船舶混合動(dòng)力系統(tǒng)雙向DC/DC變換器模糊PID控制

魏巖+沈愛(ài)弟+高迪駒

摘要：

為提高船舶混合動(dòng)力系統(tǒng)中雙向DC/DC變換器的性能，通過(guò)分析混合動(dòng)力系統(tǒng)工作模式，設(shè)計(jì)出船舶混合動(dòng)力系統(tǒng)雙向DC/DC變換器仿真模型.基于此，提出該變換器模糊PID控制方法.采用單個(gè)模糊PID補(bǔ)償環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)了BiBuck/BoostDC/DC變換器的穩(wěn)定輸出.仿真結(jié)果表明：模糊PID控制能有效提高系統(tǒng)抗干擾能力，保證雙向DC/DC變換器具有良好的動(dòng)態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)性能.

關(guān)鍵詞：

混合動(dòng)力船舶；雙向DC/DC；模糊PID

中圖分類號(hào)：U665.13

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 收稿日期：20150825 修回日期：20151113

0引言

與傳統(tǒng)的機(jī)械推進(jìn)系統(tǒng)相比，電力推進(jìn)系統(tǒng)具有更好的經(jīng)濟(jì)性、操縱性和安全性，且它的噪音低，并有利于船舶控制環(huán)境污染.[12]然而，受到船舶對(duì)設(shè)備質(zhì)量和體積的限制以及新能源存儲(chǔ)技術(shù)的影響，與傳統(tǒng)的柴油機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)相比，現(xiàn)階段多數(shù)純電動(dòng)船舶還未能

滿足人們對(duì)船舶性能的需求.因此，研究混合動(dòng)力電動(dòng)船舶可為船舶從柴油發(fā)電機(jī)組單獨(dú)供電過(guò)渡到純電動(dòng)供電提供可行性方案.

雙向DC/DC變換器在混合動(dòng)力系統(tǒng)中起著重要作用，是船舶混合動(dòng)力系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備之一.[34]圖1是串聯(lián)式船舶混合動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理，雙向DC/DC變換器連接在動(dòng)力電池與直流母線之間，控制動(dòng)力電池能量的流向與大小.由動(dòng)力電池供電時(shí)，動(dòng)力電池通過(guò)DC/DC變換器向直流母線傳遞電能；當(dāng)能量回流時(shí)，直流母線將剩余電能回饋給動(dòng)力電池進(jìn)行充電.可見(jiàn)，雙向DC/DC變換器是混合動(dòng)力能量控制系統(tǒng)的核心部件，變換器輸出電能應(yīng)具有良好的穩(wěn)定性和動(dòng)態(tài)性.

DC/DC變換器是一種采用開(kāi)關(guān)方式控制的直流穩(wěn)壓電源.近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的模糊控制是一種仿人智能控制法，它不依賴被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型，便于利用人的經(jīng)驗(yàn)知識(shí)進(jìn)行控制.將模糊控制技術(shù)引入DC/DC變換器是目前研究的熱點(diǎn).文獻(xiàn)[5]和[6]將模糊PID控制運(yùn)用到Buck變換器中，獲得了良好的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)和動(dòng)態(tài)響應(yīng).文獻(xiàn)[7]設(shè)計(jì)了一種簡(jiǎn)單的模糊PID控制器，并進(jìn)行了擾動(dòng)實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明模糊PID控制器具有良好的抗干擾性能.文獻(xiàn)[8]和[9]運(yùn)用數(shù)字信號(hào)處理器（DigitalSignalProcessor，DSP）實(shí)現(xiàn)了Buck變換器的模糊PID控制，同樣得到了較好的實(shí)驗(yàn)結(jié)果.文獻(xiàn)[10]運(yùn)用模糊控制實(shí)現(xiàn)了Boost變換器的輸出穩(wěn)定，證明了模糊控制對(duì)Boost變換器有良好的控制效果.模糊控制對(duì)一些復(fù)雜的和難以用準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型描述的系統(tǒng)是非常適宜的，特別是對(duì)無(wú)法確定的復(fù)雜對(duì)象具有較好的控制性能.在船舶混合動(dòng)力系統(tǒng)中，動(dòng)力電池不斷變換充放電模式，要求能量雙向流動(dòng)，這需要結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、輸出穩(wěn)定的雙向DC/DC變換器.本文基于這一要求提出雙向DC/DC變換器的模糊PID控制，保證雙向DC/DC變換器兩端輸出電能的穩(wěn)定性和抗擾性.

