模糊控制在靜電除塵高頻高壓電源中的應用研究

楊 煒， 曾慶軍， 陳 峰

（1.江蘇科技大學 電信學院，江蘇 鎮江 212003；2.鎮江天力變壓器有限公司 江蘇 句容 212400）

隨著工業的不斷發展，大氣污染越來越得到人們的重視，尤其是近年來PM2.5的提出，對工業除塵技術提出了更高要求[1]。其中，高頻高壓靜電除塵器在工業除塵中起到了不可替代的作用。高頻高壓靜電除塵器的工作原理是使產生的煙氣帶正電荷，然后煙氣進入設置多層陰極板的電除塵器通道[2-3]。由于靜電作用從而達到除塵目的。目前，國內高壓靜電除塵設備控制方式主要為基于PID控制的電壓控制方式。但在實際使用中發現由于除塵器控制系統為滯后系統，工作時環境復雜，系統受非線性因素影響大，無法得到精準的數學模型。使得傳統的PID控制器面臨控制參數難以選定，不能在線對系統采取跟蹤調節等缺點[4]。模糊控制作為智能控制的一種，其基本思想為將人工專家經驗通過模糊控制器轉化為控制規則，有效解決系統非線性，難以確定精確數學模型等控制問題[5]。

文中采用模糊控制的方法，實現對輸出電壓的調節，應用MATLAB構建系統模型，通過仿真實驗實現對系統的模糊控制，通過與PID控制的對比，表明模糊控制兼顧了除塵效率和節約能耗的優點，達到了改善電源系統的控制特性的目的。

1 除塵用高頻高壓電源控制系統結構框圖

如圖1所示，三相380 V市電經三相濾波器后通過整流得到530 V直流電壓，再經過逆變電路后得到20 kHZ高頻交流電，最后由高頻變壓器升壓并高壓硅堆整流后輸出高頻高壓直流電壓，送至除塵器本體。在控制周期內，采集得到電源的輸出電壓，通過控制單元與給定電壓的比較，調節PWM波的頻率和占空比來控制IGBT的開通與關斷，從而實現對輸出諧振電壓電流的大小的控制。

2 系統控制器的設計

2.1 PID控制器的設計

傳統PID控制根據給定電壓值與輸出電壓值的誤差，采用增量式PID控制方式，控制單元計算出新的PWM波的頻率驅動IGBT，從而得到調節后的輸出電壓。控制系統如圖2所示[6]。

由于無法得到系統的數學模型，PID參數采取多次試湊的方式取得，首先令PID中的積分，微分系數為零，使比例參數由大到小變化，尋找系統階躍響應快，超調較小的值。確定比例參數后，積分參數從大到小變化消除系統靜差，在調節積分參數的同時適當調整比例參數以使加入積分環節后系統動態響應不變差。最終得到PID參數為：比例參數KP=1.5；積分參數KI=0.03；微分參數KD=0。

由simulink構建高頻電源控制系統后，經PID調節后與開環時比較如圖3，圖4所示。

圖1 電源控制系統結構框圖Fig.1 Control system structure diagram of ESP

圖2 PID控制系統框圖Fig.2 Control system structure diagram with PID

圖3 開環輸出電壓曲線Fig.3 Open-loop output curve

圖4 PID控制輸出電壓曲線Fig.4 PID controller output curve

由圖可知，經PID調節后，系統響應時間更快，最終輸出電壓大小增大，達到節約能耗，增加電源輸出功率的目的。但是由于系統的多變性和非線性，使得一旦電源系統負載發生變化，PID控制器就會有很大的滯后性，所以常規PID控制器無法滿足實際系統的需求。

2.2 模糊控制器的設計

基于上述PID控制器的缺點，采用模糊邏輯的控制方法，實現在線自動調節系統的輸出電壓，達到控制效果。為簡化程序結構，提高控制效率，文中采用二位模糊控制器，輸入變量為電壓偏差e及電壓偏差變化率ec，模糊控制器控制結構如圖5所示[7]。

圖5 模糊控制系統框圖Fig.5 Control system structure diagram with fuzzy

根據實際電場實驗數據，除塵電源最終輸出電壓物理論域 Uj=[0，70 000]（V），電壓變化為[-250，250]（V/t）由此，設計模糊控制器輸入變量電壓偏差e的模糊論域為[-1，1]，量化因子ke=2/70 000，輸入變量電壓偏差變化率ec的模糊論域為[-0.1，0.1]，量化因子Kec=0.2/500。輸出變量u的物理論域為[-0.5，0.5]，模糊論域均為[-1，1]，比例因子 Ku=0.7。

