串联谐振全桥逆变电路自适应模糊PID恒功率输出研究

主要研究智能控制技术。

刘淑荣1,2，庞伟1,2

(1.长春工程学院电气与信息工程学院； 2.配电自动化吉林省高校工程研究中心，长春 130012)

摘要：系统采用自适应模糊PID控制技术，针对串联谐振全桥逆变电路，利用MATLAB建立了系统自适应模糊PID输出功率控制仿真模型，并给出了电路仿真波形。结果表明，系统采用自适应模糊PID控制方法，能够应用模糊控制技术对PID参数进行在线修改，以满足不同时刻的功率偏差和偏差变化率对PID参数自整定的要求，使被控对象具有良好的动、静态性能，实现逆变电路的恒功率输出控制。

关键词：全桥逆变电路；恒功率输出；自适应模糊PID；MATLAB仿真

0引言

逆变器属于一种电源转换设备，被广泛应用在手机、电脑、空调、电磁炉等现代家电、家用设备及各种旅游、野营、医疗急救等电器上，能够很好地将直流电转换为交流电，使用起来更加地稳定、顺畅、方便，对人们的生活提供了很大的帮助。

适应现代电源转化设备的需求，许多逆变器根据应用环境的不同，不仅要求恒功率输出，而且要依据档位的不同采用对应的恒功率输出，以满足控制的需要。为保证逆变器的恒功率输出效果，本文采用自适应模糊PID控制算法，以中频1 kHz，1～20 kW的串联谐振全桥逆变电路为研究对象，将模糊控制和PID控制综合在一起，结合二者的优势，共同对逆变器功率输出实施控制。

1串联谐振全桥逆变电路结构框图

串联谐振逆变电路的基本结构[1-2]由整流电路、滤波电路、逆变电路、自适应FuzzyPID恒功率控制电路、逆变驱动电路、负载等组成。系统结构图如图1所示。

系统采用三相不可控整流电路及LC滤波电路，电路简单、操作方便、便于控制。逆变电路以IGBT作为主要逆变器件，利用串联谐振单相全桥逆变电路，采用模糊控制与PID控制相结合的自适应功率调整控制方式，利用恒功率模块输出信号调节IGBT的触发角，控制逆变电路的工作，实现对系统的输出恒功率调节。

图1　串联谐振逆变电路结构框图

2自适应模糊PID控制算法论述

系统采用模糊控制与PID相结合的自适应功率控制方式，以偏差e和偏差变化率ec作为模糊控制器输入，Δkp,Δki,Δkd作为模糊控制器输出。在运行中通过不断检测功率偏差e和偏差变化率ec，根据模糊控制原理来对PID 3个参数kp，ki，kd进行在线修改，以满足不同时刻的e和ec对PID参数自整定的要求，而使被控对象具有良好的动、静态性能，实现系统的恒功率控制。自适应模糊PID控制算法原理框图如图2[3-4]所示。

图2　自适应模糊PID控制算法原理框图

模糊控制器设计如下：

系统采用双输入三输出模糊控制器结构，输入为功率偏差e和偏差变化率ec，输出为PID参数变化量Δkp,Δki,Δkd。系统反馈功率与给定功率的偏差e，偏差变化率ec的论域均量化为：{-3,-2,-1,0,1,2,3}，Δkp的论域量化为：{-0.3,-0.2,-0.1,0,0.1,0.2,0.3}，Δki的论域量化为：{-0.06,-0.04,-0.02,0,0.02,0.04,0.06}，Δkd的论域量化为：{-3,-2,-1,0,1,2,3}，e,ec,Δkp,Δki,Δkd的模糊子集均为{PB(正大)，PM(正中)，PS(正小)，ZO(零)，NS(负小)，NM(负中)，NB(负大)}。

在进行模糊化处理时，输入变量从基本论域转换到相应的模糊论域时的各量化因子分别为：ke=0.006，kec=0.06。对系统的输入和输出均采用trimf隶属度函数和zmf隶属度函数相结合的形式，e、ec的语言变量赋值如图3所示。Δkp、Δki、Δkd的语言变量赋值同e和ec，区别在于横坐标数据根据自己的论域范围来定。

图3　e、ec语言变量赋值

根据不同功率偏差和偏差变化率，参数Δkp、Δki、Δkd的整定原则为：1)当偏差较大时，应取较大的Δkp和较小的Δkd。为防止积分饱和，避免系统响应超调较大，Δki值要小。2)当偏差和偏差变化率为中等大小时，Δkd应取小一些。3)当偏差变化率较小时，应增大Δkp、Δki值。当偏差较小时，Δkd取大一些，当偏差较大时，Δkd取较小的值。

