大功率紫外灯启动的模型预测控制策略

祝 新，黄 鹭，颜川江，汪山林

(中国船舶重工集团公司第七二三研究所，江苏 扬州225001)

大功率紫外灯启动的模型预测控制策略

祝 新，黄 鹭，颜川江，汪山林

(中国船舶重工集团公司第七二三研究所，江苏 扬州225001)

针对大功率紫外灯启动的电流控制问题，提出了一种基于模型预测实现电子镇流器的控制方法。首先建立了电子镇流器的数学模型，以该模型为基础构建了系统控制的预测模型，通过采样经过三相不控整流和滤波之后的直流电压值和Buck电路的电感电流值建立平均状态方程，以最优性能为指标，求解最优开关状态，对电子镇流器电路进行控制。仿真及实验表明该模型预测控制器在紫外灯点火启动过程中具有良好的动态性能，有效控制了电子镇流器。

紫外灯；电子镇流器；模型预测；平均状态方程

0 引 言

船舶远洋航行运输中，未装载适量货物的船舶，为保持平衡会专门注入压载水。在一地注入的压载水中带有大量的生物就会被带到一个新的水域，可能对新水域的海洋物种造成侵袭和破坏，会造成环境和生态失衡；因此国际海事组织(IMO) 制定了相应的《国际船舶压载水和外来生物控制和管理公约》，该公约于2017年9月生效。由此，对压载水处理成为了一个研究的热点。一种方法是将大功率紫外线用于辐射压载水，进行杀菌灭活处理[1-4]。紫外线灯是典型的气体放电灯，挥发性有机化合物的排放量很低。本方法较传统的加药法、电离法等其他处理方式具有无二次污染、灭活效果好等优势。

由于紫外灯的伏安特性，在击穿阶段，当电压升高到紫外灯的击穿点时，紫外灯将在电子镇流器的驱动下进行击穿工作，强电场使电子产生速率加快，故此时灯管电阻从未击穿时近似无穷迅速降到几十欧姆甚至十几欧姆，此时电子镇流器的作用是保证紫外灯电流在一个合理的范围内。

随着对电子镇流器的深入研究，其中以比例积分(PI)调解最为经典[5-6]，对电流电压通过现行比例积分调节器实现追踪控制。文献[7]～[8]在电子镇流器中应用了PI调节器，但是控制性能严重依赖PI调节器参数，在实际控制中很难保证动态、稳态性能最优。模型预测控制在近年来广泛应用于电力电子控制领域，具有建模直观、动静态性能良好、动态响应快且针对非线性系统特性易于控制等优点，无需PI调节器。

本文介绍了一种基于模型预测[9-10]控制紫外灯点火启动的方法，在点火启动阶段击穿紫外灯，使电流迅速变大。此方法能有效控制电流上升速度，将其降低在一定范围内，控制简单，具有良好的动静态特性。最后通过对比仿真及实验验证了本文设计的基于模型预测控制电子镇流器的点火启动方法的可行性和有效性。

1 电子镇流器拓扑

紫外灯在启动到稳态工作过程中，体现出强烈的非线性特性，特别在紫外灯被击穿之后，其体现出负阻特性，电子镇流器必须在这个过程中很好地控制紫外灯的电流。

电子镇流器基本原理为：三相交流电经过滤波环节、全波整流环节后变为直流电，经过Buck变换电路及直流/交流(DC/AC)逆变电路，输出为交流方波电压，加到紫外灯两端。在工作时，电子镇流器在几秒钟之内输出高压方波击穿紫外灯使其发光，之后电子镇流器限制紫外灯击穿电流，使其快速回到合理范围。电子镇流器拓扑如图1所示。

图1 电子镇流器拓扑

电网电压经过三相不控整流由交流变换为直流，输出电压为Ui。经过Buck电路对电流和电压进行控制，根据电子镇流器拓扑可设空间状态方程为:

(1)

式中:iL为电感电流;Uo为输出电压。

设j=1时，表示Q1开通；j=2时，表示Q1关断。

由Buck电路输出的状态方程为:

(2)

紫外灯电阻设为R，是一个可变电阻。Buck电路的占空比为d，满足d∈[0,1],根据平均状态方程，Buck电路的数学模型可描述为:

