基于模糊PIPIPII智能控制的UPSUPSPS逆變器研究

童 凌，劉瑞星

（國網(wǎng)九江供電公司，江西九江 332000）

0 引言

隨著電源技術(shù)的不斷提高與改善，人們對于電能質(zhì)量和設(shè)備故障發(fā)生重視程度逐漸增加。UPS的完善與應(yīng)用不僅對電網(wǎng)的安全運(yùn)行有重要作用，同時(shí)也保證用戶用電的安全以及對電氣產(chǎn)品的壽命和安全都有十分關(guān)鍵的作用。在UPS的組成中，逆變模塊和控制模塊是決定電能輸出性能的關(guān)鍵，本文著力在逆變器控制方面提高電源的輸出質(zhì)量。應(yīng)用模糊控制結(jié)合傳統(tǒng)PI控制對UPS突加整流性負(fù)載所引起的輸出不穩(wěn)定情況進(jìn)行了改進(jìn)研究。PI控制器在系統(tǒng)進(jìn)入穩(wěn)定后，可以使系統(tǒng)的誤差為零，它能夠消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差，但是PI控制器不含有微分環(huán)節(jié)，對于誤差較大的控制量不是很及時(shí)。模糊控制的控制作用可以按檔處理，是一種非線性控制，存在靜態(tài)余差的控制方法，若考慮將一個(gè)二維模糊控制器與PI控制器相結(jié)合構(gòu)成控制系統(tǒng)，由于二維模糊控制器的輸入由誤差和誤差變化率構(gòu)成，相當(dāng)于在控制系統(tǒng)中加入了一個(gè)微分環(huán)節(jié)。PI控制器和模糊控制器相結(jié)合組成復(fù)合控制器后，將模糊控制器良好的動態(tài)性能和PI控制器良好的穩(wěn)態(tài)性能集合為一，使兩者能夠較好的互補(bǔ)。

1 模糊PI控制器設(shè)計(jì)

如果用傳統(tǒng)的控制方法來控制UPS，由于UPS的負(fù)載類型往往不固定，不能對其做精確的數(shù)學(xué)建模，這就使得控制效果往往受到負(fù)載變化的影響。而模糊控制技術(shù)則不受被控對象數(shù)學(xué)模型的約束，將模糊控制用于在線式UPS控制系統(tǒng)中，可以很好解決了這一矛盾；同時(shí)模糊控制相比于其他傳統(tǒng)控制，在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中只占少量資源，因而可以通過提高采樣周期來進(jìn)一步提高模糊控制的精度，見圖1。

圖1 模糊PI控制器框圖

1.1 模糊模塊設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)一個(gè)模糊控制器時(shí)，數(shù)據(jù)庫和規(guī)則庫都是設(shè)計(jì)者根據(jù)控制經(jīng)驗(yàn)和實(shí)際情況制定的。數(shù)據(jù)庫存放的是模糊化的輸入變量及輸出變量和隸屬度函數(shù)，規(guī)則庫存放的是設(shè)計(jì)者根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)許多條控制規(guī)則。

1）事物模糊度和控制規(guī)則描述。在模糊控制模塊的設(shè)計(jì)中通過對不同控制程度的描述，首先確定模糊控制量及輸出量的隸屬度函數(shù)選取PB（正大）、PM（正中）、PS（正?。ero（零）、NS（負(fù)小）、NM（負(fù)中）、NB（負(fù)大）用以描述模糊子集。取輸入變量的兩個(gè)模糊集合輸出電壓偏差E和輸出電壓偏差的變化率EC分別為：E={NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}，EC={NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}，為了模糊子集對論域有著比較好覆蓋程度，論域元素總數(shù)確定為模糊總子集數(shù)的 2倍，選取 E對應(yīng)的論域 X1={-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6}，EC對應(yīng)的論域X2={-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6}。由于ΔKP和ΔKI都是關(guān)于X1、X2的二元連續(xù)函數(shù)，即ΔKP=p1X1+q1X2+k1（p1、q1和k2與X1、X2相關(guān)的常數(shù)）；ΔKI=p2X1+q2X2+k2（p2、q2和k2與X1、X2相關(guān)的常數(shù)；所以Δu也是關(guān)于X1、X2的函數(shù)，Δu=pX1+qX2+k。

2）作用程度。有了對事物模糊程度的描述，下面確定選用加權(quán)平均應(yīng)用模糊推理法，以比例參數(shù)作為例子寫出數(shù)學(xué)表達(dá)式：