应用Mamdani推理方法，反模糊化采用加权平均法，由此构建Δkp、Δki、Δkd的模糊控制规则表。这里给出Δkp的模糊控制规则表见表1。

PID控制器设计如下：

系统采用增量式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为比例系数；ki为积分系数；kd为微分系数。

PID参数模糊自适应调整是找出PID的3个参数kp、ki、kd与e、ec之间的模糊关系。系统在线运行过程中通过不断检测e和ec，根据已建立完成的模糊控制规则表，应用模糊合成推理设计PID参数的自适应调节。在第k个采样时刻，kp、ki、kd整定为：

kp(k)=kp0+Δkp(k)，

ki(k)=ki0+Δki(k)，

kd(k)=kd0+Δkd(k)。

由此，通过对模糊逻辑规则的结果处理、查表和运算，完成对PID参数的在线自适应调整。

表1　Δkp的模糊控制规则表

在已建立的Simulink仿真模型中，在kp0=0.4，ki0=0.01，kd0=0.002的基础上，Δkp、Δki、Δkd随e和ec的变化实时进行自适应调整，得到了系统动态响应快、调节时间短的较好效果。

3串联谐振全桥逆变电路MATLAB仿真模型

采用MATLAB7.1建立串联谐振全桥逆变电路MATLAB仿真模型[5]，如图4所示。

3.1系统主要模块参数设置说明

1)三相交流电源模块：311 V，50 Hz，相位各差120°。

2)逆变电路模块：采用电压串联谐振型PWM单相全桥逆变电路。IGBT参数设置：Resistance Ron 0.001Ω，Forward voltage 1 V。IGBT驱动信号产生电路如图5所示，由自适应模糊PID模块输出信号经比较、二分频后反向产生全桥逆变电路IGBT驱动信号。

3)自适应FuzzyPID恒功率控制模块：将输出功率与设定功率的偏差e与偏差变化率ec经模糊控制器调节输出，与PID控制结合，控制逆变电路输出，实现恒功率调节。其仿真电路如图6所示。

3.2仿真结果

根据上述系统仿真电路模型，采用ode23tb仿真方法，仿真时间设定3 s，当输入为50 Hz交流电，输出频率为1 kHz，给定功率从1.5 kW变化到20 kW时仿真波形输出如图7～10。

图4　串联谐振逆变电路MATLAB仿真模型

图5　全桥逆变电路IGBT驱动信号

图6　恒功率控制仿真电路

负载为3.5 Ω，16 mh，0.6 uf，输出功率为1.5 kW的逆变电路波形：

负载为5 Ω，30 mh，0.6 uf，输出功率为5 kW的逆变电路波形：

负载为8.6 Ω，40 mh，0.6 uf，输出功率为20 kW的逆变电路波形：

从上述仿真波形可见，在自适应模糊PID模型固定的条件下，输入50 Hz交流电，给定功率从1.5 kW变化到20 kW，只需改变负载的参数，经过短暂的自适应模糊PID调整(0.3 s左右)，输出功率就可以随着给定功率的变化而变化，维持恒定的功率输出。

4结语

系统采用自适应模糊PID控制技术，针对串联谐振全桥逆变电路，能够根据模糊控制原理对PID参数进行在线实时修改，以满足不同时刻的功率偏差和偏差变化率对PID参数自整定的要求，而使被控对象具有良好的动、静态性能，实现系统的恒功率控制。

图7　三相交流电源及整流滤波电路输出波形

图8　输出功率为1.5 kW时逆变电路输出波形

图9　输出功率为5 kW时逆变电路输出波形

图10　输出功率为20 kW时逆变电路输出波形

参考文献

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[4] 刘金琨.先进PID控制MATLAB仿真[M].3版.北京:电子工业出版社,2011.

[5] 林飞,杜欣.电力电子应用技术的MATLAB仿真[M].北京:中国电力出版社,2009.

doi:10.3969/j.issn.1009-8984.2015.02.008

收稿日期：2015-05-26

基金项目：吉林省长春市科技计划项目(14KG090)

作者简介：刘淑荣(1970-)，女(汉)，长春，副教授

中图分类号：TP391.9

文献标志码：A

文章编号：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