開題報(bào)告(314版)講解

1、華中科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）開題報(bào)告華中科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）開題報(bào)告 題目：單相逆變器復(fù)合重復(fù)控制策略研究 院 系 自動(dòng)化學(xué)院 專業(yè)班級 自動(dòng)化1207班姓 名 李家敏學(xué) 號(hào) U201214634指導(dǎo)教師 彭剛 2016年3月14日開題報(bào)告填寫要求一、 開題報(bào)告主要內(nèi)容：1.課題來源、目的、意義。2.國內(nèi)外研究現(xiàn)況及發(fā)展趨勢。3.預(yù)計(jì)達(dá)到的目標(biāo)、關(guān)鍵理論和技術(shù)、主要研究內(nèi)容、完成課題的方案及主要措施。4.課題研究進(jìn)度安排。5.主要參考文獻(xiàn)。二、 報(bào)告內(nèi)容用小四號(hào)宋體字編輯，采用A4號(hào)紙雙面打印，封面與封底采用淺藍(lán)色封面紙（卡紙）打印。要求內(nèi)容明確，語句通順。三、 指導(dǎo)教師評語、教研室

2、（系、所）或開題報(bào)告答辯小組審核意見用藍(lán)、黑鋼筆手寫或小四號(hào)宋體字編輯，簽名必須手寫。四、 理、工、醫(yī)類要求字?jǐn)?shù)在3000字左右，文、管類要求字?jǐn)?shù)在2000 字左右。五、 開題報(bào)告應(yīng)在第八學(xué)期第二周之前完成。 選題依據(jù)及研究意義隨著各行各業(yè)自動(dòng)化水平及控制技術(shù)的發(fā)展和其對操作性能要求的提高，許多行業(yè)的用電設(shè)備（如通信電源、電弧焊電源、電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速器等）都不是直接使用交流電網(wǎng)作為電源，而是通過形式對其進(jìn)行變換而得到各自所需的電能形式，它們所使用的電能大都是通過整流和逆變組合電路對原始電能進(jìn)行變換后得到的。而且隨著電力電子技術(shù)的迅猛發(fā)展，逆變技術(shù)廣泛應(yīng)用于航空、航天、航海等國防領(lǐng)域和電力系統(tǒng)，交

3、通運(yùn)輸、郵電通信、工業(yè)控制等民用領(lǐng)域。特別是隨著石油、煤和天然氣等主要能源日益緊張，新能源的開發(fā)和利用越來越受到人們的重視。利用新能源的關(guān)鍵技術(shù)-逆變技術(shù)，能將蓄電池、太陽能電池和燃料電池等其他新能源轉(zhuǎn)化的直流電能變換成交流電能與電網(wǎng)并網(wǎng)發(fā)電。因此，逆變技術(shù)在新能源的開發(fā)和利用領(lǐng)域有著至關(guān)重要的地位?，F(xiàn)如今，逆變器的應(yīng)用非常廣泛，在已有的各種電源中，蓄電池、干電池、太陽能電池等都是直流電源，當(dāng)需要這些電源向交流負(fù)載供電時(shí)，就需要逆變。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人類對能源的需求激增，能源緊缺和環(huán)境污染問題日趨嚴(yán)重，開發(fā)利用新能源已經(jīng)成為世界各國的共識(shí)，這些新能源獲得的電能常常會(huì)運(yùn)用到逆變器。2 單

4、相逆變器2.1 逆變器的介紹及分類什么是逆變器呢？逆變器就是將直流轉(zhuǎn)化成交流的電路或者設(shè)備。逆變器一般采用的脈寬調(diào)制（PWM）技術(shù)，通過晶閘管或者開關(guān)管輸出一定占空比的高頻方波，無數(shù)高頻方波組合成完整的交流波形，同時(shí)反饋電路將輸出端電壓變化反饋到驅(qū)動(dòng)端，控制器根據(jù)反饋電壓對方波的占空比進(jìn)行微調(diào)，從而得到所需要頻率和電壓的交流電。目前逆變器主要用于兩類工業(yè)功率控制裝置中，一是恒壓恒頻逆變器，主要用于UPS電源、航空機(jī)載電源和機(jī)車輔助電源等應(yīng)用場合。這是一種當(dāng)負(fù)載或直流電源在一定范圍內(nèi)波動(dòng)時(shí)，能保持輸出以恒定電壓和恒定頻率的交流正弦波的電源裝置，稱為CVCF逆變器。二是變壓變頻逆變器，主要用于交流

