基于模糊自适应整定PID控制的逆变电源的研究

摘要：本文通过对逆变电源输出特性的分析，建立了单相SPWM逆变器的MATLAB仿真模型，提出一种模糊自适应整定PID的电压电流双闭环控制方案，通过与数字PID控制进行了仿真比较，结果表明模糊自适应整定PID控制应用在逆变电源中具有更好的稳态和动态输出特性以及更低的总谐波畸变率。

关键词：模糊PID控制 数字PID控制 逆变电源

中图分类号:TP273 +.4;TP391.9 文献标识码：A 文章编号：1007-9416(2012)02-0031-02

1、引言

电源系统是当代电子设备中必不可少的重要组成部分，随着电力电子技术的飞速发展和各行各业对电气设备控制性能要求的提高，逆变技术在许多领域的应用越来越广泛，对电源性能的要求也越来越高。[1]逆变电源系统可分为开环控制系统和闭环控制系统，而开环控制系统的输出在电网电压和负载突变时，稳定性不高控制效果不理想，应用的场合不广泛。当前通常采用闭环控制系统。为了使逆变系统性能更加稳定，在系统中引入滤波电感电流和电容电压形成双闭环控制，通过对输出电压电流反馈与参考信号比较控制波形稳定输出。早期的逆变闭环控制多采用数字PID控制，通过采样产生误差信号运用PID控制器进行调节，而当负载变化特别是非线性负载时，由于PID参数不易整定而导致控制性能不够理想使系统稳定性下降。

本文针对数字PID对于系统稳定性不高等问题，结合模糊自适应控制自整定PID参数，电压外环采用瞬时值的数字PI控制，主要抑制输出电压的畸变；电流内环采用模糊自适应整定PID控制，由于SPWM逆变器主要提供调速，不要求很高的响应速度，有比例环节改善响应速度已经足够，因此这里采用模糊PI控制，能够瞬时控制输出电压，对于非线性负载，尤其是输出电流波形失真小，提高了系统动态响应特性。

2、逆变电源控制方案的设计

图1为逆变等效电路模糊控制设计框图，如图所示，通过外环采样电容电压反馈信号与给定的电压参考信号比较产生误差信号通过PI控制调节作为给定电流参考信号，再与采样电感电流反馈信号比较产生误差信号，最后与固定频率的三角波载波比较产生SPWM控制脉冲作为开关管的门级脉冲驱动信号。[2]为了减少输出谐波含量，这里采用双极性SPWM调制，即使逆变桥中V1、V4与V2、V3两组对管高频互补通断。

3、模糊自适应整定PID控制器的设计

本文采用二维结构模糊控制器，以采样信号与参考信号的误差e和误差的变化ec为输入量，以控制量的变化为输出量，这样的模糊PID控制结构简单，动态控制性能良好。接下来对输入量进行模糊量化处理，把精确量模糊化得到模糊语言变量论域，进而得到误差量E和误差的微分量EC，其中控制器的输出量为Δkp和Δki，输入和输出变量的论域大致可分为七个模糊子集：负大（NB）、负中（NM）、负小（NS）、零（Z）、正小（PS）、正中（PM）、正大（PB）[3]。建立模糊规则的原则是使系统输出响应的动静态特性达到最佳：当误差大或较大时，选择控制量以尽快消除误差为主；当误差较小时，选择控制变量要以系统的稳定性为主，防止系统超调。因此通过仿真和实验设计可得到针对Δkp和Δki的模糊规则表[4]，如表1所示。

根据输出偏差e的大小、方向、变化趋势，及各个PID参数与模糊控制器输入量的关系，制定出各个参数的控制规则，通过模糊推理作出相应决策，输出修正值Δkp、Δki，从而实现PID参数的优化组合。模糊PID的模糊控制表由Δkp、Δki两个表组成，根据系统的偏差等参数，通过查表算的Δkp、Δki两个参数修正值，叠加在PID参数的初始设置值kp0、ki0上，得出本次的kp、ki参数的值[5]，如公式1所示。

其中模糊PID仿真初始值设为kp0=0.05，ki0=20。

4、逆变器控制电路的仿真研究

搭建逆变器控制方法研究的仿真主电路参数如下：滤波电感L=5mH，电容C=30μF，开关管的开关频率fs=10kHz，给定交流电压源峰值为311V，感性负载R=30Ω，L=1mH，输出电压有效值u=220V，频率f=50Hz。

逆变器主电路包括直流稳压电源模块、全桥MOSFET开关管逆变模块、电压电流采样模块、信号发生器模块等组成部分；电压外环采用Simulink模块库中的数字PID控制模块，电流内环采用自整定FuzzyController PID控制模块。仿真结果如图2所示。

如图2所示，自上而下依次为给定交流电压信号波形、感性负载电压输出波形、数字PID控制负载电流输出波形、模糊PID控制负载电流输出波形。由于负载为感性负载，因此负载电流滞后负载电压一个相位差。另外，感性负载在接通电源时会产生反电动势电压，电压会瞬时增大，而通过电压波形能够看出本实验可以有效遏制电压峰值及电流波形，从而延长逆变电源的使用寿命。因此由图可示，电压外环PID控制可控制负载电压稳定输出，而电流内环模糊自适应整定PID控制负载电流质量输出明显优于数字PID控制，总谐波失真度(THD)低、动态性能高。

5、结语

通过分析感性负载在逆变电源中不同闭环控制下的输出电压、电流波形，实验证明逆变电源在双闭环模糊自适应整定PID控制方法的可行性及优越性。

参考文献

[1]陆东良.基于重复控制的单片机SPWM逆变电源研究[D].成都:四川大学,2006:1

[2]孙鹏.基于单片机控制的太阳能逆变电源研究[D].大连:大连海事大学,2007:42-45

[3]李国勇.智能控制及其MATLAB实现[M].北京:电子工业出版社,2005:230-239

[4]刘金琨.先进PID 控制及其MATLAB仿真[M].北京:电子工业出版社,2004:67-70

[5]毕侠飞.基于模糊-PID控制的PMIG弧焊逆变电源主控系统研究[D].济南:山东大学,2008:36-37.