(3)

设T为采样周期，如果采样时间足够小,可以认为x[k+1]≈x[k]，故将平均状态方程(3)离散化得到:

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

(4)

式中:Ad=eAT;bd=(eAT-1)A-1b1;d(k)为k时刻Buck电路的占空比。

通过上述公式推导可知，电感电流iL(k+1)与输出Buck直流侧输出电压Uo(k+1)预测值可通过采样k时刻iL(k)、Uo(k)和滤波后的直流输入电压Ui(k)得到，进一步可得到d(k+1)。

2 电子镇流器点火模型预测启动

紫外灯点火启动的电压与电流由直流部分的Buck电路控制，使用模型预测控制Buck的电路的输出值，通过H桥逆变对紫外灯进行点火。

假设函数:

z(k)=cx(k)

(5)

故预测的z(k+1)输出为:

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

(6)

设目标函数为:

J=z(k+1)-zr=

cAdx(k)+cbdd(k)-zr

(7)

模型预测的控制框图如图2所示，紫外灯被击穿前镇流器的输出近似于开路。由于高频变压器的电感存在，变压器在高频交流供电的情况下，在输出端产生很高的电动势用来对紫外灯进行点火启动，通过模型预测可将输出电压Uo控制在给定的电压Ur范围内。

正常情况下，经过几个周期变频循环后，变压器输出电压会升高到紫外灯的击穿电压。紫外灯被击穿瞬间，为了保证负载的安全，需要快速将输出电流控制在合理范围内。采样k时刻iL(k)、Uo(k)和滤波后的直流输入电压Ui(k)，通过目标函数对给定电流进行追踪，选择最优占空比进行输出。此时二级逆变桥提供满足负载的工作电流和电压。

图2 模型预测控制框图

3 仿真与实验研究

3.1 仿真分析

本文选择使用4 kW的紫外灯，额定电压为200 V，电流为20 A，其冷态击穿电压在480～500 V之间，故采用整流之后无需升压，在Matlab/Simulink中搭建了电子镇流器的仿真模型对本文所提出的模型预测控制策略进行可行性验证，仿真参数如表1所示。

表1 电子镇流器环路参数

三相电压经过滤波之后，经过Buck电路使其稳定在500 V，此时达到紫外灯击穿电压，在仿真中经过0.01 s紫外灯被击穿，电流增加到40 A。从图3(a)可见采用本文所提出的模型预测控制算法，能较快将电流控制在20 A左右，使电流稳定在紫外灯额定工作电流内。图3(b)、(c)分别为紫外灯负载两端的电流和电压，电流稳定在20 A左右，电压稳定在200 V左右，通过仿真可以验证本文所提控制策略的可行性。

图3 模型预测算法仿真图

3.2 实验验证

大功率紫外灯数字电源系统的控制部分是系统的核心，控制芯片选用TI公司TMS320F28035数字信号处理器(DSP)，控制硬件框图如图4所示。

图4 控制电路硬件框图

控制程序基于SYS/BIOS操作系统，主程序包括上电初始化程序、紫外灯运行控制程序、保护程序、显示程序、I/O控制程序和通讯程序。

SYS/BIOS操作系统合理分配DSP的运算资源，实现控制算法。具体实现中，将采样和控制设为优先级最高的流程，采用中断方式处理，设计中采用脉宽调制(PWM)中断触发A/D采样，采样周期设定为100 μs；运行状态监视、通讯、按键、刷新LCD显示设为低优先级，主程序流程图如图5所示。

图5 程序流程图

图6给出了样机启动阶段实测电压电流波形图。其中1通道为电压波形图，2通道为电流波形图。通过与图3仿真波形图对比，可以很清晰地看出两者的趋势一致，波形具有较高的相似性，这表明该算法具有有效性、可行性。

图6 实测电压和电流波形

4 结束语

本文在大功率紫外灯点火启动的电流控制中提出了一种基于模型预测的控制电子镇流器的方法。利用所建立的模型预测控制器，输出PWM最优占空比对电子镇流器电路进行控制，具有良好的动、静态性能，方法简单灵活，仿真和实验均验证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