逆變電源的模糊自適應(yīng)整定PID控制方案

　　1 引 言

　　隨著人們對電質(zhì)量要求的日益增高，電力電子交流波形精確控制技術(shù)成為電力電子技術(shù)的研究熱點(diǎn)之一。他的主要研究目標(biāo)是使被控量精確跟蹤參考量，并減小電力電子系統(tǒng)交流側(cè)的諧波畸變。為了獲得高質(zhì)量的正弦輸出電壓波形，人們將現(xiàn)代控制理論應(yīng)用到逆變電源系統(tǒng)的控制中，提出了很多基于調(diào)制策略的控制方法。

　　PID控制是一種建立在經(jīng)典控制理論基礎(chǔ)上的控制策略，由于其結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便而成為工業(yè)控制的主要技術(shù)之一，長期以來廣泛應(yīng)用于工業(yè)過程控制的各個(gè)領(lǐng)域。然而，常規(guī)PID控制有許多不完善之處，如控制器的參數(shù)在整定好以后，一般不能隨著控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)狀況而改變，動(dòng)態(tài)響應(yīng)比較慢等。

　　本文將模糊自適應(yīng)整定PID控制策略引入逆變電源控制，通過對被控對象的參數(shù)檢測，運(yùn)用模糊推理，實(shí)現(xiàn)對PID參數(shù)的實(shí)時(shí)調(diào)整，以達(dá)到最佳控制效果。通過仿真實(shí)驗(yàn)證明，模糊自適應(yīng)整定PID控制改善了逆變電源系統(tǒng)的穩(wěn)定性能，提高了輸出波形的質(zhì)量，使系統(tǒng)兼具良好的動(dòng)、靜態(tài)性能。

　　2 數(shù)學(xué)模型

　　圖1為一個(gè)帶LC濾波器的單相全橋逆變器的主電路結(jié)構(gòu)圖。

　　當(dāng)逆變器空載時(shí)，iO=0：

　　由于濾波電感等效內(nèi)阻R很小，此時(shí)逆變器可近似認(rèn)為是一無阻尼二階振蕩環(huán)節(jié)。

　　3 模糊自適應(yīng)整定PID控制

　　3.1 模糊自適應(yīng)整定PID控制器原理

　　人們運(yùn)用模糊數(shù)學(xué)的基本理論方法，把規(guī)則的條件、操作用模糊集表示，并把這些模糊控制規(guī)則以及有關(guān)信息(如評價(jià)指標(biāo)、初始PID參數(shù)等)作為知識存入計(jì)算機(jī)知識庫中，然后計(jì)算機(jī)根據(jù)控制系統(tǒng)的實(shí)際響應(yīng)情況(即專家系統(tǒng)的輸入條件)，運(yùn)用模糊推理，即可自動(dòng)實(shí)現(xiàn)對PID參數(shù)的最佳調(diào)整，這就是模糊自適應(yīng)PID控制。模糊自適應(yīng)PID控制器目前有多種結(jié)構(gòu)形式，但其工作原理基本一致。模糊自適應(yīng)PID控制器的結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

　　由圖2可見，模糊控制由常規(guī)PID控制部分和模糊推理兩部分組成，模糊推理部分實(shí)質(zhì)就是一個(gè)模糊控制器，只不過他的輸入是偏差e和偏差變化率ec，輸出是△KP，△KI，△KD。PID參數(shù)模糊自整定是找出PID三個(gè)參數(shù)與偏差e和偏差變化率e之間的模糊關(guān)系，在運(yùn)行中通過不斷檢測e和ec，根據(jù)模糊控制原理來對3個(gè)參數(shù)進(jìn)行在線修改，以滿足不同e和ec時(shí)對控制參數(shù)的不同要求，從而使被控對象有良好的動(dòng)、靜性能。

　　3.2 模糊自適應(yīng)PID控制器的設(shè)計(jì)

　　模糊控制器的輸入為誤差e和誤差變化率ec，輸出為△KP，△KD，△KD本文2個(gè)輸入變量e和ec及3個(gè)輸出變最△KP，△KI，△KD的論域均被劃分為7個(gè)模糊子集：負(fù)大(NB)、負(fù)中(NM)、負(fù)小(NS)、零(Z)、正小(PS)、正中(PM)、正大(PB)。模糊子集的隸屬函數(shù)均為等腰三角形。

　　模糊控制設(shè)計(jì)的核心是總結(jié)工程設(shè)計(jì)人員的技術(shù)知識和實(shí)際操作經(jīng)驗(yàn)，建立合適的模糊控制規(guī)則表，得到針對△KP，△KI，△KD三個(gè)參數(shù)分別整定的模糊控制表，如表1～表3所示。所以采用的控制規(guī)則為：

　　3.3 PID參數(shù)在線自適應(yīng)整定工作流程

　　模糊自適應(yīng)整定PID是在PID的算法的基礎(chǔ)上，通過計(jì)算當(dāng)前系統(tǒng)誤差e和誤差變化率ec，根據(jù)各模糊子集的隸屬度賦值表和各參數(shù)模糊控制模型，應(yīng)用模糊推理，實(shí)時(shí)修正PID參數(shù)。其工作流程如圖3所示。

　　4 系統(tǒng)仿真及結(jié)果分析

　　基于以上分析，利用 Matlab／Simulink對本設(shè)計(jì)系統(tǒng)進(jìn)行了仿真。控制器采用離散S函數(shù)與Simulink模塊相結(jié)合的方式實(shí)現(xiàn)，控制器參數(shù)、控制上下限及采樣時(shí)間采用封裝的形式改定。仿真電路如圖4所示。

　　主要參數(shù)：開關(guān)頻率3 kHz。采樣頻率10 kHz；輸入電源為直流500 V；輸出為正弦交流電壓，電壓值位220 V，頻率50 Hz；輸出濾波電感、濾波電容分別為40 mH，100μF。

　　在電路仿真過程中，分別使用模糊自適應(yīng)整定PID控制和普通PID控制對逆變電路實(shí)施控制，對兩者的輸出電壓和誤差信號的波形進(jìn)行對比，仿真結(jié)果如圖5所示。

　　圖5(a)和5(b)分別為普通PID控制和模糊自適應(yīng)整定PID控制時(shí)輸出電壓波形；圖5(c)和圖5(d)分別為普通PID控制和模糊自適應(yīng)整定PID控制時(shí)輸出電壓誤差的波形。由圖可見：在模糊自適應(yīng)整定PID控制作用下逆變器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快、超調(diào)小，輸出穩(wěn)定后其幅值變化量很小，誤差值在±1.5 V之內(nèi)。

　　圖6為模糊自適應(yīng)整定PID控制時(shí)輸出電壓的諧波分析。這里只分析到25次諧波，總諧波畸變率THD＜3%。

　　5 結(jié) 語

　　本文提出了一種基于模糊自適應(yīng)整定PID控制策略的逆變電源控制方案，并進(jìn)行了理論分析和Matlab/Simulink仿真。從仿真結(jié)果可以看出，模糊控制器的引入可以實(shí)時(shí)修改系統(tǒng)的控制參數(shù)，他系統(tǒng)獲得較常規(guī)PID控制更優(yōu)良的動(dòng)態(tài)性能。共快速的響應(yīng)速度和強(qiáng)魯棒性說明這種自適應(yīng)模糊控制是一種具有實(shí)用價(jià)值的控制方案，滿足了逆變電源的控制要求。同時(shí)辦案控制器結(jié)構(gòu)簡單、編程方便、實(shí)時(shí)性好，易于在單片機(jī)和DSP上實(shí)現(xiàn)。