吳連波，張小龍，劉華青，許孔孔

（1.西安航天動(dòng)力測(cè)控技術(shù)研究所，陜西 西安 710025；2.空軍裝備部駐西安地區(qū)第八軍事代表室，陜西 西安 710025）

0 引 言

晶閘管整流技術(shù)在通信系統(tǒng)、交通運(yùn)輸、電力系統(tǒng)以及工業(yè)等領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用[1,2]。傳統(tǒng)的模擬觸發(fā)電路控制線路復(fù)雜，不易調(diào)試，可靠性低，且觸發(fā)信號(hào)精度不高，與預(yù)期波形相差較大。本文采用STM32F429微控制器作為數(shù)字化控制器，通過(guò)軟件調(diào)節(jié)觸發(fā)角，為晶閘管智能控制模塊提供控制信號(hào)，具有較高的精度。為更快、更好地實(shí)現(xiàn)對(duì)調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)，引入?yún)⒖嘉墨I(xiàn)[3]中介紹的調(diào)節(jié)器工程設(shè)計(jì)方法。該方法通過(guò)合理的近似化簡(jiǎn)方法，降低系統(tǒng)階次，以降低調(diào)節(jié)器的復(fù)雜程度。通過(guò)運(yùn)算放大器或數(shù)字化控制器實(shí)現(xiàn)精確的控制規(guī)律，進(jìn)而將系統(tǒng)校正為幾種特定的低階系統(tǒng)[4-9]。再結(jié)合總結(jié)的公式和圖表計(jì)算調(diào)節(jié)器參數(shù)，可快速實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)參數(shù)的設(shè)計(jì)[10]。

1 系統(tǒng)建模

系統(tǒng)由整流、濾波、負(fù)載、采樣以及控制等多個(gè)環(huán)節(jié)組成，建立控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型是分析和設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)的首要工作?，F(xiàn)主要對(duì)晶閘管整流裝置和控制系統(tǒng)的建模過(guò)程進(jìn)行分析。

1.1 晶閘管整流裝置特性分析與建模

晶閘管整流裝置傳遞函數(shù)當(dāng)做一階慣性環(huán)節(jié)處理后，能通過(guò)線性控制理論對(duì)其進(jìn)行分析和設(shè)計(jì)。

1.2 控制器設(shè)計(jì)建模

為降低設(shè)計(jì)的難度，根據(jù)設(shè)計(jì)過(guò)程中的規(guī)律，利用MATLAB中的非線性最小平方函數(shù)，按照最小平方指標(biāo)J=∫e2dt進(jìn)行PID參數(shù)尋優(yōu)，得到較優(yōu)的PID參數(shù)kp(比例)、ki（積分）、kd（微分），并在此基礎(chǔ)上再進(jìn)行NCD優(yōu)化，得到最終的kp、ki、kd。其中最小平方函數(shù)為：

1.3 基于NCD優(yōu)化仿真模型設(shè)計(jì)

結(jié)合上述方法對(duì)電壓電流反饋控制方式的晶閘管整流系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，采用Simulink工具箱建立控制系統(tǒng)仿真模型，如圖1所示。

圖1 電壓電流反饋控制晶閘管整流系統(tǒng)仿真模型

對(duì)NCD Output模塊按照表1進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，定義階躍響應(yīng)性能指標(biāo)、調(diào)整變量及相關(guān)參數(shù)、變量允許誤差。約束允許誤差，通過(guò)菜單中“Edit”下“Axes Properties”命令定義優(yōu)化時(shí)間和響應(yīng)范圍。設(shè)置優(yōu)化時(shí)間（X軸）為0～100 s，階躍響應(yīng)范圍（Y軸）為0～ 1.2。

表1 參數(shù)設(shè)定指標(biāo)