其中，輸入變量e模糊論域里覆蓋變量的模糊子集為：negative（偏高）；zero（正好）；pocitive（偏低），輸入變量 ec 模糊論域里覆蓋變量的模糊子集為：negative（偏高）；zero（正好）；pocitive（偏低），輸出變量u模糊論域里覆蓋變量的模糊子集為：close-fast （快降）；close-slow （慢降）；no-change （不變）；open-slow（慢升）；open-fast（快升）。

依據現場實際數據及專家經驗，選取各模糊子集如表1所示。

表1 輸入變量，輸出變量的模糊子集設定值Tab.1 Set value of fuzzy subset for input and output variable

根據現場實驗數據及人工操作經驗，總結出調節輸出電壓的規則為：

1）如果電壓偏低，則快速升壓；

2）如果電壓正好，則電壓調節量為零；

3）如果電壓偏高，則快速降壓；

4）如果電壓正好而電壓偏差較小，則緩慢升壓；

5）如果電壓正好而電壓偏差較大，則緩慢降壓。

最后在simulink仿真中加入模糊控制器模塊，如圖6所示。

3 仿真結果及分析

圖6 電壓模糊控制模塊Fig.6 Fuzzy controller of output voltage

仿真時初始PWM波頻率為3.5 kHz，占空比為0.35，輸出電壓比較值為70 000 V，構建除塵電源模糊控制系統如圖7所示。

仿真結果與PID調節結果對比如圖8，圖9所示。

圖7 模糊控制simulink仿真圖Fig.7 Control system structure diagram in simulink with fuzzy

圖8 PID輸出電壓曲線Fig.8 PID controller output curve

由圖知，相比PID調節，模糊控制器很好地實現了電壓的三折線升壓過程，由快速上升到緩慢上升最終達電壓預設值，有效克服了PID控制無法適應系統多變性和非線性的缺點。

4 結 論

由上述仿真曲線可以表明，模糊控制器通過實際電場數據和專家經驗而得到相應的模糊規則，可以很好的改善PID控制器參數難以確定，不能適應系統多變性及非線性等缺點。使得電源系統電壓輸出曲線無超調，響應時間比開環狀態提高一倍，有效地改善了除塵電源的控制性能并且顯著節約能耗，取得了良好的效果。

圖9 模糊控制輸出電壓曲線Fig.9 Fuzzy controller output curve

[1]王延安，肖登明，李佑淮，等.大功率高頻高壓變壓器的試驗及故障分析[J].高電壓技術，2009，35（5）:1049-1053.

WANG Yan-an，XIAO Deng-ming，LI You-huai，et al.Test and fault analysis for high power high frequency high voltage transformer[J].High Voltage Engineering，2009，35（5）:1049-1053.

[2]劉軍，官威，石健將，等.高壓靜電除塵用電源調壓特性的分析[J].高電壓技術，2009，35（2）:344-349.

LIU Jun，GUAN Wei，SHI Jian-jiang，ZHANG Zhong-chao，et al.Voltage regulation characteristicsanalysisofpower supply for high voltage electrostatic precipitators[J].High Voltage Engineering，2009，35（2）:344-349.

[3]盛立丞.靜電除塵器高頻電源控制系統研制[D].浙江：浙江大學，2010.

[4]Neimarlija N，Demirdzic I，Muzaferija S，et al.Finite volume method for calculation of electrostatic fields in electrostatic precipitators[J].Journal of Electrostatics，2009，67（1）:37-47.

[5]Berdyshev V F，ShatokhinK S，Moshkina E A，et al.Systems Evaluation of the Factors that Affect the Efficiency of an Electrostatic Ppecipitator used to Clean Waste Gases[J].Metallurgist，2011，55（1/2）:77-84.

[6]雷春雨，王直.一種簡化PID模糊控制器的研究與設計[J].電子設計工程，2013，21（2）:47-49，52.

LEIChun-yu，WANG Zhi.Research anddesign ofa simplifiedPIDfuzzycontroller[J].ElectronicDesignEngineering，2013，21（2）:47-49，52.

[7]喬志杰，王維慶.模糊自適應控制器的設計及其仿真[J].自動化與儀表，2008，23（1）:26-29.

QIAO Zhi-jie，WANG Wei-qing.Design of self-adaptive fuzzy PID control system and its computer simulation[J].Automation&Instrumentation，2008，23（1）:26-29.