基于模糊PID控制的逆變器研究

楊 帆

（安徽理工大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，安徽 淮南 232001）

0 引言

傳統(tǒng)的PID 控制器在使用時只需設(shè)定比例、積分、微分三個參數(shù)即可，使用方便，計算量小且魯棒性較好，因此在工業(yè)控制過程中有著廣泛的應(yīng)用。但由于逆變器控制等場合難以建立準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型，PID 參數(shù)整定也就成了一個復(fù)雜的問題，依靠專家經(jīng)驗和人工試湊的方法不僅不夠準(zhǔn)確，而且比較耗時[1]。

本文引入模糊PID 控制策略，將模糊自適應(yīng)控制與數(shù)字PID 控制相結(jié)合，通過模糊控制規(guī)則實現(xiàn)參數(shù)在線自整定。Matlab 仿真實驗結(jié)果表明，該控制方法穩(wěn)態(tài)輸出精度較高，提高了逆變系統(tǒng)輸出的正弦波質(zhì)量。

1 模糊自適應(yīng)PID 控制器的設(shè)計

1.1 控制器結(jié)構(gòu)

控制器結(jié)構(gòu)如圖1 所示，以逆變器系統(tǒng)作為被控對象，將其濾波輸出的正弦交流電壓信號和輸入?yún)⒖颊译妷盒盘柕恼`差E 和誤差變化率Ec 作為輸入，在運行過程中不斷檢測，并進(jìn)行模糊化處理。根據(jù)PID 參數(shù)整定原則制定模糊規(guī)則表，通過查表和模糊運算輸出修正參數(shù)△Kp，△Ki 和△Kd，在傳統(tǒng)PID 參數(shù)的初值基礎(chǔ)上增加修正參數(shù)即可實現(xiàn)參數(shù)自整定。整定后的PID 參數(shù)Kp、Ki、Kd 由式（1）所示，其中Kp*、Ki*、Kd* 為預(yù)整定值，tp，ti，td 為修正系數(shù)。[2]

圖1 控制器結(jié)構(gòu)圖

1.2 控制算法設(shè)計

模糊控制器的輸入變量為E 和Ec，輸出變量分別為和△Kp、△Ki和△Kd，各變量語言值為：{負(fù)大，負(fù)中，負(fù)小，零，正小，正中，正大}，記為[NB，NM，NS，ZE，PS，PM，PB]，選用靈敏度靈較強(qiáng)的三角函數(shù)作為隸屬函數(shù)，模糊控制器中各變量的基本論域取值為：E=[-3 3]，Ec=[-3 3]，△Kp=[-0.3 0.3]，△Ki=[-0.06 0.06]，△Kd=[-3 3]。

根據(jù)文獻(xiàn)中提到的參數(shù)整定原則進(jìn)行參數(shù)整定[3]，通過模糊推理和實驗修正得到模糊控制規(guī)則表，如表1 所示。

表1 模糊控制規(guī)則表

2 逆變器仿真模型設(shè)計

搭建如圖2 所示的逆變器控制系統(tǒng)仿真模型。其中包括模糊PID子模塊，SPWM 波產(chǎn)生模塊和逆變器模塊。通過Repeating Sequence 模塊產(chǎn)生頻率為2KHz 的三角波作為基波，Sine Wave 模塊產(chǎn)生頻率為50Hz 的正弦波作為載波，通過模糊自適應(yīng)PID 送到SPWM 產(chǎn)生模塊，實現(xiàn)SPWM 輸出，調(diào)制度為0.915，最終逆變輸出有效值為220V，頻率為50Hz 的正弦交流電壓。

圖2 逆變器控制系統(tǒng)仿真模型

其中模糊自適應(yīng)PID 子模塊框圖如圖3 所示，仿真過程中可以根據(jù)參數(shù)變化改變Gain3 和Gain7 的值，以達(dá)到需要的效果。

圖3 模糊PID 子模塊框圖

3 仿真結(jié)果分析

仿真結(jié)果如圖4 所示，由輸出電壓和電流可以看出，輸出波形比較穩(wěn)定，能很快接近標(biāo)準(zhǔn)正弦波，輸出電壓誤差在1%以內(nèi)。阻性負(fù)載突變時電壓波形基本不變，電流波形非常接近正弦波，驗證了模糊自適應(yīng)PID 在逆變器控制系統(tǒng)中應(yīng)用的可行性和可靠性。

圖4 輸出電壓和電流

4 結(jié)束語

本文提出了一種基于模糊自適應(yīng)PID 的礦用逆變器控制方法，經(jīng)過仿真和比較分析，驗證了該控制方法的可行性和有效性。當(dāng)然，由于控制算法相對復(fù)雜，運行速度相對較慢，在實際應(yīng)用中對硬件要求較高，還需要進(jìn)一步的優(yōu)化。

［1］何鵬.基于Matlab 的模糊PID 控制器設(shè)計與仿真研究[J].微型電腦應(yīng)用，2010，26(4)：59-64.

［2］顧生杰，劉春娟.一種參數(shù)自整定模糊PID 控制器的研究[J].電氣傳動自動化，2003，25(6)-30.

［3］湯秀芬.模糊自適應(yīng)PID 控制器參數(shù)整定的研究[J].工業(yè)控制計算機(jī)，2012，25(2)：55-58.

［4］田淑杭，姜麗娟.一種參數(shù)自整定模糊PID 控制器的研究[J].電氣傳動自動化，2003，25(6)：28-30.

［5］劉興堂.應(yīng)用自適應(yīng)控制[M].西安：西北工業(yè)大學(xué)出版社，2003.5.

［6］吳振順，姚建均，岳東海.模糊自整定PID 控制器的設(shè)計及其應(yīng)用[J].哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報.2004.36(11)：1578-1580.