基于模糊自适应PID控制的汽油发电机逆变电源设计*

户 永 清

(四川文理学院 物理与机电工程学院，四川 达州 635000)

在实际的生产和生活中，户外流动作业需要移动电源和企事业单位急需备用电源时，汽油发电机作为移动式独立电源有不可替代的作用。中小型汽油发电机输出的是频率和电压都与市电不同的三相交流电，电压和频率的值比较高，不符合大多数设备的用电要求，以小型汽油发电机与逆变电源相结合的便携式一体化发电机能够较好的满足需要。目前，大部分产品效率不高，逆变电源的波形质量和动态响应不理想，主要原因是汽油发电机的工作过程受负载影响具有明显的时变性、非线性和不确定性，很难建立精确数学模型。本设计将模糊控制算法和传统PID控制相结合可以很好地解决上述问题，对汽油发电机油门进行模糊控制实现了逆变电源的稳定输出，并达到了较好的节能效果。模糊控制器不要求确定受控对象的精确数学模型，而根据控制规则组织控制决策表，由控制决策表决定控制量的大小。将模糊控制器和传统PID控制相结合产生出模糊自适应PID控制器，使系统既具有模糊控制的灵活性和适应性强的优点，又具有PID控制精度高的优势[1]。

1 汽油发电机逆变电源系统工作原理

本文所用的汽油发电机主要由汽油机、同步交流发电机和控制器组成。它们安装在同一底架上，汽油机与发电机之间通常采用钢性连接，组成小型独立的移动电站，发电机将热能转变成为机械能，然后通过曲轴连杆机构带动同步交流发电机发电，发出的交流电电压为350 V左右，频率为400～630 Hz，最后通过逆变电源系统转换为负载所能使用的交流电。逆变电源系统首先将汽油机输出的三相交流电通过三相整流桥变成直流高电压，然后经过降压环节将电压降至350 V左右，最后通过逆变环节和LC滤波器将输出电压变换成220 V/50 Hz的交流电供负载使用 。整个系统的工作过程非常复杂，汽油机的热力参数、机械参数、液体动力参数都在实时的变化，具有明显的时变性、非线性和不确定性，要想获得较好的调速性能和波形输出，主电路拓扑结构和控制方案的选择就显得尤为重要。本逆变系统以降压电路输出的直流电压作为反馈量进行控制，通过调节降压电路的脉宽占空比和汽油机的油门开度来保持降压部分输出电压的恒定。当所带负载发生改变时，首先由降压控制电路进行调节，如果降压环节无法保证直流侧电压稳定，则可以通过模糊控制器对汽油机转速进行调节，使直流侧电压保持稳定。

汽油机模糊控制器的设计是本文的一个特色，但同时也是系统设计的难点。并不要求对汽油机的转速进行高精度的控制，而是针对汽油机逆变电源所带负载的轻重能够自动调节输出功率的大小，使汽油发电机在特定转速下利用充分，运行安全，在满足输出电压调节快速性的基础上达到节能降耗的目的。

通常汽油机的转速调节是通过控制化油器来完成的，化油器设有节气门，通过改变节气门的开度，可以改变可燃混合气体供入气缸的数量，从而达到调节汽油发电机输出转速和功率的目的。在此选用的汽油发电机自带小型步进电动机作为执行器，通过控制步进电机就可以实现对化油器节气门的控制，调节节气门的开度，可以改变可燃混合气供入气缸的数量，从而达到调节汽油发电机输出转速和功率的目的。

2 逆变电源系统设计

2.1 系统主电路结构

系统总结构如图1所示。中频发电机发出的三相交流电经过不控整流之后变为直流电压，为了使输出电压更加平稳，在整流之后加入了大电容滤波，然后经过降压式变换电路(BUCK电路)将电压变为370 V直流电压，最后经过单相桥式SPWM逆变电路和LC滤波环节，得到220 V/50 Hz的交流电供负载使用[1]。

