SEPIC變換器模糊自適應PID控制參數算法研究

張鷹，高嵬，趙淑琴

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SEPIC變換器模糊自適應PID控制參數算法研究

張鷹1，高嵬2，趙淑琴3

(1. 海軍駐438廠軍事代表室, 武漢 430060；2. 海軍工程大學電氣工程學院, 武漢 430033；3. 中國艦船研究設計中心, 武漢 430064)

模糊自適應PID控制已經在各類電力電子裝置中得到普遍應用，可以實現對PID參數的最佳調整。目前該控制方法已應用于Buck和Boost直流變換器上，在理論和實踐應用上都取得良好效果。本文以Sepic變換器為研究對象，將模糊自適應PID控制方法應用于此型變換器上，通過對整定規則的理論分析和仿真研究，進而得出了模糊自適應PID控制方法的仿真效果。

Sepic變換器 模糊自適應PID控制 參數整定 算法

0 概述

模糊自適應PID控制就是運用模糊數學的基本理論和方法，把規則的條件、操作用模糊集表示，并把這些模糊控制規則及有關信息作為知識存入計算機知識庫中，然后計算機根據控制系統的實際響應情況，運用模糊推理，既可自動實現對PID參數的最佳調整。

在國內外，已經有很多學者將模糊自適應PID控制應用于直流變換器上，無論理論上的分析和研究，還是實踐上的應用與實現，都得到了良好的效果[1-4]。

1 模糊控制的基本原理和原則

1.1 基本原理

模糊自適應PID控制器的結構如圖1所示，其中rin為系統輸入，yout為系統輸出，error為系統輸入與輸出的差，ec為誤差的變化率。

設PID控制器的輸出量為u(t)，輸入量為e(t)，它們的關系為：

式中K為比例增益，K為積分增益，K為微分增益。模糊自適應參數整定就是尋求該三個參數與e、ec之間的關系。

1.2 基本原則

通過多次操作經驗總結結合理論分析可以歸納出偏差e、偏差變化率ec跟PID調節器的三個參數KKK間，存在如下關系。

（1）當ê()ê較大時，為加快系統響應速度，應取較大的K，這樣可以使系統的時間常數和阻尼系數減小。當然不得過大，否則會導致系統不穩定；為避免系統在開始時可能引起的超范圍控制作用，應取較小的K，以便加快系統響應；為避免出現較大的超調，可以去掉積分作用，取K=0。

（2）當ê()處于中等大小時，應取較小的K，使系統響應的超調略小一點；此時K的取值對系統較為關鍵，為保證系統的響應速度，K的取值要恰當；此時可適當增加一點K，但不得過大。

（3）當ê()較小時，為使系統具有良好的穩態性能，可取較大的K ,K；為避免系統在平衡點出現震蕩，K的取值應恰當。

下面得到PID調節器三個參數的模糊控制表。其中，NB、NM、NS、ZO、PS、PM、PB分別表示負大、負中、負小、零、正小、正中、正大。

2 工作流程和仿真分析

2.1 工作流程

將系統誤差和誤差變化率變化范圍定義模糊集上的論域：

其模糊子集為

設和KKK均服從正態分布，因此可導出各模糊子集的隸屬度，根據各子集的隸屬度賦值表和各參數模糊控制模型，應用模糊合成推理設計PID參數的模糊矩陣表，查出修正參數代入下式計算：

(2)

在線運行過程中，控制系統通過對模糊邏輯規則的結果處理、查表和運算，完成對PID參數的在線自校正，其工作流程如圖2所示。

2.2 仿真分析

根據模糊控制表設計出49條模糊規則，運用MATLAB的模糊推理系統可以得到模糊自適應PID控制中的三個參數KKK與和之間的關系如圖3、4、5所示[5]。

圖3 輸出量KP曲面觀測窗

圖4 輸出量KI曲面觀測窗

圖5 輸出量KD曲面觀測窗

跟據[6]所求得的SEPIC變換器的傳遞函數，在寬幅壓320 -180 V條件下，選用輸入電壓為220 V，占空比為0.5，可得此時的傳遞函數為下式，經仿真可得，系統的BODE圖為圖6所示[7]。

對于一個穩定的電壓可調系統，其增益裕量應大于6 dB，相角裕量應大于45°[8]，而該系統的相角穩定裕量僅為=2.236°。因此，可以采用PID控制器來提高系統的穩定性，其傳遞函數為

令K=1，K=0.001，K=0.03，補償后的相角裕量約為890，增加了系統的穩定性。

表1 K模糊規則表

表2 K模糊控制表

表3 K模糊控制表

3 結論

針對寬幅壓工況下的輸入電壓擾動以及SEPIC電路自身的強非線性特點，本文嘗試性地將模糊自適應PID控制運用到SEPIC變換器上，經過仿真，得到了理想的效果。

[1] 王寶瑛，朱方明，曹秉剛等．電動汽車用DC/DC變換器模糊自整定PI控制[J]．電力電子技術，2007，41(1)，48-50．

[2] 任碧瑩，余健明，同向前等．混合式自調整模糊控制在DC/DC變換器中的應用[J]．電力電子技術，2001，35(6)，23-25．

[3] Arnaldo M，Miguel S. SEPIC type DC-DC converter fuzzy model[C]．ICROS -SICE International Joint Conference，Japan：Fukuoka International Congress Center，2009：891-895．

[4] 許會軍，王萍．移相全橋變換器的模糊PID預測控制[J]．計算機仿真，2007，24(1)：246-249．

[5] 石辛民，郝整清．模糊控制機及其MATLAB仿真[M]．北京：清華大學出版社，北京交通大學出版社，2008，151-180．

[6] 孫心豐. 基于寬幅壓的ZCZVT-PWM SEPIC變換器研究[D]. 武漢：海軍工程大學學位論文，2010.

[7] 夏瑋，李朝輝，常春藤等．控制系統仿真與實例詳解[M]．北京：人民郵電出版社，2008，241-243．

[8] 王萍，辛愛芹，鄒宇．高性能模糊PID控制DC/DC變換器[J]．電力電子技術，2007，41(8)：102-103．

Parameter Adjustment Rules and Algorithm of Fuzzy Self-adaptive PID Controlling on Sepic Converter

Zhang Ying1, Gao Wei2, Zhao Shuqin3

(1. The Naval Delegation Office in No.438 Factory, Wuhna 430060, Hubei, China; 2. The Electricity Engineering School in NUE, Wuhan 430033, Hubei, China; 3. China Warships Research & Designing Centre, Wuhan 430064, Hubei, China)

TP273

A

1003-4862（2013）01-0025-03

2012-10-07

張 鷹（1960-），男，高級工程師。

研究方向：電氣與自動控制。