串聯(lián)諧振全橋逆變電路自適應模糊PID恒功率輸出研究

串聯(lián)諧振全橋逆變電路自適應模糊PID恒功率輸出研究

主要研究智能控制技術。

劉淑榮1,2，龐偉1,2

(1.長春工程學院電氣與信息工程學院； 2.配電自動化吉林省高校工程研究中心，長春 130012)

摘要：系統(tǒng)采用自適應模糊PID控制技術，針對串聯(lián)諧振全橋逆變電路，利用MATLAB建立了系統(tǒng)自適應模糊PID輸出功率控制仿真模型，并給出了電路仿真波形。結果表明，系統(tǒng)采用自適應模糊PID控制方法，能夠應用模糊控制技術對PID參數(shù)進行在線修改，以滿足不同時刻的功率偏差和偏差變化率對PID參數(shù)自整定的要求，使被控對象具有良好的動、靜態(tài)性能，實現(xiàn)逆變電路的恒功率輸出控制。

關鍵詞：全橋逆變電路；恒功率輸出；自適應模糊PID；MATLAB仿真

0引言

逆變器屬于一種電源轉換設備，被廣泛應用在手機、電腦、空調(diào)、電磁爐等現(xiàn)代家電、家用設備及各種旅游、野營、醫(yī)療急救等電器上，能夠很好地將直流電轉換為交流電，使用起來更加地穩(wěn)定、順暢、方便，對人們的生活提供了很大的幫助。

適應現(xiàn)代電源轉化設備的需求，許多逆變器根據(jù)應用環(huán)境的不同，不僅要求恒功率輸出，而且要依據(jù)檔位的不同采用對應的恒功率輸出，以滿足控制的需要。為保證逆變器的恒功率輸出效果，本文采用自適應模糊PID控制算法，以中頻1 kHz，1～20 kW的串聯(lián)諧振全橋逆變電路為研究對象，將模糊控制和PID控制綜合在一起，結合二者的優(yōu)勢，共同對逆變器功率輸出實施控制。

1串聯(lián)諧振全橋逆變電路結構框圖

串聯(lián)諧振逆變電路的基本結構[1-2]由整流電路、濾波電路、逆變電路、自適應FuzzyPID恒功率控制電路、逆變驅動電路、負載等組成。系統(tǒng)結構圖如圖1所示。

系統(tǒng)采用三相不可控整流電路及LC濾波電路，電路簡單、操作方便、便于控制。逆變電路以IGBT作為主要逆變器件，利用串聯(lián)諧振單相全橋逆變電路，采用模糊控制與PID控制相結合的自適應功率調(diào)整控制方式，利用恒功率模塊輸出信號調(diào)節(jié)IGBT的觸發(fā)角，控制逆變電路的工作，實現(xiàn)對系統(tǒng)的輸出恒功率調(diào)節(jié)。

圖1　串聯(lián)諧振逆變電路結構框圖

2自適應模糊PID控制算法論述

系統(tǒng)采用模糊控制與PID相結合的自適應功率控制方式，以偏差e和偏差變化率ec作為模糊控制器輸入，Δkp,Δki,Δkd作為模糊控制器輸出。在運行中通過不斷檢測功率偏差e和偏差變化率ec，根據(jù)模糊控制原理來對PID 3個參數(shù)kp，ki，kd進行在線修改，以滿足不同時刻的e和ec對PID參數(shù)自整定的要求，而使被控對象具有良好的動、靜態(tài)性能，實現(xiàn)系統(tǒng)的恒功率控制。自適應模糊PID控制算法原理框圖如圖2[3-4]所示。

圖2　自適應模糊PID控制算法原理框圖

模糊控制器設計如下：

系統(tǒng)采用雙輸入三輸出模糊控制器結構，輸入為功率偏差e和偏差變化率ec，輸出為PID參數(shù)變化量Δkp,Δki,Δkd。系統(tǒng)反饋功率與給定功率的偏差e，偏差變化率ec的論域均量化為：{-3,-2,-1,0,1,2,3}，Δkp的論域量化為：{-0.3,-0.2,-0.1,0,0.1,0.2,0.3}，Δki的論域量化為：{-0.06,-0.04,-0.02,0,0.02,0.04,0.06}，Δkd的論域量化為：{-3,-2,-1,0,1,2,3}，e,ec,Δkp,Δki,Δkd的模糊子集均為{PB(正大)，PM(正中)，PS(正小)，ZO(零)，NS(負小)，NM(負中)，NB(負大)}。

在進行模糊化處理時，輸入變量從基本論域轉換到相應的模糊論域時的各量化因子分別為：ke=0.006，kec=0.06。對系統(tǒng)的輸入和輸出均采用trimf隸屬度函數(shù)和zmf隸屬度函數(shù)相結合的形式，e、ec的語言變量賦值如圖3所示。Δkp、Δki、Δkd的語言變量賦值同e和ec，區(qū)別在于橫坐標數(shù)據(jù)根據(jù)自己的論域范圍來定。

圖3　e、ec語言變量賦值

根據(jù)不同功率偏差和偏差變化率，參數(shù)Δkp、Δki、Δkd的整定原則為：1)當偏差較大時，應取較大的Δkp和較小的Δkd。為防止積分飽和，避免系統(tǒng)響應超調(diào)較大，Δki值要小。2)當偏差和偏差變化率為中等大小時，Δkd應取小一些。3)當偏差變化率較小時，應增大Δkp、Δki值。當偏差較小時，Δkd取大一些，當偏差較大時，Δkd取較小的值。

