大功率紫外燈啟動的模型預測控制策略

祝 新，黃 鷺，顏川江，汪山林

(中國船舶重工集團公司第七二三研究所，江蘇 揚州225001)

大功率紫外燈啟動的模型預測控制策略

祝 新，黃 鷺，顏川江，汪山林

(中國船舶重工集團公司第七二三研究所，江蘇 揚州225001)

針對大功率紫外燈啟動的電流控制問題，提出了一種基于模型預測實現電子鎮流器的控制方法。首先建立了電子鎮流器的數學模型，以該模型為基礎構建了系統控制的預測模型，通過采樣經過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方程，以最優性能為指標，求解最優開關狀態，對電子鎮流器電路進行控制。仿真及實驗表明該模型預測控制器在紫外燈點火啟動過程中具有良好的動態性能，有效控制了電子鎮流器。

紫外燈；電子鎮流器；模型預測；平均狀態方程

0 引 言

船舶遠洋航行運輸中，未裝載適量貨物的船舶，為保持平衡會專門注入壓載水。在一地注入的壓載水中帶有大量的生物就會被帶到一個新的水域，可能對新水域的海洋物種造成侵襲和破壞，會造成環境和生態失衡；因此國際海事組織(IMO) 制定了相應的《國際船舶壓載水和外來生物控制和管理公約》，該公約于2017年9月生效。由此，對壓載水處理成為了一個研究的熱點。一種方法是將大功率紫外線用于輻射壓載水，進行殺菌滅活處理[1-4]。紫外線燈是典型的氣體放電燈，揮發性有機化合物的排放量很低。本方法較傳統的加藥法、電離法等其他處理方式具有無二次污染、滅活效果好等優勢。

由于紫外燈的伏安特性，在擊穿階段，當電壓升高到紫外燈的擊穿點時，紫外燈將在電子鎮流器的驅動下進行擊穿工作，強電場使電子產生速率加快，故此時燈管電阻從未擊穿時近似無窮迅速降到幾十歐姆甚至十幾歐姆，此時電子鎮流器的作用是保證紫外燈電流在一個合理的范圍內。

隨著對電子鎮流器的深入研究，其中以比例積分(PI)調解最為經典[5-6]，對電流電壓通過現行比例積分調節器實現追蹤控制。文獻[7]～[8]在電子鎮流器中應用了PI調節器，但是控制性能嚴重依賴PI調節器參數，在實際控制中很難保證動態、穩態性能最優。模型預測控制在近年來廣泛應用于電力電子控制領域，具有建模直觀、動靜態性能良好、動態響應快且針對非線性系統特性易于控制等優點，無需PI調節器。

本文介紹了一種基于模型預測[9-10]控制紫外燈點火啟動的方法，在點火啟動階段擊穿紫外燈，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，控制簡單，具有良好的動靜態特性。最后通過對比仿真及實驗驗證了本文設計的基于模型預測控制電子鎮流器的點火啟動方法的可行性和有效性。

1 電子鎮流器拓撲

紫外燈在啟動到穩態工作過程中，體現出強烈的非線性特性，特別在紫外燈被擊穿之后，其體現出負阻特性，電子鎮流器必須在這個過程中很好地控制紫外燈的電流。

電子鎮流器基本原理為：三相交流電經過濾波環節、全波整流環節后變為直流電，經過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，電子鎮流器在幾秒鐘之內輸出高壓方波擊穿紫外燈使其發光，之后電子鎮流器限制紫外燈擊穿電流，使其快速回到合理范圍。電子鎮流器拓撲如圖1所示。

圖1 電子鎮流器拓撲

電網電壓經過三相不控整流由交流變換為直流，輸出電壓為Ui。經過Buck電路對電流和電壓進行控制，根據電子鎮流器拓撲可設空間狀態方程為:

(1)

式中:iL為電感電流;Uo為輸出電壓。

設j=1時，表示Q1開通；j=2時，表示Q1關斷。

由Buck電路輸出的狀態方程為:

(2)

