基于模糊PID控制的逆變器仿真

【摘要】 運(yùn)用MATLAB對(duì)所涉及到的算法進(jìn)行分析，并通過(guò)Matlab/Simulink工具箱對(duì)UPS逆變器系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)仿真。采用DSP Builder工具對(duì)標(biāo)準(zhǔn)正弦波發(fā)生器、三角波發(fā)生器、SPWM波發(fā)生器、PID控制算法單元及Fuzzy-PID控制算法單元等進(jìn)行設(shè)計(jì)， 通過(guò)具體的仿真分析及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，證實(shí)了Fuzzy-PID控制應(yīng)用的可行性以及優(yōu)越性。

關(guān)鍵詞：Fuzzy-PID控制 Matlab/Simulink工具箱 UPS逆變器 仿真

中圖分類號(hào)：TP2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X(2011)12(a)-0000-00

[Abstract] Involved in the algorithm for the analysis Based on MATLAB Software ，and By Matlab / Simulink toolbox for UPS inverter system design and simulation. With DSP Builder tool to standard sine wave generator 、 triangular wave generator 、 SPWM wave generator 、 PID control algorithm unit and Fuzzy-PID control algorithm design unit， etc.， through specific simulation and experimental verification confirmed the Fuzzy-PID control feasibility of the application and advantages.

Key words：Fuzzy-PID control，Tollbox of Matlab/Simulink， UPS inverter， simulation

引言

將充電器或蓄電池送來(lái)的直流電轉(zhuǎn)變成交流電輸出稱為逆變，有的也稱逆變器為DC/AC變流器。當(dāng)今逆變器的數(shù)字化控制方法成為交流電源領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，出現(xiàn)了多種離散化控制方法，但是當(dāng)被控對(duì)象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)不能完全掌握，或得不到精確的數(shù)學(xué)模型時(shí)，控制理論的其它技術(shù)難以采用時(shí)，系統(tǒng)控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)必須依靠經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試來(lái)確定，這時(shí)應(yīng)用Fuzzy—PID控制技術(shù)最為方便[1]。

本文借助于Matlab/Simulink工具箱中許多模塊建模仿真，將DSP Builder模塊和TMS320F2812 DSP模塊結(jié)合起來(lái)。從SPWM波的產(chǎn)生，F(xiàn)uzzy-PID控制模型的建立，以及逆變器仿真結(jié)果分析等方面進(jìn)行研究，實(shí)現(xiàn)應(yīng)用TMS320F2812 DSP芯片對(duì)UPS(不間斷電源)電源逆變器進(jìn)行控制仿真，為電力電子電路仿真提供了有利的工具。

1 正弦信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì)

正弦信號(hào)發(fā)生器是基于DDS技術(shù)的離散正弦信號(hào)。其頻率控制字和相位控制字均由TMS320F2812 DSP輸入決定，也可由輸入電壓確定，再由Fuzzy-PID控制器調(diào)節(jié)正弦序列的幅度。輸出信號(hào)的頻率、相位和幅度參數(shù)可以通過(guò)頻率控制字、相位控制字、幅度控制字分別控制。參考頻率源一般為高穩(wěn)定的晶體振蕩器，其實(shí)是系統(tǒng)時(shí)鐘，這使得DDS中各部件同步工作。相位累加器是DDS發(fā)生器的核心，它由一個(gè)取樣寄存器和一個(gè)二進(jìn)制加法器組成，它對(duì)頻率控制字進(jìn)行線性累加，其輸出又與相位控制字進(jìn)行相加，然后其結(jié)果對(duì)波形存儲(chǔ)器中的函數(shù)數(shù)據(jù)尋址查表，不同的相位碼地址對(duì)應(yīng)不同的幅度編碼輸出，經(jīng)過(guò)一系列連續(xù)尋址，就可以得到離散的幅度編碼集合[2]。

設(shè)時(shí)鐘電路累加器的位數(shù)為L(zhǎng)，輸入時(shí)鐘的頻率為f，則輸出波形的頻率分辨率(最小步進(jìn)量)即為

在實(shí)際應(yīng)用中設(shè)計(jì)者可根據(jù)實(shí)時(shí)需要選擇相位累加器的位數(shù)。

取微處理器頻率控制字，則輸出波形的頻率為。

2 SPWM波發(fā)生器的設(shè)計(jì)

SPWM是采用兩個(gè)計(jì)數(shù)器產(chǎn)生三角載波，由上文DDS產(chǎn)生的離散正弦序列經(jīng)過(guò)增益模塊與Fuzzy–PID控制器輸出相加作為調(diào)制信號(hào)，兩者比較產(chǎn)生SPWM波形。

