逆變電源的模糊自適應整定PID控制方案

　　1 引 言

　　隨著人們對電質量要求的日益增高，電力電子交流波形精確控制技術成為電力電子技術的研究熱點之一。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(tǒng)交流側的諧波畸變。為了獲得高質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(tǒng)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典控制理論基礎上的控制策略，由于其結構簡單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調整方便而成為工業(yè)控制的主要技術之一，長期以來廣泛應用于工業(yè)過程控制的各個領域。然而，常規(guī)PID控制有許多不完善之處，如控制器的參數在整定好以后，一般不能隨著控制系統(tǒng)的實時狀況而改變，動態(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，通過對被控對象的參數檢測，運用模糊推理，實現對PID參數的實時調整，以達到最佳控制效果。通過仿真實驗證明，模糊自適應整定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量，使系統(tǒng)兼具良好的動、靜態(tài)性能。

　　2 數學模型

　　圖1為一個帶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，iO=0：

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

　　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)則以及有關信息(如評價指標、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(tǒng)的實際響應情況(即專家系統(tǒng)的輸入條件)，運用模糊推理，即可自動實現對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，模糊控制由常規(guī)PID控制部分和模糊推理兩部分組成，模糊推理部分實質就是一個模糊控制器，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參數模糊自整定是找出PID三個參數與偏差e和偏差變化率e之間的模糊關系，在運行中通過不斷檢測e和ec，根據模糊控制原理來對3個參數進行在線修改，以滿足不同e和ec時對控制參數的不同要求，從而使被控對象有良好的動、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個輸入變量e和ec及3個輸出變最△KP，△KI，△KD的論域均被劃分為7個模糊子集：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知識和實際操作經驗，建立合適的模糊控制規(guī)則表，得到針對△KP，△KI，△KD三個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(guī)則為：

　　3.3 PID參數在線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，通過計算當前系統(tǒng)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，實時修正PID參數。其工作流程如圖3所示。

　　4 系統(tǒng)仿真及結果分析

　　基于以上分析，利用 Matlab／Simulink對本設計系統(tǒng)進行了仿真?？刂破鞑捎秒x散S函數與Simulink模塊相結合的方式實現，控制器參數、控制上下限及采樣時間采用封裝的形式改定。仿真電路如圖4所示。

　　主要參數：開關頻率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整定PID控制和普通PID控制對逆變電路實施控制，對兩者的輸出電壓和誤差信號的波形進行對比，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控制時輸出電壓誤差的波形。由圖可見：在模糊自適應整定PID控制作用下逆變器的動態(tài)響應速度快、超調小，輸出穩(wěn)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

　　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時修改系統(tǒng)的控制參數，他系統(tǒng)獲得較常規(guī)PID控制更優(yōu)良的動態(tài)性能。共快速的響應速度和強魯棒性說明這種自適應模糊控制是一種具有實用價值的控制方案，滿足了逆變電源的控制要求。同時辦案控制器結構簡單、編程方便、實時性好，易于在單片機和DSP上實現。