紫外燈電阻設為R，是一個可變電阻。Buck電路的占空比為d，滿足d∈[0,1],根據平均狀態方程，Buck電路的數學模型可描述為:

(3)

設T為采樣周期，如果采樣時間足夠小,可以認為x[k+1]≈x[k]，故將平均狀態方程(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時刻Buck電路的占空比。

通過上述公式推導可知，電感電流iL(k+1)與輸出Buck直流側輸出電壓Uo(k+1)預測值可通過采樣k時刻iL(k)、Uo(k)和濾波后的直流輸入電壓Ui(k)得到，進一步可得到d(k+1)。

2 電子鎮流器點火模型預測啟動

紫外燈點火啟動的電壓與電流由直流部分的Buck電路控制，使用模型預測控制Buck的電路的輸出值，通過H橋逆變對紫外燈進行點火。

假設函數:

z(k)=cx(k)

(5)

故預測的z(k+1)輸出為:

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

(6)

設目標函數為:

J=z(k+1)-zr=

cAdx(k)+cbdd(k)-zr

(7)

模型預測的控制框圖如圖2所示，紫外燈被擊穿前鎮流器的輸出近似于開路。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，在輸出端產生很高的電動勢用來對紫外燈進行點火啟動，通過模型預測可將輸出電壓Uo控制在給定的電壓Ur范圍內。

正常情況下，經過幾個周期變頻循環后，變壓器輸出電壓會升高到紫外燈的擊穿電壓。紫外燈被擊穿瞬間，為了保證負載的安全，需要快速將輸出電流控制在合理范圍內。采樣k時刻iL(k)、Uo(k)和濾波后的直流輸入電壓Ui(k)，通過目標函數對給定電流進行追蹤，選擇最優占空比進行輸出。此時二級逆變橋提供滿足負載的工作電流和電壓。

圖2 模型預測控制框圖

3 仿真與實驗研究

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，其冷態擊穿電壓在480～500 V之間，故采用整流之后無需升壓，在Matlab/Simulink中搭建了電子鎮流器的仿真模型對本文所提出的模型預測控制策略進行可行性驗證，仿真參數如表1所示。

表1 電子鎮流器環路參數

三相電壓經過濾波之后，經過Buck電路使其穩定在500 V，此時達到紫外燈擊穿電壓，在仿真中經過0.01 s紫外燈被擊穿，電流增加到40 A。從圖3(a)可見采用本文所提出的模型預測控制算法，能較快將電流控制在20 A左右，使電流穩定在紫外燈額定工作電流內。圖3(b)、(c)分別為紫外燈負載兩端的電流和電壓，電流穩定在20 A左右，電壓穩定在200 V左右，通過仿真可以驗證本文所提控制策略的可行性。

圖3 模型預測算法仿真圖

3.2 實驗驗證

大功率紫外燈數字電源系統的控制部分是系統的核心，控制芯片選用TI公司TMS320F28035數字信號處理器(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，主程序包括上電初始化程序、紫外燈運行控制程序、保護程序、顯示程序、I/O控制程序和通訊程序。

SYS/BIOS操作系統合理分配DSP的運算資源，實現控制算法。具體實現中，將采樣和控制設為優先級最高的流程，采用中斷方式處理，設計中采用脈寬調制(PWM)中斷觸發A/D采樣，采樣周期設定為100 μs；運行狀態監視、通訊、按鍵、刷新LCD顯示設為低優先級，主程序流程圖如圖5所示。

圖5 程序流程圖

圖6給出了樣機啟動階段實測電壓電流波形圖。其中1通道為電壓波形圖，2通道為電流波形圖。通過與圖3仿真波形圖對比，可以很清晰地看出兩者的趨勢一致，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 實測電壓和電流波形

4 結束語

本文在大功率紫外燈點火啟動的電流控制中提出了一種基于模型預測的控制電子鎮流器的方法。利用所建立的模型預測控制器，輸出PWM最優占空比對電子鎮流器電路進行控制，具有良好的動、靜態性能，方法簡單靈活，仿真和實驗均驗證了此策略的可行性和有效性。

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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