专家PID控制在逆变电源中的应用

1、    专家PID控制在逆变电源中的应用        王 宇， 赵军红 时间:2008年07月09日     字 体: 大 中 小        关键词:<"cblue" " target='_blank'>逆变电源<"cblue" " target='_

2、blank'>输出电压<"cblue" " target='_blank'>控制策略<"cblue" " target='_blank'>Matlab/Simulink<"cblue" " target='_blank'>高性能            ? 摘? 要： 提出了一种基于专家PID

3、<"cblue" " title="控制策略">控制策略的<"cblue" " title="逆变电源">逆变电源控制方案，并利用<"cblue" " title="Matlab/Simulink">Matlab/Simulink进行了系统仿真和验证。实验结果证明该方案能得到高质量的输出波形，满足了逆变电源的控制要求。? 关键词： 专家PID控制? 逆变电源? Matlab/Simulink? 近年来，随着电力

4、电子技术的发展，逆变电源越来越广泛地应用于工业、军事、医疗、航空航天等领域。设计<"cblue" " title="高性能">高性能逆变电源是当前逆变电源的发展趋势之一，逆变电源的高性能主要表现在：稳压性能好、<"cblue" " title="输出电压">输出电压波形质量高、负载适应性强、动态特性好等方面。为了获得高质量的正弦输出电压波形，人们将现代控制理论应用到逆变电源系统的控制中，提出了很多基于调制策略的控制方法1-2。? PID控制是一种建立在经典控制理论基础上的

5、控制策略，由于其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一，长期以来广泛应用于工业过程控制的各个领域。然而，常规PID控制有许多不完善之处，如控制器的参数在整定好以后，一般不能随着控制系统的实时状况而改变，动态响应比较慢等3-5。? 本文将专家PID控制策略引入逆变电源控制，并对受控对象和控制规律进行分析，利用专家经验设计控制器。通过仿真实验证明，专家PID控制改善了逆变电源系统的稳定性能，提高了波形质量，系统兼具良好的动、静态性能，能够满足高性能场合的要求。1 数学模型? 图1为一个带LC滤波器的单相全桥逆变器的主电路结构图。? ? 以VC和iL为状态变量，系统的状态

6、方程可列写为：? ?上式经拉普拉斯变换，可解出VC：? ? 当逆变器空载时，iO=0。则? ? 由于滤波电感等效内阻R很小，此时逆变器可近似认为是一无阻尼二阶振荡环节。2 专家PID控制? 专家控制（Expert Control）的实质是基于受控对象和控制规律的各种知识，以智能控制的方式设计控制器3。专家PID控制通过综合利用开关控制和PID控制的优点，在线实时调整调节器参数，使控制器能够根据系统调节过程中偏差的大小和变化趋势进行分区调节，使之具有较强的自适应能力4-5。专家PID控制框图如图2所示。? 2.1 数据库? 数据库的主要功能信息是：(1)从实际系统获得输入、输出数据,并存储历史数

7、据。(2)用户设置的系统性能指标。(3)控制器各调节规律的初始值。(4)系统在控制过程中的各种特征参数，如偏差范围、上下限幅值等5。? 在获取系统信息之后，合理地将其表达出来是人工智能中的一项重要内容，在此采用产生式规则来表示系统知识。其结构是：? IFThen2.2 规则库? 规则库存储着专家水平的控制规则，这些规则是在总结操作人员经验的基础上建立的一套适合于不同情况的控制规则，它反映了人的智能控制行为,通常采用产生式结构：IFThen。根据系统输出与设定值的偏差范围，控制器分以下五种情况对控制器参数进行合适的选择和调节3：? (1)当|e(k)|>M1时，说明误差的绝对值已经很大，无

8、论误差的变化趋势如何，都应使控制器的输出达到最大或最小，使误差绝对值以最大速度减小。? (2)当e(k)·e(k)0时，说明误差在朝误差绝对值增大方向变化或误差为常值。此时，如果|e(k)|M2，说明误差也较大，应使控制器实施较强的控制作用。控制器输出为：? 当|e(k)|<M2时，误差绝对值并不很大，应实施一般控制作用。控制器输出为：? ? (3)当e(k)·e(k)0或者e(k)=0时，说明误差绝对值朝减小方向变化或已达平衡状态，此时保持控制器输出不变。(4)当e(k)·e(k)<0且e(k)·e(k-1)<0时，说明误差处于极值状

9、态。如果|e(k)|M2，应实施较强的控制作用。控制器输出为：? u(k)=u(k-1)+k1 Kp e(k)? 如果|e(k)+<M2，应实施较弱的控制作用。控制器输出为：? u(k)=u(k-1)+k2 Kp e(k)? (5)当|e(k)|<时，说明误差的绝对值很小，此时应加入积分，减小稳态误差。? 在上面各式中,e(k)为误差e的第k个值；u(k)为控制器的第k次输出；k1、k2为增益放大系数，且0<K2<1<K1； M1、M2为设定的误差界限，且0<M2<M1；为任意小的正实数。3 系统仿真及结果分析? 基于以上分析，利用Matlab/Sim

10、ulink对本设计方案进行仿真。控制器采用离散S函数与Simulink模块相结合的方式实现，控制器参数、控制上下限及采样时间采用封装的形式设定。仿真电路如图3所示。? ? 主要参数：开关频率为3kHz，采样频率为10kHz；输入直流电压为500V；输出为正弦交流电压，电压为220V，频率为50Hz；输出滤波电感、滤波电容分别为40mH、100F。? 在电路仿真过程中，分别使用专家PID控制和普通PID控制对逆变电路实施控制，对两者的输出电压和误差信号的波形进行对比，仿真结果如图4所示。? 图4(a)和图4(b)分别为普通PID控制和专家PID控制时输出电压波形；图4(c)和4(d)分别为普通P

11、ID控制和专家PID控制时输出电压误差的波形。由图4可见：在专家PID控制作用下逆变器的动态响应速度快、超调小，输出稳定后其幅值变化量很小，误差值在1.5V之内。? ? 图5为专家PID控制时输出电压的谐波分析。这里只分析到25次谐波，总谐波畸变率THD<3。? ?本文提出了一种基于专家PID控制策略的逆变电源控制方案，并进行了理论分析和MatlabSimulink仿真。从仿真结果可以看出，该方案融合了专家控制和PID控制的优点，具有较好的动静态特性，满足了逆变电源的控制要求。同时该方案控制器结构简单、编程方便、实时性好，易于在单片机和DSP上实现。参考文献1?叶 斌.电力电子应用技术M.北京:清华大学出版社,2006.2?周 洁. 逆变电源数字控制技术的应用J. 广东电力，2005,(1):32-35.3?刘金昆.先进PID控制MATLAB仿真:第2版M.