5、調(diào)速系統(tǒng)中。這是一種可獲得所需要的電壓，電流和頻率的交流變壓變頻裝置，簡稱VVVF逆變器。按照交流用電負(fù)載與輸入直流電源隔離元件的工作頻率，逆變器又可分為低頻環(huán)節(jié)和高頻環(huán)節(jié)兩大類。按照輸出能量的去向，逆變器可分為無源逆變和并網(wǎng)逆變兩大類。逆變器就是一種將低壓（12或24伏）直流電（電池、蓄電瓶）轉(zhuǎn)變?yōu)?20伏交流電（一般為220v50HZ正弦或方波）的電子設(shè)備。因?yàn)槲覀兺ǔＪ菍?20伏交流電整流變成直流電來使用，而逆變器的作用與此相反，因此而得名。逆變器可以按輸出的相數(shù)分，可分為單相逆變器、三相逆變器和多相逆變器。一般火車上用單相逆變器是因火車上發(fā)的電是直流電，通過變頻和逆變器以后變單相交流電

6、，供日光燈用，所以火車上只有單相電源。因此火車上沒有三相電源 。與整流器的工作原理相反，逆變器是將直流轉(zhuǎn)換為交流，是整流過程的逆向，所以稱為逆變。由于實(shí)際應(yīng)用中許多電源發(fā)出的是直流電，但是許多負(fù)載需要得到和使用交流電，如電機(jī)和變壓器等。由于直流負(fù)載應(yīng)用范圍較小，所以直流供電不能適應(yīng)多樣性的負(fù)載，所以需要通過逆變器對直流電進(jìn)行變換。另外，隨著生產(chǎn)技術(shù)的進(jìn)步與發(fā)展，許多負(fù)載對交流電源有著特殊的要求，比如頻率的可調(diào)范圍很寬，或需要在小范圍內(nèi)保持恒定等，都是市電無法滿足的。逆變器除了本身的逆變功能外，還能夠自動(dòng)穩(wěn)壓，提高電能質(zhì)量。逆變器的分類有很多種，根據(jù)逆變原理的不同，可以將逆變器分為脈寬調(diào)制(PW

7、M)逆變器、自激振蕩型逆變器和階梯波疊加逆變器等。根據(jù)逆變器主回路拓?fù)涞牟煌?，分為全橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、半橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和推挽拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)等。根據(jù)輸出波形形狀不同:分為正弦波PWM逆變器、方波逆變器和階梯波逆變器。根據(jù)控制輸出波形類型不同分為電流跟蹤型逆變器和電壓跟蹤型逆變器。2.2 逆變器設(shè)計(jì)逆變器的主電路是逆變電路，而逆變電路中運(yùn)用到開關(guān)管，所以也需要驅(qū)動(dòng)電路，同時(shí)需要由SPWM產(chǎn)生電路來生產(chǎn)SPWM波來控制驅(qū)動(dòng)電路，而且由逆變器的輸出波形常常會(huì)有諧波，因此需要設(shè)計(jì)一個(gè)濾波電路來抑制諧波畸變。逆變電路根據(jù)直流側(cè)電源性質(zhì)不同可以分為兩種：直流側(cè)是電壓源的稱為電壓型逆變器；直流側(cè)是電流源的稱為電流型逆變器。我