图1 主电路原理图

2.2 系统控制方案和整体框图

控制电路以单片机为中心，为使输出电压在负载变化时能够稳定，首先在降压环节中引入了传统的PID控制算法，采用带负反馈的脉宽调制芯片将降压电路输出电压稳定在370 V ，以使逆变器输出稳定的220 V/50 Hz交流电，当降压环节不能使输出电压达到稳定时，则根据反馈电压与给定电压的偏差及偏差的变化率作为汽油机模糊控制器的输入量进行调节，得到合适的节气门开度，即可实现输出电压的稳定和良好的动态性能。逆变电路采用固定SPWM调制比的开环控制方式，用PIC16F873开发了专用的SPWM 控制器。整个控制框图如图2所示[2]。

图2 系统控制框图

降压电路的控制选用BUCK电路的电压模式控制方式，相对于电流控制方式，它的响应速度较慢，但是不需要精确的电流检测电路，闭环设计、调试比较容易。经过仿真和实验验证，它完全能够满足系统的要求，因此从提高电路可靠性和性价比出发，选择了单闭环的电压模式控制。调节器的设计既可以采用单片机也可以采用集成的PWM调制芯片来实现，单片机构成的调节器控制算法灵活，但外围电路复杂，本系统选用集成PWM控制器SG3525构成BUCK电路的闭环控制调节器，电路简洁可靠，功能完备，达到了连续快速调节的目的[3]。

逆变环节的主要任务就是将降压电路输出的直流电压通过逆变控制器和LC滤波输出稳 定的 220 V/50 Hz的正弦波。利用PIC单片机速度快，片内资源丰富的特点设计了专用SPWM控制器，整个SPWM控制器以PIC16F873为中心。它的性价比较高，而且通过单片机内部程序的设计，可以灵活地满足系统的要求，对于开关频率低于40 kHz的电路是较好的选择[4]。

SPWM控制器的程序设计功能较为单一，可以先根据逆变电路的调制比计算一个周期内所有脉冲的占空比，然后将这些数据制成SPWM控制查询表存入系统的程序存储器中，单片机在执行任务时只需按顺序调用查询表就能实现对逆变桥的控制功能。根据系统逆变和LC滤除高次谐波的要求，逆变桥的开关频率取20 kHz，因此驱动模块选用光耦TLP250能较好地满足要求。

系统除了降压和逆变环节以外，还包括油门控制、辅助电源以及显示和键盘等电路的设计。发电机的油门控制主要是通过主控单片机对步进电机的控制来实现的。逆变电源的人机接口电路主要包括系统的工作及故障显示、油箱的低限报警、满载和节油、工作方式的切换以及系统的启停控制等，它们大多是通过主控单片机的实现。另外，汽油发电机属于独立电源，控制系统的供电需利用发电机模块绕组发出的交流电变换而成。由于逆变电路需要几路相互独立的驱动电源，为了使电路简洁，设计了有多路副输出的反激式开关电源给控制系统供电，较好地满足了整个电路的供电要求 。

3 模糊控制器及算法软件设计

3.1 模糊控制器原理与结构

模糊控制器实质是反映输入语言变量、输出语言变量与语言控制规则的模糊定量关系及其算法结构。其功能的实现是要先把计算机观测控制过程得到的精确量转化为模糊输入信息，按照一定的模糊语言规则进行推理，最后将推理得出的结果进行解模糊得到控制变量的精确输出值，作用于被控对象，即可在复杂的被控过程中取得良好的控制效果。模糊控制器的结构通常是由它的输入和输出变量、模糊化、模糊推理和决策算法、模糊判决等部分组成，结构如图3所示。

图3 模糊原理控制框图

模糊控制器的设计主要是实现模糊控制算法的软件设计，主要包括以下几个方面：确定模糊控制器的输入和输出变量，选择输入和输出变量的论域；变量的语言描述和赋值表的建立；设计模糊控制规则；确立模糊化和解模糊化方法，生成控制表。