1混合動(dòng)力雙向DC/DC變換器模型分析

1.1變換器拓?fù)浞治?/p>

圖2為船舶混合動(dòng)力系統(tǒng)中雙向DC/DC變換器的主電路拓?fù)洌?/p>

中V1，V2分別代表直流母線和動(dòng)力電池的端電壓，通過(guò)混合動(dòng)力能量管理策略選擇動(dòng)力電池充放電模式.動(dòng)力電池放電時(shí)，變換器處于Boost模式，變換器須維持穩(wěn)定的電壓輸出，但由于受動(dòng)力電池電量的影響，動(dòng)力電池放電電壓隨著時(shí)間下降，同時(shí)受需求功率的影響，負(fù)載電阻時(shí)刻變化，這對(duì)輸出電壓穩(wěn)定性提出了挑戰(zhàn).當(dāng)動(dòng)力電池充電時(shí)，變換器處于Buck模式，保持輸出電壓在可靠范圍內(nèi)同樣重要.

1.2控制器結(jié)構(gòu)

雙向DC/DC變換器要同時(shí)兼顧動(dòng)力電池可隨時(shí)充、放電的要求，這對(duì)混合動(dòng)力系統(tǒng)能量控制策略是否可實(shí)現(xiàn)至關(guān)重要.傳統(tǒng)的DC/DC變換器控制方法是通過(guò)調(diào)節(jié)PI控制器開(kāi)關(guān)器件的通斷時(shí)間，達(dá)到調(diào)節(jié)輸出電壓目的的，但由于DC/DC變換器的非線性特點(diǎn)，往往達(dá)不到預(yù)期的控制效果.模糊PID控制可動(dòng)態(tài)修正控制器參數(shù)，提高系統(tǒng)抗干擾性能，因此本文選擇電壓反饋模糊PID控制器.如圖3所示：將雙向DC/DC變換器穩(wěn)壓端輸出電壓與參考值的誤差量E作為電壓反饋模糊PID控制器的輸入；d是對(duì)誤差E求導(dǎo)，得到的誤差變化率dE/dt作為模糊PID控制器的另一個(gè)輸入.本文先由變換器參數(shù)設(shè)計(jì)出單PID控制器，在此基礎(chǔ)上按照控制要求設(shè)計(jì)通用模糊控制規(guī)則.模糊控制器的輸出與PID控制器的輸出相乘后生成新的控制量，控制量再與頻率為50kHz的鋸齒波比較產(chǎn)生PWM波，進(jìn)而控制DC/DC變換器的IGBT.這里K4和K5是輸入比例系數(shù)，調(diào)節(jié)K4和K5能使輸入量在合理的控制區(qū)間內(nèi)；K6是輸出比例系數(shù)，反復(fù)調(diào)節(jié)K6使模糊控制器有更好的輸出與PID控制器輸出相結(jié)合，從而保證變換器輸出的穩(wěn)定性和動(dòng)態(tài)性.

1.3PID控制器設(shè)計(jì)

當(dāng)動(dòng)力電池對(duì)外供電時(shí)，DC/DC變換器處于Boost模式；當(dāng)直流母線對(duì)動(dòng)力電池充電時(shí)，DC/DC變換器處于Buck模式.設(shè)圖2中IGBT1的占空比為D，引入拉氏符號(hào)s，則變換器的Buck模式小信號(hào)模型[11]為

同樣，變換器的Boost模式小信號(hào)模型為

在雙端穩(wěn)壓情況下，要求PID控制器能對(duì)兩個(gè)方向的DC/DC變換器進(jìn)行穩(wěn)定調(diào)節(jié).文獻(xiàn)[12]通過(guò)對(duì)DC/DC變換器模型進(jìn)行分析，設(shè)計(jì)出單個(gè)PID控制器對(duì)雙向DC/DC變換器進(jìn)行穩(wěn)定調(diào)節(jié)，并證明此法可行.設(shè)系統(tǒng)參數(shù)為V1=100V，V2=48V，R1=20Ω，R2=5Ω，參考電壓Vref為5V.根據(jù)電流連續(xù)時(shí)電感及電容取值條件[7]，設(shè)計(jì)電感L=50μH，電容C1=C2=100μF.