應用Mamdani推理方法，反模糊化采用加權平均法，由此構建Δkp、Δki、Δkd的模糊控制規(guī)則表。這里給出Δkp的模糊控制規(guī)則表見表1。

PID控制器設計如下：

系統(tǒng)采用增量式PID控制算法。增量式PID可以用式(1)表示：

Δu(k)=kp[e(k)-e(k-1)]+kie(k)+kd[e(k)-2e(k-1)+e(k-2)]，

式中：kp為比例系數(shù)；ki為積分系數(shù)；kd為微分系數(shù)。

PID參數(shù)模糊自適應調(diào)整是找出PID的3個參數(shù)kp、ki、kd與e、ec之間的模糊關系。系統(tǒng)在線運行過程中通過不斷檢測e和ec，根據(jù)已建立完成的模糊控制規(guī)則表，應用模糊合成推理設計PID參數(shù)的自適應調(diào)節(jié)。在第k個采樣時刻，kp、ki、kd整定為：

kp(k)=kp0+Δkp(k)，

ki(k)=ki0+Δki(k)，

kd(k)=kd0+Δkd(k)。

由此，通過對模糊邏輯規(guī)則的結果處理、查表和運算，完成對PID參數(shù)的在線自適應調(diào)整。

表1　Δkp的模糊控制規(guī)則表

在已建立的Simulink仿真模型中，在kp0=0.4，ki0=0.01，kd0=0.002的基礎上，Δkp、Δki、Δkd隨e和ec的變化實時進行自適應調(diào)整，得到了系統(tǒng)動態(tài)響應快、調(diào)節(jié)時間短的較好效果。

3串聯(lián)諧振全橋逆變電路MATLAB仿真模型

采用MATLAB7.1建立串聯(lián)諧振全橋逆變電路MATLAB仿真模型[5]，如圖4所示。

3.1系統(tǒng)主要模塊參數(shù)設置說明

1)三相交流電源模塊：311 V，50 Hz，相位各差120°。

2)逆變電路模塊：采用電壓串聯(lián)諧振型PWM單相全橋逆變電路。IGBT參數(shù)設置：Resistance Ron 0.001Ω，F(xiàn)orward voltage 1 V。IGBT驅動信號產(chǎn)生電路如圖5所示，由自適應模糊PID模塊輸出信號經(jīng)比較、二分頻后反向產(chǎn)生全橋逆變電路IGBT驅動信號。

3)自適應FuzzyPID恒功率控制模塊：將輸出功率與設定功率的偏差e與偏差變化率ec經(jīng)模糊控制器調(diào)節(jié)輸出，與PID控制結合，控制逆變電路輸出，實現(xiàn)恒功率調(diào)節(jié)。其仿真電路如圖6所示。

3.2仿真結果

根據(jù)上述系統(tǒng)仿真電路模型，采用ode23tb仿真方法，仿真時間設定3 s，當輸入為50 Hz交流電，輸出頻率為1 kHz，給定功率從1.5 kW變化到20 kW時仿真波形輸出如圖7～10。

圖4　串聯(lián)諧振逆變電路MATLAB仿真模型

圖5　全橋逆變電路IGBT驅動信號

圖6　恒功率控制仿真電路

負載為3.5 Ω，16 mh，0.6 uf，輸出功率為1.5 kW的逆變電路波形：

負載為5 Ω，30 mh，0.6 uf，輸出功率為5 kW的逆變電路波形：

負載為8.6 Ω，40 mh，0.6 uf，輸出功率為20 kW的逆變電路波形：

從上述仿真波形可見，在自適應模糊PID模型固定的條件下，輸入50 Hz交流電，給定功率從1.5 kW變化到20 kW，只需改變負載的參數(shù)，經(jīng)過短暫的自適應模糊PID調(diào)整(0.3 s左右)，輸出功率就可以隨著給定功率的變化而變化，維持恒定的功率輸出。

4結語

系統(tǒng)采用自適應模糊PID控制技術，針對串聯(lián)諧振全橋逆變電路，能夠根據(jù)模糊控制原理對PID參數(shù)進行在線實時修改，以滿足不同時刻的功率偏差和偏差變化率對PID參數(shù)自整定的要求，而使被控對象具有良好的動、靜態(tài)性能，實現(xiàn)系統(tǒng)的恒功率控制。

圖7　三相交流電源及整流濾波電路輸出波形

圖8　輸出功率為1.5 kW時逆變電路輸出波形

圖9　輸出功率為5 kW時逆變電路輸出波形

圖10　輸出功率為20 kW時逆變電路輸出波形

參考文獻

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doi:10.3969/j.issn.1009-8984.2015.02.008

收稿日期：2015-05-26

基金項目：吉林省長春市科技計劃項目(14KG090)

作者簡介：劉淑榮(1970-)，女(漢)，長春，副教授

中圖分類號：TP391.9

文獻標志碼：A

文章編號：1009-8984(2015)02-0027-04

The research on constant power output based
on self-adaptive fuzzy PID in series resonant full bridge inverter circuit

LIU Shu-rong，et al.

(SchoolofElectrical&InformationEngineering，

ChangchunInstituteofTechnology，Changchun130012，China)

Abstract：For the series resonant full bridge inverter circuit，The system adopts the controlling technology of self-adaptive fuzzy PID，establishes a simulation model of the system self-adaptive fuzzy PID output power control technology by using MATLAB，and gives the circuit simulation waveform.The results show that when adopting self-adaptive fuzzy PID method，the system can make online modifying by using fuzzy control technology to meet the requirements of PID parameters self-tuning according to the power error and error change rate at different time.At the same time，the controlled object has a good dynamic，static performance，to realize the constant power output control in inverter circuit.

Key words：full bridge inverter；constant power output；self-adaptive fuzzy PID；MATLAB simulation