逆變電源的模糊自適應整定PID控制方案

　　1 引 言

　　隨著(zhù)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。他的主要研究目標是使被控量精確跟蹤參考量，并減小電力電子系統交流側的諧波畸變。為了獲得高質(zhì)量的正弦輸出電壓波形，人們將現代控制理論應用到逆變電源系統的控制中，提出了很多基于調制策略的控制方法。

　　PID控制是一種建立在經(jīng)典控制理論基礎上的控制策略，由于其結構簡(jiǎn)單、穩定性好、工作可靠、調整方便而成為工業(yè)控制的主要技術(shù)之一，長(cháng)期以來(lái)廣泛應用于工業(yè)過(guò)程控制的各個(gè)領(lǐng)域。然而，常規PID控制有許多不完善之處，如控制器的參數在整定好以后，一般不能隨著(zhù)控制系統的實(shí)時(shí)狀況而改變，動(dòng)態(tài)響應比較慢等。

　　本文將模糊自適應整定PID控制策略引入逆變電源控制，通過(guò)對被控對象的參數檢測，運用模糊推理，實(shí)現對PID參數的實(shí)時(shí)調整，以達到最佳控制效果。通過(guò)仿真實(shí)驗證明，模糊自適應整定PID控制改善了逆變電源系統的穩定性能，提高了輸出波形的質(zhì)量，使系統兼具良好的動(dòng)、靜態(tài)性能。

　　2 數學(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構圖。

　　當逆變器空載時(shí)，iO=0：

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

　　3 模糊自適應整定PID控制

　　3.1 模糊自適應整定PID控制器原理

　　人們運用模糊數學(xué)的基本理論方法，把規則的條件、操作用模糊集表示，并把這些模糊控制規則以及有關(guān)信息(如評價(jià)指標、初始PID參數等)作為知識存入計算機知識庫中，然后計算機根據控制系統的實(shí)際響應情況(即專(zhuān)家系統的輸入條件)，運用模糊推理，即可自動(dòng)實(shí)現對PID參數的最佳調整，這就是模糊自適應PID控制。模糊自適應PID控制器目前有多種結構形式，但其工作原理基本一致。模糊自適應PID控制器的結構圖如圖2所示。

　　由圖2可見(jiàn)，模糊控制由常規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(guò)他的輸入是偏差e和偏差變化率ec，輸出是△KP，△KI，△KD。PID參數模糊自整定是找出PID三個(gè)參數與偏差e和偏差變化率e之間的模糊關(guān)系，在運行中通過(guò)不斷檢測e和ec，根據模糊控制原理來(lái)對3個(gè)參數進(jìn)行在線(xiàn)修改，以滿(mǎn)足不同e和ec時(shí)對控制參數的不同要求，從而使被控對象有良好的動(dòng)、靜性能。

　　3.2 模糊自適應PID控制器的設計

　　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：負大(NB)、負中(NM)、負小(NS)、零(Z)、正小(PS)、正中(PM)、正大(PB)。模糊子集的隸屬函數均為等腰三角形。

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

　　3.3 PID參數在線(xiàn)自適應整定工作流程

　　模糊自適應整定PID是在PID的算法的基礎上，通過(guò)計算當前系統誤差e和誤差變化率ec，根據各模糊子集的隸屬度賦值表和各參數模糊控制模型，應用模糊推理，實(shí)時(shí)修正PID參數。其工作流程如圖3所示。

　　4 系統仿真及結果分析

　　基于以上分析，利用 Matlab／Simulink對本設計系統進(jìn)行了仿真?？刂破鞑捎秒x散S函數與Simulink模塊相結合的方式實(shí)現，控制器參數、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：開(kāi)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(guò)程中，分別使用模糊自適應整定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控制和模糊自適應整定PID控制時(shí)輸出電壓誤差的波形。由圖可見(jiàn)：在模糊自適應整定PID控制作用下逆變器的動(dòng)態(tài)響應速度快、超調小，輸出穩定后其幅值變化量很小，誤差值在±1.5 V之內。

　　圖6為模糊自適應整定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 語(yǔ)

　　本文提出了一種基于模糊自適應整定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。從仿真結果可以看出，模糊控制器的引入可以實(shí)時(shí)修改系統的控制參數，他系統獲得較常規PID控制更優(yōu)良的動(dòng)態(tài)性能。共快速的響應速度和強魯棒性說(shuō)明這種自適應模糊控制是一種具有實(shí)用價(jià)值的控制方案，滿(mǎn)足了逆變電源的控制要求。同時(shí)辦案控制器結構簡(jiǎn)單、編程方便、實(shí)時(shí)性好，易于在單片機和DSP上實(shí)現。