基于模糊PIPIPII智能控制的UPSUPSPS逆變器研究

童 凌，劉瑞星

（國網九江供電公司，江西九江 332000）

0 引言

隨著電源技術的不斷提高與改善，人們對于電能質量和設備故障發生重視程度逐漸增加。UPS的完善與應用不僅對電網的安全運行有重要作用，同時也保證用戶用電的安全以及對電氣產品的壽命和安全都有十分關鍵的作用。在UPS的組成中，逆變模塊和控制模塊是決定電能輸出性能的關鍵，本文著力在逆變器控制方面提高電源的輸出質量。應用模糊控制結合傳統PI控制對UPS突加整流性負載所引起的輸出不穩定情況進行了改進研究。PI控制器在系統進入穩定后，可以使系統的誤差為零，它能夠消除系統的穩態誤差，但是PI控制器不含有微分環節，對于誤差較大的控制量不是很及時。模糊控制的控制作用可以按檔處理，是一種非線性控制，存在靜態余差的控制方法，若考慮將一個二維模糊控制器與PI控制器相結合構成控制系統，由于二維模糊控制器的輸入由誤差和誤差變化率構成，相當于在控制系統中加入了一個微分環節。PI控制器和模糊控制器相結合組成復合控制器后，將模糊控制器良好的動態性能和PI控制器良好的穩態性能集合為一，使兩者能夠較好的互補。

1 模糊PI控制器設計

如果用傳統的控制方法來控制UPS，由于UPS的負載類型往往不固定，不能對其做精確的數學建模，這就使得控制效果往往受到負載變化的影響。而模糊控制技術則不受被控對象數學模型的約束，將模糊控制用于在線式UPS控制系統中，可以很好解決了這一矛盾；同時模糊控制相比于其他傳統控制，在計算機控制系統中只占少量資源，因而可以通過提高采樣周期來進一步提高模糊控制的精度，見圖1。

圖1 模糊PI控制器框圖

1.1 模糊模塊設計

在設計一個模糊控制器時，數據庫和規則庫都是設計者根據控制經驗和實際情況制定的。數據庫存放的是模糊化的輸入變量及輸出變量和隸屬度函數，規則庫存放的是設計者根據實際經驗設計許多條控制規則。

1）事物模糊度和控制規則描述。在模糊控制模塊的設計中通過對不同控制程度的描述，首先確定模糊控制量及輸出量的隸屬度函數選取PB（正大）、PM（正中）、PS（正小）、Zero（零）、NS（負小）、NM（負中）、NB（負大）用以描述模糊子集。取輸入變量的兩個模糊集合輸出電壓偏差E和輸出電壓偏差的變化率EC分別為：E={NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}，EC={NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}，為了模糊子集對論域有著比較好覆蓋程度，論域元素總數確定為模糊總子集數的 2倍，選取 E對應的論域 X1={-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6}，EC對應的論域X2={-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6}。由于ΔKP和ΔKI都是關于X1、X2的二元連續函數，即ΔKP=p1X1+q1X2+k1（p1、q1和k2與X1、X2相關的常數）；ΔKI=p2X1+q2X2+k2（p2、q2和k2與X1、X2相關的常數；所以Δu也是關于X1、X2的函數，Δu=pX1+qX2+k。

2）作用程度。有了對事物模糊程度的描述，下面確定選用加權平均應用模糊推理法，以比例參數作為例子寫出數學表達式：

式中，xi為第i條規則的輸入量，wi為權重，表示所起的作用程度，因此對每條規則的推理結果有著重大影響。

設A1i、A2i分別表示輸入量E、EC的第i條規則的隸屬度，則wi由取小法可得：

1.2 PI控制器設計

PI控制器的微分方程以及傳遞函數如下：

上兩式中，m（t）是控制器的時域輸出值，e（t）為控制器的時域輸入值，Ti時控制器積分時間的一個常數，KP為比例放大系數，t表示微分時間常數。

在PI控制技術應用到數字離散化系統中時，需要將時域表達式寫成離散形式，根據公式用設u（k）是控制器第k次采樣時的輸出值，通過變換計算將式（3）做離散化處理后有：

上式中，T表示采樣周期，Ki=Kp/T，Kd=Kpt。通過對狀態方程的研究可以得出，PI控制的輸出u（k）等式右邊的和式分別表示分別比例、積分、微分，因此也將這種PI控制的算法叫做PI位置式控制。可以求出控制器第k-1次采樣時的輸出值為：

把控制器k次輸出值與k-1次的輸出值做差，求出

2 模糊PI控制逆變器系統仿真

2.1 模糊PI控制模型建立

本文利用matlab/simulink對模糊PI控制器進行了設計，按照模糊PI控制框圖搭建了圖2仿真模型，In1接受電路輸出信號，Out1控制電路功率開關管。電路輸出信號經過零階采樣比例增益與給定信號進行比較得到偏差由Switch開關決定：偏差較大送入模糊控制器，偏差較小由PI控制器調節。

圖2 模糊PI控制仿真圖

2.2 系統仿真模型的建立

利用MATLAB對逆變電路進行仿真，下面以UPS突加含有整流電路的負載結構為例，建立系統仿真模型。系統逆變橋部分采用模糊PI控制子模塊輸入信號，Step模塊控制某一時間點打開控制開關突加整流性負載給逆變電源。圖3為逆變電路PI控制負載含整流電路結構的仿真圖。

圖3 逆變電路PI控制負載含整流電路結構的仿真圖

3 仿真結果

根據UPS電源輸入輸出參數設定逆變器的直流輸入電壓為500 V，輸出而定交流電壓為U=220 V，電路頻率50HZ。逆變電路輸出端濾波電容C=30m F，輸出電阻R=10 W。突加整流負載的濾波電容20 m F，電阻R=10 W。突加整流負載電路在0.2 s時由理想開關Switch通過施加脈沖控制。子系統中的模塊由圖2所示。

圖4為傳統PI控制下突加整流性負載的電路輸出圖以及相應的頻譜分析，圖5為模糊控制結合PI控制逆變器帶整流型負載的電路輸出圖和頻譜分析。從圖中可以看出傳統PI控制系統輸出的電壓的諧波失真較大，諧波失真率THD=2.09%，而模糊控制結合PI控制逆變器的輸出波形較好諧波失真率僅為0.56%。

圖4 PI控制下帶整流型負載的輸出電流、電壓和負載電壓波形

4 結束語

本文將模糊控制與PI控制相結合應用到逆變器的控制電路中，通過對控制方法的研究和對控制電路的仿真分析，表明了模糊控制結合PI控制用于逆變器中相對于傳統PI控制具有很好的穩定性和先進性。

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