式（3）為反饋分壓的傳遞函數(shù)表達(dá)式，由該式得到Buck模式和Boost模式的反饋分壓比分別為

對(duì)Buck模式和Boost模式下DC/DC變換器的傳遞函數(shù)同時(shí)進(jìn)行PID的設(shè)計(jì)，最后配置PID控制器的傳遞函數(shù)

1.4模糊控制器設(shè)計(jì)

船舶混合動(dòng)力能量管理系統(tǒng)可對(duì)變換器發(fā)出充電和放電指令，當(dāng)變換器接收指令并發(fā)生切換或有

外在干擾時(shí)往往會(huì)產(chǎn)生電壓或電流尖峰，這無(wú)論對(duì)變換器、動(dòng)力電池還是供電母線都是不利的.模糊PID控制器使變換器在Buck模式和Boost模式下得到良好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)和穩(wěn)態(tài)性能的同時(shí)，抑制尖電壓或電流尖峰.模糊規(guī)則如表1所示，模糊控制器有兩個(gè)輸入量，E和dE/dt.對(duì)E和dE/dt定義5個(gè)語(yǔ)言值，分別為NB（負(fù)大）、NS（負(fù)小）、ZE（不變）、PS（正小）、PB（正大）.設(shè)計(jì)一個(gè)輸出變量U，定義5個(gè)語(yǔ)言值，分別為DIVB（除大）、DIV（除）、NU（不變）、MUL（乘）、MULB（乘大）.

再確定輸入和輸出的隸屬度函數(shù)，見(jiàn)圖5.這里選擇三角形隸屬度函數(shù)，解模糊化的方法為重心法.E和dE/dt分別經(jīng)輸入比例系數(shù)K4和K5作用后作為模糊控制器的輸入，模糊控制器的輸出經(jīng)過(guò)輸出比例系數(shù)K6作用后與PID控制器輸出結(jié)合，與鋸齒波比較產(chǎn)生PWM波.可見(jiàn)，選取合適的輸入輸出隸

屬度函數(shù)后，只需調(diào)節(jié)輸入和輸出比例系數(shù)，使模糊控制器有更好的輸出與PID控制器輸出結(jié)合，就能保證變換器輸出的穩(wěn)定性和動(dòng)態(tài)性.

1.5仿真模型建立

利用船舶能量管理系統(tǒng)對(duì)供電系統(tǒng)進(jìn)行綜合性分析，確立能量調(diào)度、管理原則和實(shí)現(xiàn)方法.[13]能量管理系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)對(duì)DC/DC變換器提出了簡(jiǎn)單、可控、高效的要求.通過(guò)船舶混合動(dòng)力能量管理系統(tǒng)對(duì)DC/DC變換器的需求分析，提出基于單個(gè)模糊PID控制器的實(shí)現(xiàn)雙端穩(wěn)壓的DC/DC變換器控制器.根據(jù)圖2拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，運(yùn)用MATLAB/Simulink設(shè)計(jì)出船舶混合動(dòng)力DC/DC變換器雙端穩(wěn)壓模糊PID仿真模型.如圖6所示，由一個(gè)單位階躍信號(hào)（Step1）模擬一次能量管理系統(tǒng)對(duì)動(dòng)力電池由充電模式切換到放電模式.圖中：K2和K3分別是兩端反饋分壓比；R1為模擬負(fù)載等效電阻，R2為模擬動(dòng)力電池內(nèi)阻，為便于分析和測(cè)量，當(dāng)一端做電源端時(shí)忽略該端內(nèi)阻，另一端斷掉電源.通過(guò)對(duì)電流的動(dòng)態(tài)均值進(jìn)行檢測(cè)來(lái)自動(dòng)選擇穩(wěn)壓端，模擬動(dòng)力電池與直流母線間的充放電作用.

