童 凌，刘瑞星

（国网九江供电公司，江西九江 332000）

0 引言

随着电源技术的不断提高与改善，人们对于电能质量和设备故障发生重视程度逐渐增加。UPS的完善与应用不仅对电网的安全运行有重要作用，同时也保证用户用电的安全以及对电气产品的寿命和安全都有十分关键的作用。在UPS的组成中，逆变模块和控制模块是决定电能输出性能的关键，本文着力在逆变器控制方面提高电源的输出质量。应用模糊控制结合传统PI控制对UPS突加整流性负载所引起的输出不稳定情况进行了改进研究。PI控制器在系统进入稳定后，可以使系统的误差为零，它能够消除系统的稳态误差，但是PI控制器不含有微分环节，对于误差较大的控制量不是很及时。模糊控制的控制作用可以按档处理，是一种非线性控制，存在静态余差的控制方法，若考虑将一个二维模糊控制器与PI控制器相结合构成控制系统，由于二维模糊控制器的输入由误差和误差变化率构成，相当于在控制系统中加入了一个微分环节。PI控制器和模糊控制器相结合组成复合控制器后，将模糊控制器良好的动态性能和PI控制器良好的稳态性能集合为一，使两者能够较好的互补。

1 模糊PI控制器设计

如果用传统的控制方法来控制UPS，由于UPS的负载类型往往不固定，不能对其做精确的数学建模，这就使得控制效果往往受到负载变化的影响。而模糊控制技术则不受被控对象数学模型的约束，将模糊控制用于在线式UPS控制系统中，可以很好解决了这一矛盾；同时模糊控制相比于其他传统控制，在计算机控制系统中只占少量资源，因而可以通过提高采样周期来进一步提高模糊控制的精度，见图1。

图1 模糊PI控制器框图

1.1 模糊模块设计

在设计一个模糊控制器时，数据库和规则库都是设计者根据控制经验和实际情况制定的。数据库存放的是模糊化的输入变量及输出变量和隶属度函数，规则库存放的是设计者根据实际经验设计许多条控制规则。

1）事物模糊度和控制规则描述。在模糊控制模块的设计中通过对不同控制程度的描述，首先确定模糊控制量及输出量的隶属度函数选取PB（正大）、PM（正中）、PS（正小）、Zero（零）、NS（负小）、NM（负中）、NB（负大）用以描述模糊子集。取输入变量的两个模糊集合输出电压偏差E和输出电压偏差的变化率EC分别为：E={NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}，EC={NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}，为了模糊子集对论域有着比较好覆盖程度，论域元素总数确定为模糊总子集数的 2倍，选取 E对应的论域 X1={-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6}，EC对应的论域X2={-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6}。由于ΔKP和ΔKI都是关于X1、X2的二元连续函数，即ΔKP=p1X1+q1X2+k1（p1、q1和k2与X1、X2相关的常数）；ΔKI=p2X1+q2X2+k2（p2、q2和k2与X1、X2相关的常数；所以Δu也是关于X1、X2的函数，Δu=pX1+qX2+k。

2）作用程度。有了对事物模糊程度的描述，下面确定选用加权平均应用模糊推理法，以比例参数作为例子写出数学表达式：

式中，xi为第i条规则的输入量，wi为权重，表示所起的作用程度，因此对每条规则的推理结果有着重大影响。

设A1i、A2i分别表示输入量E、EC的第i条规则的隶属度，则wi由取小法可得：

1.2 PI控制器设计

PI控制器的微分方程以及传递函数如下：

上两式中，m（t）是控制器的时域输出值，e（t）为控制器的时域输入值，Ti时控制器积分时间的一个常数，KP为比例放大系数，t表示微分时间常数。

在PI控制技术应用到数字离散化系统中时，需要将时域表达式写成离散形式，根据公式用设u（k）是控制器第k次采样时的输出值，通过变换计算将式（3）做离散化处理后有：

上式中，T表示采样周期，Ki=Kp/T，Kd=Kpt。通过对状态方程的研究可以得出，PI控制的输出u（k）等式右边的和式分别表示分别比例、积分、微分，因此也将这种PI控制的算法叫做PI位置式控制。可以求出控制器第k-1次采样时的输出值为：

把控制器k次输出值与k-1次的输出值做差，求出

2 模糊PI控制逆变器系统仿真

2.1 模糊PI控制模型建立

本文利用matlab/simulink对模糊PI控制器进行了设计，按照模糊PI控制框图搭建了图2仿真模型，In1接受电路输出信号，Out1控制电路功率开关管。电路输出信号经过零阶采样比例增益与给定信号进行比较得到偏差由Switch开关决定：偏差较大送入模糊控制器，偏差较小由PI控制器调节。

图2 模糊PI控制仿真图

2.2 系统仿真模型的建立

利用MATLAB对逆变电路进行仿真，下面以UPS突加含有整流电路的负载结构为例，建立系统仿真模型。系统逆变桥部分采用模糊PI控制子模块输入信号，Step模块控制某一时间点打开控制开关突加整流性负载给逆变电源。图3为逆变电路PI控制负载含整流电路结构的仿真图。

图3 逆变电路PI控制负载含整流电路结构的仿真图

3 仿真结果

根据UPS电源输入输出参数设定逆变器的直流输入电压为500 V，输出而定交流电压为U=220 V，电路频率50HZ。逆变电路输出端滤波电容C=30m F，输出电阻R=10 W。突加整流负载的滤波电容20 m F，电阻R=10 W。突加整流负载电路在0.2 s时由理想开关Switch通过施加脉冲控制。子系统中的模块由图2所示。

图4为传统PI控制下突加整流性负载的电路输出图以及相应的频谱分析，图5为模糊控制结合PI控制逆变器带整流型负载的电路输出图和频谱分析。从图中可以看出传统PI控制系统输出的电压的谐波失真较大，谐波失真率THD=2.09%，而模糊控制结合PI控制逆变器的输出波形较好谐波失真率仅为0.56%。

图4 PI控制下带整流型负载的输出电流、电压和负载电压波形

4 结束语

本文将模糊控制与PI控制相结合应用到逆变器的控制电路中，通过对控制方法的研究和对控制电路的仿真分析，表明了模糊控制结合PI控制用于逆变器中相对于传统PI控制具有很好的稳定性和先进性。

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