8、們主要了解電壓型逆變電路的基本構(gòu)成，工作原理和特性。主要特點(diǎn)：1直流側(cè)為電壓源，或并聯(lián)有大電容，相當(dāng)于電壓源。直流側(cè)電壓基本無波動(dòng)，直流回路呈現(xiàn)低阻抗。2由于直流電壓源的鉗位作用，交流側(cè)輸出電壓波形為矩形波，并且與負(fù)載阻抗角無關(guān)。而交流側(cè)輸出電流波形和相位因負(fù)載阻抗情況不同而不同。3當(dāng)交流側(cè)為阻感負(fù)載時(shí)需要提供無功功率，直流側(cè)電容起緩沖無功能量的作用。為了給交流側(cè)向直流側(cè)反饋的無功能量提供通道，逆變橋各臂都并聯(lián)了反饋二極管。單相逆變器從電路結(jié)構(gòu)上常常分為三種：推挽電路，全橋電路和半橋電路。本次課設(shè)我們來設(shè)計(jì)單相全橋逆變電路。圖1 單相全橋逆變電路圖1，它共有4個(gè)橋臂，可以看成由兩個(gè)半橋電路組成

9、。把橋臂1和4作為一對，橋臂2和3作為一對，成對的兩個(gè)橋臂同時(shí)導(dǎo)通，兩對交替導(dǎo)通180o。全橋電路相對于其它兩種結(jié)構(gòu)具有以下優(yōu)點(diǎn):全橋電路開關(guān)管在穩(wěn)態(tài)時(shí)最大電壓等于輸入直流電壓，暫態(tài)尖峰電壓被鉗位于輸入電壓，比推挽電路要小一半，便于開關(guān)管的選擇，也能夠輸出較大的功率;鉗位二極管能將漏感儲(chǔ)能回饋給輸入電容，可以提高效率。因此，本文將選用以單相全橋?yàn)槟孀冎麟娐吠負(fù)?，輸出?jīng)LC濾波的形式，如圖2所示。 圖2 逆變電路和LC濾波SPWM波及其原理SPWM 用輸出的正弦信號(hào)作為調(diào)制波, 用高頻三角波作為載波, 控制逆變器的一個(gè)橋臂的上、下兩個(gè)開關(guān)管導(dǎo)通與關(guān)斷。如果在半個(gè)正弦周期內(nèi), 只有上( 下) 橋臂

10、的開關(guān)管反復(fù)通斷, 下( 上) 橋臂開關(guān)管動(dòng)作, 則稱為單極式SPWM。如果在整個(gè)周期內(nèi), 上、下橋臂的開關(guān)管交替導(dǎo)通與關(guān)斷, 即上通下斷和上斷下通的狀態(tài)反復(fù)切換, 則稱為雙極式SPWM。下圖3給出了雙極式SPWM的原理示意圖。當(dāng)載波與調(diào)制波相交時(shí), 由該交點(diǎn)確定逆變器一個(gè)橋臂開關(guān)器件的開關(guān)動(dòng)作時(shí)刻及開關(guān)通斷狀態(tài), 獲得一系列寬度不等的正負(fù)矩形脈沖電壓波形。該脈沖序列的特點(diǎn)是等幅不等寬, 其寬度按正弦規(guī)律變化;在正弦波半個(gè)周期內(nèi), 正負(fù)脈沖的面積總和與正弦波的面積相等。SPWM 調(diào)制的理論基礎(chǔ)是面積等效原則, 圖中橫軸代表時(shí)間, 因此SPWM 的理論依據(jù)實(shí)際是時(shí)間平均等效原理 。當(dāng)脈沖數(shù)足夠多