2仿真驗(yàn)證

2.1擾動(dòng)情況仿真

根據(jù)本文設(shè)計(jì)的模糊PID控制器，在MATLAB/Simulink中對(duì)變換器的兩種工作模式分別進(jìn)行了仿真，經(jīng)過(guò)反復(fù)調(diào)節(jié)K4，K5和K6后，選取K4為1，K5為0.0002，K6為0.8，使模糊PID控制器控制下的變換器在Buck模式和Boost模式下都有良好的表現(xiàn).同時(shí)與經(jīng)典PID控制器進(jìn)行對(duì)比研究.

圖7為模糊PID控制下和PID控制下的BiBuck/BoostDC/DC變換器輸出響應(yīng)曲線，兩端電壓分別為100V和48V.在Buck模式下：0.03s時(shí)負(fù)載端并入了20Ω的電阻，其負(fù)載電阻變?yōu)?0Ω，0.05s時(shí)撤下該電阻，模擬負(fù)載變化的擾動(dòng)，觀察兩種變換器的抗擾性能；0.08s時(shí)使輸入電壓下降為40V，模擬動(dòng)力電池的供電電壓下降時(shí)的情況.在Boost模式下：0.02s時(shí)負(fù)載端并入了5Ω的電阻，其電阻變?yōu)?.5Ω，0.04s時(shí)撤下該電阻，模擬負(fù)載變化的擾動(dòng)，觀察兩種變換器的抗擾性能；0.08s時(shí)使輸入電壓下降為90V，模擬輸入電源的擾動(dòng).

由圖7可以看到：（1）與經(jīng)典PID控制相比，模糊PID控制在Buck模式和Boost模式下都能率先穩(wěn)定，這表明模糊PID控制下的DC/DC變換器具有良好的動(dòng)態(tài)性能.（2）模糊PID控制比PID控制能更好地抵抗負(fù)載擾動(dòng)，抑制擾動(dòng)造成的尖峰，并且其擾動(dòng)造成的波動(dòng)在可接受的范圍內(nèi).（3）當(dāng)兩種模式下輸入電壓下降一定幅度時(shí)，與經(jīng)典PID控制相比，模糊PID控制能更好地抵抗來(lái)自電源的擾動(dòng)，表現(xiàn)出了良好的抗擾性能.

2.2切換情況仿真

實(shí)現(xiàn)能量雙向流動(dòng)是雙向DC/DC變換器的主要特點(diǎn)之一，也是船舶混合動(dòng)力系統(tǒng)能量管理的要求.文獻(xiàn)[14]提出運(yùn)用電感電流的動(dòng)態(tài)均值來(lái)檢測(cè)電流流動(dòng)的方向，并根據(jù)電流流動(dòng)的方向，自動(dòng)選擇穩(wěn)壓端.本文根據(jù)文獻(xiàn)[14]對(duì)輸出電感電流設(shè)置合理的動(dòng)態(tài)采樣頻率，設(shè)計(jì)了電流均值控制電路，并仿真驗(yàn)證其在模糊PID控制和PID控制下的切換效果.在0.02s時(shí)雙向DC/DC變換器由升壓向母線供電模式切換到母線向動(dòng)力電池供電模式，電流反向，控制電路對(duì)電流均值進(jìn)行處理從而輸出控制信號(hào)，控制選擇由IGBT2到IGBT1完成系統(tǒng)由Boost模式到Buck模式的切換.

從圖8可以看出：模糊PID控制在Buck模式和Boost模式下都有很好的輸出響應(yīng)；在0.02s切換時(shí)，相比于經(jīng)典的PID控制，模糊PID控制沒(méi)有出現(xiàn)超調(diào)和尖峰的情況.這表明模糊PID控制在切

換時(shí)同樣能保證變換器的輸出電能穩(wěn)定.

3結(jié)論

本文根據(jù)船舶混合動(dòng)力系統(tǒng)工作模式，設(shè)計(jì)了雙向DC/DC變換器雙端穩(wěn)壓仿真模型，并用單模糊PID控制器實(shí)現(xiàn)了雙向DC/DC變換器的輸出電壓穩(wěn)定.仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文中設(shè)計(jì)的模糊PID控制器具有良好的動(dòng)態(tài)性能，不論對(duì)負(fù)載擾動(dòng)還是電源擾動(dòng)都有較強(qiáng)的穩(wěn)定性，尤其在抗電源干擾方面有良好的表現(xiàn)，證明該設(shè)計(jì)可行.

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