2 電壓電流反饋控制晶閘管整流系統(tǒng)仿真

ua、ub和uc構(gòu)成系統(tǒng)三相交流電源，每相電壓有效值為220 V。三相變壓器采用Y-Δ聯(lián)結(jié)組，變比為1.482，一次側(cè)電壓值為380 V，二次側(cè)電壓值為256 V。Universal Bridge為晶閘管構(gòu)成的三相全控整流橋，保持默認(rèn)設(shè)置不變。根據(jù)設(shè)計(jì)的電壓調(diào)節(jié)器傳遞函數(shù)，搭建了如圖2所示的電壓調(diào)節(jié)器（Automatic Voltage Regulator，AVR）仿真模型。

圖2 AVR子系統(tǒng)仿真結(jié)構(gòu)

根據(jù)設(shè)計(jì)的電流調(diào)節(jié)器傳遞函數(shù)，搭建如圖3所示的電流調(diào)節(jié)器（Automatic Current Regulator，ACR）仿真模型。

圖3 ACR系統(tǒng)仿真結(jié)構(gòu)

為驗(yàn)證仿真系統(tǒng)在電壓發(fā)生波動(dòng)時(shí)的控制效果，t=1.2 s時(shí)將ua、ub、uc三相交流電源的電壓有效值增加為230 V，當(dāng)t=1.8 s時(shí)將三相交流電源的電壓有效值恢復(fù)到220 V，獲得如下仿真結(jié)果。

負(fù)載兩端電壓Ud的波形如圖4所示，電壓波動(dòng)及穩(wěn)定時(shí)的波形如圖5和圖6所示，與電壓反饋控制方式的晶閘管整流系統(tǒng)相比系統(tǒng)超調(diào)量很小，但調(diào)節(jié)時(shí)間更長(zhǎng)。

圖4 負(fù)載兩端的電壓波形

圖5 電壓波動(dòng)波形

圖6 穩(wěn)定時(shí)電壓波形

晶閘管整流橋的輸出電流Id如圖7所示，穩(wěn)定時(shí)的細(xì)節(jié)如圖8所示。此時(shí)系統(tǒng)電流最大值為14 A，在系統(tǒng)允許范圍內(nèi)，電流反饋對(duì)晶閘管整流橋輸出電流起到明顯的調(diào)節(jié)作用。

圖7 輸出電流Id的波形

圖8 穩(wěn)定時(shí)Id波形細(xì)節(jié)

3 系統(tǒng)硬件平臺(tái)驗(yàn)證

對(duì)系統(tǒng)反饋環(huán)節(jié)和觸發(fā)環(huán)節(jié)進(jìn)行校準(zhǔn)后，測(cè)試實(shí)際系統(tǒng)的控制效果。測(cè)試時(shí)所選負(fù)載的阻值為45 Ω，受其額定電流限制，測(cè)試時(shí)設(shè)定輸出直流電壓為150 V。系統(tǒng)穩(wěn)定時(shí)，觸發(fā)角α=13°，獲得如圖9和圖10所示的結(jié)果。

圖9 電壓波形

圖10 穩(wěn)定時(shí)電壓波形

由圖10可知，輸出電壓最大值與最小值之差ΔUd=6.92 V。

穩(wěn)定時(shí)Id波形細(xì)節(jié)如圖11所示，電壓波動(dòng)時(shí)Ud波形如圖12所示，閉環(huán)控制系統(tǒng)對(duì)電源電壓波動(dòng)有較好的抑制效果，反饋控制可使被反饋量穩(wěn)定在期望值附近。

圖11 穩(wěn)定時(shí)Id波形細(xì)節(jié)

圖12 電壓波動(dòng)時(shí)Ud波形

4 結(jié) 論

本文在仿真環(huán)境下建立了NCD與優(yōu)化函數(shù)結(jié)合的整流控制系統(tǒng)仿真模型，并進(jìn)行了仿真。而后介紹了實(shí)際系統(tǒng)的調(diào)試過(guò)程，并對(duì)電壓反饋方式的控制效果進(jìn)行了測(cè)試。通過(guò)分析仿真和測(cè)試結(jié)果得出以下結(jié)論，即電壓、電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)對(duì)電流超調(diào)起到起到抑制作用，使晶閘管整流橋輸出電流Id在系統(tǒng)允許范圍內(nèi)。