SEPIC变换器模糊自适应PID控制参数算法研究

张鹰，高嵬，赵淑琴



SEPIC变换器模糊自适应PID控制参数算法研究

张鹰1，高嵬2，赵淑琴3

(1. 海军驻438厂军事代表室, 武汉 430060；2. 海军工程大学电气工程学院, 武汉 430033；3. 中国舰船研究设计中心, 武汉 430064)

模糊自适应PID控制已经在各类电力电子装置中得到普遍应用，可以实现对PID参数的最佳调整。目前该控制方法已应用于Buck和Boost直流变换器上，在理论和实践应用上都取得良好效果。本文以Sepic变换器为研究对象，将模糊自适应PID控制方法应用于此型变换器上，通过对整定规则的理论分析和仿真研究，进而得出了模糊自适应PID控制方法的仿真效果。

Sepic变换器 模糊自适应PID控制 参数整定 算法

0 概述

模糊自适应PID控制就是运用模糊数学的基本理论和方法，把规则的条件、操作用模糊集表示，并把这些模糊控制规则及有关信息作为知识存入计算机知识库中，然后计算机根据控制系统的实际响应情况，运用模糊推理，既可自动实现对PID参数的最佳调整。

在国内外，已经有很多学者将模糊自适应PID控制应用于直流变换器上，无论理论上的分析和研究，还是实践上的应用与实现，都得到了良好的效果[1-4]。

1 模糊控制的基本原理和原则

1.1 基本原理

模糊自适应PID控制器的结构如图1所示，其中rin为系统输入，yout为系统输出，error为系统输入与输出的差，ec为误差的变化率。

设PID控制器的输出量为u(t)，输入量为e(t)，它们的关系为：

式中K为比例增益，K为积分增益，K为微分增益。模糊自适应参数整定就是寻求该三个参数与e、ec之间的关系。

1.2 基本原则

通过多次操作经验总结结合理论分析可以归纳出偏差e、偏差变化率ec跟PID调节器的三个参数KKK间，存在如下关系。

（1）当ê()ê较大时，为加快系统响应速度，应取较大的K，这样可以使系统的时间常数和阻尼系数减小。当然不得过大，否则会导致系统不稳定；为避免系统在开始时可能引起的超范围控制作用，应取较小的K，以便加快系统响应；为避免出现较大的超调，可以去掉积分作用，取K=0。

（2）当ê()处于中等大小时，应取较小的K，使系统响应的超调略小一点；此时K的取值对系统较为关键，为保证系统的响应速度，K的取值要恰当；此时可适当增加一点K，但不得过大。

（3）当ê()较小时，为使系统具有良好的稳态性能，可取较大的K ,K；为避免系统在平衡点出现震荡，K的取值应恰当。

下面得到PID调节器三个参数的模糊控制表。其中，NB、NM、NS、ZO、PS、PM、PB分别表示负大、负中、负小、零、正小、正中、正大。

2 工作流程和仿真分析

2.1 工作流程

将系统误差和误差变化率变化范围定义模糊集上的论域：

其模糊子集为

设和KKK均服从正态分布，因此可导出各模糊子集的隶属度，根据各子集的隶属度赋值表和各参数模糊控制模型，应用模糊合成推理设计PID参数的模糊矩阵表，查出修正参数代入下式计算：

(2)

在线运行过程中，控制系统通过对模糊逻辑规则的结果处理、查表和运算，完成对PID参数的在线自校正，其工作流程如图2所示。

2.2 仿真分析

根据模糊控制表设计出49条模糊规则，运用MATLAB的模糊推理系统可以得到模糊自适应PID控制中的三个参数KKK与和之间的关系如图3、4、5所示[5]。

图3 输出量KP曲面观测窗

图4 输出量KI曲面观测窗

图5 输出量KD曲面观测窗

跟据[6]所求得的SEPIC变换器的传递函数，在宽幅压320 -180 V条件下，选用输入电压为220 V，占空比为0.5，可得此时的传递函数为下式，经仿真可得，系统的BODE图为图6所示[7]。

对于一个稳定的电压可调系统，其增益裕量应大于6 dB，相角裕量应大于45°[8]，而该系统的相角稳定裕量仅为=2.236°。因此，可以采用PID控制器来提高系统的稳定性，其传递函数为

令K=1，K=0.001，K=0.03，补偿后的相角裕量约为890，增加了系统的稳定性。

表1 K模糊规则表

表2 K模糊控制表

表3 K模糊控制表

3 结论

针对宽幅压工况下的输入电压扰动以及SEPIC电路自身的强非线性特点，本文尝试性地将模糊自适应PID控制运用到SEPIC变换器上，经过仿真，得到了理想的效果。

[1] 王宝瑛，朱方明，曹秉刚等．电动汽车用DC/DC变换器模糊自整定PI控制[J]．电力电子技术，2007，41(1)，48-50．

[2] 任碧莹，余健明，同向前等．混合式自调整模糊控制在DC/DC变换器中的应用[J]．电力电子技术，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] 许会军，王萍．移相全桥变换器的模糊PID预测控制[J]．计算机仿真，2007，24(1)：246-249．

[5] 石辛民，郝整清．模糊控制机及其MATLAB仿真[M]．北京：清华大学出版社，北京交通大学出版社，2008，151-180．

[6] 孙心丰. 基于宽幅压的ZCZVT-PWM SEPIC变换器研究[D]. 武汉：海军工程大学学位论文，2010.

[7] 夏玮，李朝辉，常春藤等．控制系统仿真与实例详解[M]．北京：人民邮电出版社，2008，241-243．

[8] 王萍，辛爱芹，邹宇．高性能模糊PID控制DC/DC变换器[J]．电力电子技术，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

张 鹰（1960-），男，高级工程师。

研究方向：电气与自动控制。