò)Buck變換器在CCM(電感連續(xù)模式)中運(yùn)行的條件,得到其狀態(tài)空間模型:

(2)

微球?yàn)楣x子識(shí)別、雜交鏈?zhǔn)椒磻?yīng)以及DNA酶催化反應(yīng)提供了反應(yīng)平臺(tái),探針功能化的微球用量決定反應(yīng)體系的靈敏度。如圖2(a)所示,加入反應(yīng)體系的微球的量在5μL(5.06×103 beads/μL)以下時(shí),隨著微球量的增加,吸光值也相應(yīng)提升,表明在此范圍內(nèi)微球量的增加,捕獲的汞離子量也增加,形成了更多的DNA酶分子;當(dāng)反應(yīng)體系中微球的量大于5 μL的時(shí)候,吸光度不再隨微球的量增加而增加,說(shuō)明體系中微球的量已達(dá)到飽和。由此可見(jiàn),該檢測(cè)體系中微球的最適用量為5 μL,即25.3×103 beads為最合適的加入量。

馬克思、恩格斯說(shuō)：“各民族的原始封閉狀態(tài)由于日益完善的生產(chǎn)方式、交往以及因交往而自然形成的不同民族之間的分工消滅得越是徹底，歷史也就越是成為世界歷史?！盵14]P88歷史和現(xiàn)實(shí)已經(jīng)日益證明了這個(gè)預(yù)言的科學(xué)價(jià)值。學(xué)習(xí)馬克思主義這一思想，就要堅(jiān)持互利共贏的開(kāi)放戰(zhàn)略，不斷拓展同世界各國(guó)的合作，積極參與全球治理，同各國(guó)人民一道努力構(gòu)建人類命運(yùn)共同體，把世界建設(shè)得更加美好?！皹?gòu)建人類命運(yùn)共同體”是馬克思主義這一思想在當(dāng)今條件下的新境界。

2 無(wú)模型預(yù)測(cè)控制策略

2.1 超局部模型設(shè)計(jì)

構(gòu)建一階系統(tǒng)的超局部模型:

(3)

(4)

式中:kp和ki分別表示比