11、時(shí), 可以認(rèn)為逆變器輸出電壓的基波幅值和調(diào)制波幅值是相等的, 即SPWM逆變器輸出的脈沖波的基波幅值就是調(diào)制時(shí)要求的等效正弦波。圖3 spwm波產(chǎn)生原理圖Spwm波的產(chǎn)生常常需要一定的脈寬調(diào)制器件，我們這里只了解其工作流程圖，如圖4所示 圖4 spwm波產(chǎn)生流程功率器件的選擇逆變電源的功率元件的選擇全關(guān)重要，目前使用較多的功率元件有巨型晶體管(GTR ) ,功率場效應(yīng)管(MOSFET )、絕緣柵晶體管(IGBT)和可關(guān)斷晶閘管(GTO)、靜電感應(yīng)晶體管( SIT)等。GTR飽和壓降低，載流密度大，但驅(qū)動(dòng)電流較大。在小容量低壓系統(tǒng)中使用較多的器件為MOSFET，因?yàn)镸OSFET驅(qū)動(dòng)功率很小，開關(guān)

12、速度快，但導(dǎo)通壓降大，載流密度小，具有較低的通態(tài)壓降和較高的開關(guān)頻率，MOSFET隨著電壓的升高其通態(tài)電阻也隨之增大。IGBT綜合了GTR和MOSFET的優(yōu)點(diǎn)，驅(qū)動(dòng)功率小而飽和壓降低，在高壓大容量系統(tǒng)中一般均采用IGBT模塊，而IGBT在中容量系統(tǒng)中占有較大的優(yōu)勢，而在特大容量(100KVA以上)系統(tǒng)中，一般均采用GTO作為功率元件。SIT是一種多子導(dǎo)電的器件，其工作頻率與電力MOSFET相當(dāng)，甚至超過電力MOSFET，而功率容量也比電力MOSFET大，因而適用于高頻大功率場合。IGBT是近年來發(fā)展最快的一種功率電子器件，已廣泛應(yīng)用于工業(yè)、家電等各個(gè)領(lǐng)域。鑒于IGBT驅(qū)動(dòng)功率小、開關(guān)速度快、導(dǎo)

13、通壓降小的特點(diǎn)，對提高效率能起到非常重要的作用，本課題研究選用IGBT作為功率開關(guān)元件。3常用控制策略31 PID控制PID控制是目前工業(yè)控制領(lǐng)域運(yùn)用最廣泛的一種經(jīng)典控制算法，其主要思想是對系統(tǒng)誤差進(jìn)行比例、積分和微分運(yùn)算，進(jìn)而求出相應(yīng)控制量施與特定控制對象。如圖5所示：圖5 PID控制圖對于連續(xù)系統(tǒng)，誤差e(t)與e(t)經(jīng)比例、積分和微分控制后的輸出u(t)之間的關(guān)系可由下式表示:U(t)=KCe(t)+1Ti0te(t)dt+Tdde(t)dt (1)3.2重復(fù)控制重復(fù)控制理論是由自動(dòng)控制理論中的內(nèi)模原理發(fā)展而來。內(nèi)模原理是指:一個(gè)控制系統(tǒng)，若控制器的反饋來自被控信號(hào)，且反饋回路中包含被

14、控信號(hào)的動(dòng)態(tài)模型，這個(gè)系統(tǒng)就可以無靜差地跟蹤系統(tǒng)的參考信號(hào)。逆變器可被看做一個(gè)正弦參考信號(hào)的隨動(dòng)系統(tǒng)，即逆變器的輸出電壓一直跟蹤給定的參考正弦信號(hào)。因此，為了無靜差跟蹤逆變器的參考正弦波信號(hào)，就需要在控制器內(nèi)部反饋回路中嵌入一個(gè)和參考信號(hào)相同頻率的正弦波信號(hào)的數(shù)學(xué)模型。然而，非線性負(fù)載和死區(qū)效應(yīng)因素都會(huì)使得輸出波形中包含許多高次諧波。因此，在多種擾動(dòng)因素的影響下，分別針對每一次諧波設(shè)置相應(yīng)頻率的內(nèi)模就復(fù)雜且難于實(shí)現(xiàn)。但是，雖然在非線性負(fù)載和死區(qū)效應(yīng)等因素作用下擾動(dòng)信號(hào)頻率有多種，但其皆有著共同的特征:即在每一個(gè)基波周期內(nèi)這些干擾信號(hào)都會(huì)按照相同的波形不斷重復(fù)出現(xiàn)。所以，采用相應(yīng)的重復(fù)內(nèi)模就能無