式中，xi為第i條規(guī)則的輸入量，wi為權(quán)重，表示所起的作用程度，因此對每條規(guī)則的推理結(jié)果有著重大影響。

設(shè)A1i、A2i分別表示輸入量E、EC的第i條規(guī)則的隸屬度，則wi由取小法可得：

1.2 PI控制器設(shè)計(jì)

PI控制器的微分方程以及傳遞函數(shù)如下：

上兩式中，m（t）是控制器的時(shí)域輸出值，e（t）為控制器的時(shí)域輸入值，Ti時(shí)控制器積分時(shí)間的一個(gè)常數(shù)，KP為比例放大系數(shù)，t表示微分時(shí)間常數(shù)。

在PI控制技術(shù)應(yīng)用到數(shù)字離散化系統(tǒng)中時(shí)，需要將時(shí)域表達(dá)式寫成離散形式，根據(jù)公式用設(shè)u（k）是控制器第k次采樣時(shí)的輸出值，通過變換計(jì)算將式（3）做離散化處理后有：

上式中，T表示采樣周期，Ki=Kp/T，Kd=Kpt。通過對狀態(tài)方程的研究可以得出，PI控制的輸出u（k）等式右邊的和式分別表示分別比例、積分、微分，因此也將這種PI控制的算法叫做PI位置式控制?？梢郧蟪隹刂破鞯趉-1次采樣時(shí)的輸出值為：

把控制器k次輸出值與k-1次的輸出值做差，求出

2 模糊PI控制逆變器系統(tǒng)仿真

2.1 模糊PI控制模型建立

本文利用matlab/simulink對模糊PI控制器進(jìn)行了設(shè)計(jì)，按照模糊PI控制框圖搭建了圖2仿真模型，In1接受電路輸出信號，Out1控制電路功率開關(guān)管。電路輸出信號經(jīng)過零階采樣比例增益與給定信號進(jìn)行比較得到偏差由Switch開關(guān)決定：偏差較大送入模糊控制器，偏差較小由PI控制器調(diào)節(jié)。

圖2 模糊PI控制仿真圖

2.2 系統(tǒng)仿真模型的建立

利用MATLAB對逆變電路進(jìn)行仿真，下面以UPS突加含有整流電路的負(fù)載結(jié)構(gòu)為例，建立系統(tǒng)仿真模型。系統(tǒng)逆變橋部分采用模糊PI控制子模塊輸入信號，Step模塊控制某一時(shí)間點(diǎn)打開控制開關(guān)突加整流性負(fù)載給逆變電源。圖3為逆變電路PI控制負(fù)載含整流電路結(jié)構(gòu)的仿真圖。

圖3 逆變電路PI控制負(fù)載含整流電路結(jié)構(gòu)的仿真圖

3 仿真結(jié)果

根據(jù)UPS電源輸入輸出參數(shù)設(shè)定逆變器的直流輸入電壓為500 V，輸出而定交流電壓為U=220 V，電路頻率50HZ。逆變電路輸出端濾波電容C=30m F，輸出電阻R=10 W。突加整流負(fù)載的濾波電容20 m F，電阻R=10 W。突加整流負(fù)載電路在0.2 s時(shí)由理想開關(guān)Switch通過施加脈沖控制。子系統(tǒng)中的模塊由圖2所示。

圖4為傳統(tǒng)PI控制下突加整流性負(fù)載的電路輸出圖以及相應(yīng)的頻譜分析，圖5為模糊控制結(jié)合PI控制逆變器帶整流型負(fù)載的電路輸出圖和頻譜分析。從圖中可以看出傳統(tǒng)PI控制系統(tǒng)輸出的電壓的諧波失真較大，諧波失真率THD=2.09%，而模糊控制結(jié)合PI控制逆變器的輸出波形較好諧波失真率僅為0.56%。

圖4 PI控制下帶整流型負(fù)載的輸出電流、電壓和負(fù)載電壓波形

4 結(jié)束語

本文將模糊控制與PI控制相結(jié)合應(yīng)用到逆變器的控制電路中，通過對控制方法的研究和對控制電路的仿真分析，表明了模糊控制結(jié)合PI控制用于逆變器中相對于傳統(tǒng)PI控制具有很好的穩(wěn)定性和先進(jìn)性。

[1]徐得鴻，馬皓，汪檁生.電力電子技術(shù)[M].北京：科學(xué)出版社，2006.

[2]錢宏章.DSP和模糊控制技術(shù)在在線式UPS中的應(yīng)用研究[D].蘇州：蘇州大學(xué)，2008.

[3]劉文軍，羅玉峰.開關(guān)電源模糊控制PID的設(shè)計(jì)和MATLAB仿真研究[J].微型計(jì)算機(jī)，2006，3（28）:36-72.

[4]朱旋.單相Delta變換式UPS的研究[D].淮南：安徽理工大學(xué)，2006：43-44．