采用兩個(gè)計(jì)數(shù)器一個(gè)是遞增計(jì)數(shù)器，從0開(kāi)始計(jì)數(shù)逐一累積，到最大值清零，然后繼續(xù)累加，如此往復(fù)；而遞減計(jì)數(shù)器則是從最大值逐一遞減，原理與遞增計(jì)數(shù)器相同。然后通過(guò)比較器，乘法器取兩個(gè)計(jì)數(shù)器0到最大值一半之間的波形，再經(jīng)過(guò)加法器將兩個(gè)波形疊加，即可輸出幅度為最大值一半的三角波信號(hào)。

單相全橋逆變SPWM的模塊主要由離散正弦波、基準(zhǔn)三角波、數(shù)值比較器、反向器、控制邏輯等部分組成。經(jīng)過(guò)Fuzzy–PID控制器調(diào)節(jié)過(guò)的離散正弦波經(jīng)緩沖電路后與基準(zhǔn)計(jì)數(shù)器數(shù)值進(jìn)行比較，得到各路SPWM信號(hào)，驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的功率器件，為實(shí)現(xiàn)單極性倍頻調(diào)制，三角波輸入前需進(jìn)行幅度變換。

3 PID控制器和Fuzzy-PID控

制器

3.1 PID控制器

增量式PID控制器主要包括比例、積分及微分環(huán)節(jié)，設(shè)計(jì)并未將這三個(gè)環(huán)節(jié)分開(kāi)單獨(dú)設(shè)計(jì)，而是根據(jù)推導(dǎo)公式，進(jìn)行綜合設(shè)計(jì)。整個(gè)系統(tǒng)架構(gòu)主要由增益模塊、加法模塊、限幅模塊及延時(shí)模塊等構(gòu)成，其具體結(jié)構(gòu)可根據(jù)相應(yīng)情況適時(shí)更改[3]。

3.2 Fuzzy-PID控制器

Fuzzy-PID控制器由模糊控制器和PID控制器組成。

誤差分兩路輸入控制模塊(Gateway In)，一路輸入 PID控制模塊，另一路輸入模糊控制模塊，這兩個(gè)控制模塊的輸出值通過(guò)switch模塊的運(yùn)算，得到用于調(diào)節(jié)SPWM波的控制量。此種控制器既具有PID控制器穩(wěn)態(tài)精度高又具有模糊控制器動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快的優(yōu)點(diǎn)，對(duì)調(diào)節(jié)逆變器輸出波形，提高UPS性能有很大幫助。Fuzzy–PID控制器的參數(shù)按常規(guī)方法設(shè)計(jì)，需考慮兩個(gè)調(diào)節(jié)器之間的響應(yīng)速度、頻帶寬度的相互影響與協(xié)調(diào)，控制器設(shè)計(jì)步驟復(fù)雜，還需要反復(fù)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證；設(shè)計(jì)中盡可能簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)過(guò)程，同時(shí)要求設(shè)計(jì)方法的指標(biāo)性能高。

4 逆變器仿真系統(tǒng)調(diào)試

逆變器仿真系統(tǒng)如圖1所示，使用Fuzzy–PID控制算法調(diào)節(jié)觀察到的仿真波形如圖（2）所示。

由輸出波形圖可以看出Fuzzy–PID控制調(diào)節(jié)效果比較好，受負(fù)載變化影響，波形只有些許改變，但很快就調(diào)節(jié)到正常效果。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)借助于Matlab/Simulink工具箱中許多模塊建模仿真，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)正弦波發(fā)生器、三角波發(fā)生器、SPWM波發(fā)生器、PID控制算法單元及Fuzzy-PID控制算法單元等進(jìn)行設(shè)計(jì)， 通過(guò)具體的仿真分析及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，證實(shí)了Fuzzy-PID控制應(yīng)用的可行性以及優(yōu)越性。仿真結(jié)果表明，F(xiàn)uzzy–PID控制算法較數(shù)字PID控制算法動(dòng)態(tài)性能更好，同時(shí)也有很好的穩(wěn)態(tài)性能。Fuzzy–PID控制的引入，提高了系統(tǒng)的調(diào)節(jié)速度和控制精度。

參考文獻(xiàn)

[1] 王 勇、張東來(lái)、鄭大鵬等.基于Fuzzy-PID的大功率UPS智能充電系統(tǒng)設(shè)計(jì).電力電子技術(shù).2006，4(42):117-119

[2] 劉玉良、劉國(guó)平、俞紅杰. 直接數(shù)字頻率合成器DDS的設(shè)計(jì)[J]. 浙江海洋學(xué)院學(xué)報(bào)， 2004， 12: 320-332.

[3] Chien-Ming Wang. A novel zero-voltage-switching PWM boost rectifier with high power factor and low conduction losses[J]. Industrial Electronics， IEEE Transactions on， 2005， 52(2): 427-435.