15、靜差地跟蹤參考指令同時(shí)消除各種擾動(dòng)帶來的波形畸變?；舅枷胧羌俣ㄇ耙换ㄖ芷谥谐霈F(xiàn)的畸變將在下一基波周期的同一時(shí)間重復(fù)出現(xiàn)，控制器根據(jù)每個(gè)開關(guān)周期給定信號(hào)與反饋信號(hào)的誤差來確定所需的矯正信號(hào)。然后在下一基波周期的同一時(shí)間，將此信號(hào)疊加在原控信號(hào)上，以消除以后各周期中將出現(xiàn)的重復(fù)性畸變，為提高對指令的快速度響應(yīng)，可以加入前饋控制。重復(fù)控制算法簡單，只需對輸出電壓進(jìn)行采樣，就能使逆變器在周期性擾動(dòng)下獲得低THD（總諧波畸變）的穩(wěn)態(tài)輸出波形，但由于在重復(fù)控制器內(nèi)存在著基波周期延遲環(huán)節(jié)，輸出是逐周期進(jìn)行調(diào)節(jié)的。在負(fù)載跳躍變化的第一個(gè)基波周期內(nèi)，重復(fù)控制不產(chǎn)生任何調(diào)節(jié)作用，幾乎處于開環(huán)狀態(tài)，動(dòng)態(tài)響應(yīng)較差

16、。此外，若擾動(dòng)是非周期性的重復(fù)控制將增大輸出電壓的誤差。根據(jù)上述分析，重復(fù)控制能無靜差地跟蹤周期參考信號(hào)，提高控制系統(tǒng)抑制周期性擾動(dòng)的能力，減小穩(wěn)態(tài)誤差。但是由于重復(fù)內(nèi)模本身存在的滯后性，使得控制信號(hào)后一個(gè)基波周期輸出,，這樣就會(huì)影響控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。所以一般情況下，會(huì)將重復(fù)控制與動(dòng)態(tài)響應(yīng)較快的控制算法結(jié)合起來，在減小系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差的同時(shí)提高動(dòng)態(tài)性能。重復(fù)控制框圖如圖6所示圖6重復(fù)控制器框圖3.3復(fù)合重復(fù)控制復(fù)合重復(fù)控制在本次課設(shè)中將PID控制和重復(fù)控制兩種控制策略復(fù)合起來使用，通過調(diào)節(jié)參數(shù)來綜合兩種控制策略的優(yōu)點(diǎn)，并最大化的規(guī)避兩種控制策略的缺點(diǎn)，取長補(bǔ)短，追求更好的動(dòng)態(tài)性能和靜態(tài)性能。如圖

17、7所示圖7 基于PID控制和重復(fù)控制的復(fù)合重復(fù)控制框圖4 MATLAB介紹與GUI人機(jī)交互MATLAB的名稱源自MATRIXLABORATORY，它是一種科學(xué)計(jì)算軟件，專門以矩陣的形式處理數(shù)據(jù)。MATLAB將高性能的數(shù)值計(jì)算和可視化集成在一起，并提供了大量的內(nèi)置函數(shù)，從而被廣泛地應(yīng)用于科學(xué)計(jì)算、控制系統(tǒng)、信息處理等領(lǐng)域的分析、仿真和設(shè)計(jì)工作，而且利用MATLAB產(chǎn)品的開放式結(jié)構(gòu)，可以非常容易地對MATLAB的功能進(jìn)行擴(kuò)充，從而在不斷深化對問題認(rèn)識(shí)的同時(shí)，不斷完善MATLAB產(chǎn)品以提高產(chǎn)品自身的競爭能力。MATLAB主要包括MATLAB和SIMULINK兩大部分。MATLAB的優(yōu)勢主要有四個(gè)方面

18、：1高效的數(shù)值計(jì)算及符號(hào)計(jì)算功能，能使用戶從繁雜的數(shù)學(xué)運(yùn)算分析中解脫出來；2具有完備的圖形處理功能，實(shí)現(xiàn)計(jì)算結(jié)果和編程的可視化；3友好的用戶界面及接近數(shù)學(xué)表達(dá)式的自然化語言，使學(xué)者易于學(xué)習(xí)和掌握；4功能豐富的應(yīng)用工具箱(如信號(hào)處理工具箱、通信工具箱等) ，為用戶提供了大量方便實(shí)用的處理工具。 對于圖像處理來說，MATLAB有著巨大的優(yōu)勢，MATLAB制作GUI界面是十分簡單的。什么是GUI呢 ? GUI是GRAPHICAL USER INTERFACE 圖形用戶界面的意思。象很多高級編程語言一樣。MATLAB也有圖形用戶界面開發(fā)環(huán)境。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展。人與計(jì)算機(jī)的通信方式也發(fā)生的很大的

19、變化。從原來的命令行通訊方式（例如很早的DOS系統(tǒng)）變化到了現(xiàn)在的圖形界面下的交互方式。而現(xiàn)在絕大多數(shù)的應(yīng)用程序都是在圖形化用戶界面下運(yùn)行的。大致操作是這樣的：輸入行輸入guide，然后會(huì)彈出一個(gè)界面，create new gui下選擇blank gui會(huì)創(chuàng)建一個(gè)空的gui，同時(shí)也要注意保存路徑，彈出新界面的左邊會(huì)有很多控件（如按鈕鍵，在左邊點(diǎn)擊ok按鈕，將其拖到右邊界面，會(huì)出現(xiàn)一個(gè)按鈕，雙擊該按鈕，會(huì)出現(xiàn)屬性界面，在該界面可以修改該按鈕的各種屬性。）5 實(shí)施計(jì)劃（1）、查閱大量資料，弄清單相逆變器工作原理系統(tǒng)組成和關(guān)鍵技術(shù)掌握SPWM波生成原理。（2）、設(shè)計(jì)SPWM全橋逆變電路。（3）、了解

20、MATLAB并熟練運(yùn)用SIMULINK來仿真。（4）、分析PID控制，重復(fù)控制，及復(fù)合重復(fù)控制的異同及優(yōu)缺點(diǎn)。（5）、運(yùn)用MATLAB進(jìn)行仿真。（6）、焊接逆變電路。（5）、撰寫畢業(yè)設(shè)計(jì)論文。大體的進(jìn)度安排如下：第一階段 2015.3.1前完成文獻(xiàn)翻譯、系統(tǒng)概要設(shè)計(jì)和開篇報(bào)告。第二階段 2015.3.12015.4.1設(shè)計(jì)具體電路，掌握小型單相逆變器系統(tǒng)組成和關(guān)鍵技術(shù)。設(shè)計(jì)SPWM全橋逆變電路。運(yùn)用matlab進(jìn)行仿真。第三階段 2015.4.12015.5.1根據(jù)設(shè)計(jì)電路進(jìn)行電路板的燒制。第四階段 2015.5.12015.5.25查漏補(bǔ)缺，以及完善前面各項(xiàng)工作。第五階段 2015.5.25

21、答辯撰寫論文及準(zhǔn)備答辯。 6 參考文獻(xiàn)1 Y Y Tzou, R S.Ou, and S.-L.Jung, et al. High-Performance Programmable AC Power Source with Low Harmonic Distortion Using DSP-Based Repetitive Control Technique. IEEE Trans.on Power Electronics, 1997, 12 (4): 715-7252 Liang Zhou, Xiong Jian, Kai Zhang. Improved Dual-loop Control Plus Repetitive Control for PWM invertersA. Industrial Electronics and Applications, 2006 1st IEEE ConferenceC. 2006: 1-53 Yeh S, Tzou Y. Adaptive Repetitive Control of A PWM Inverter For AC Voltage Regulation With Low Harmonic Distortion. PESC.