3.2 模糊控制算法软件设计

主控单片机的程序设计主要包括油门模糊控制程序、系统故障时的中断保护程序、以及按键和处理程序。其中油门的模糊控制的程序设计是整个系统的难点和核心，如果控制量计算不合适非但不能达到节能降耗的目的，还将造成系统的振荡和输出电压不稳定。

通过软件编程将模糊控制查询表保存到PIC16F877单片机的程序存储器中，在实时控制中，为了易于测量和控制，控制器的输入变量直接选用降压环节输出电压的偏差E和偏差的变化率EC，计算机根据采样的量求得偏差和偏差的变化率，并对其量化得到元素EK和ECK，查表得到控制器的输出变量即步进电机的步进步数YK，从而实现控制汽油机的节气门开度。由此可见，利用此模糊控制查询表，省去了大量模糊推理和模糊判决的时间，效率得到很大提高[5]。

在实际的运行当中，把系统的工作方式分为两种，分别为全速工作模式和节油工作模式。在满载工作方式下，化油器节气门开到最大，不管所带负载大小，汽油机总以全速模式运行，当负载发生改变时，设计了汽油机逆变电源的节油工作模式，它能根据系统所带负载的大小自动调节节气门，负载重时开大节气门，汽油机以较高转速工作，负载轻时关小节气门，汽油机以较低转速工作。

电源运行过程中，当负载发生变化时，首先判断系统的工作模式，在全速工作模式下，仅通过降压环节进行调节，如果输出电压不能稳定，则进行过载处理。

图4 程序流程图

在节油模式下，首先由降压环节进行调节，如果输出电压在要求时间内(一般为几十毫秒)不能稳定，则启动油门模糊控制程序进行调节。调节的最终目的是使降压环节输出电压稳定在370 V，并使汽油发电机尽量工作在额定电流状态下，电机利用充分，运行安全。整个程序采用C语言编程[6]。程序流程如图4(a)所示，由于降压环节和汽油机化油器工作都属于惯性环节，电压和转速的调节需要一定的时间，所以在主程序中加入了延时处理。另外，中断程序流程图如图4(b)所示。

3.3 模糊控制器硬件设计

模糊控制器的硬件主要是以PIC16F873单片机为核心来实现的，作为主控单片机，它还要接收系统的过流、过热等故障信号，并对这些情况进行处理：同时它还能根据操作者要求对汽油机逆变电源做出全速和节油两种工作方式的切换。在实际运行试验中，需要根据系统的动态性能要求对模糊控制器进行动态的的改进。比如模糊控制规则的简单调整，比例因子和量化因子的改变等。

4 实验结果及分析

根据本文的设计制作了1 KVA 的中频发电机逆变电源样机一套，进行试验测试及分析。实验测试证明输出电压的调节速度、电压值、频率以及波形畸变率等各项指标都具有较好的性能。本文针对汽油机工作过程具有可变性，很难建立精确数学模型的情况，提出了汽油机的模糊控制调速方法。通过对汽油发电机化油器节气门的模糊控制达到自动调节汽油机输出转速和功率的目的。模糊控制器通过硬件和软件上的灵活设计保证其在节油降耗的基础上具有良好的稳定性和动态性能，取得了令人满意的控制精度。整个方案外围电路简洁，系统可靠性高，是一款高性能的独立式逆变电源。

参考文献：

[1] 黄俊，王兆安.电力电子变流技术[M].北京：机械工业出版社，1993

[2] 焦营营，姚福安.便携式汽油发电机逆变电源的研制[J].机电一体化，2006(2)：25-29

[3] 黄晓林.脉宽调制器SG3525及其在变频电源中的应用研究[J].电气传动，2005，35(10)：42-45

[4] 胡兴柳，彭小兵，穆新华.SPWM 逆变电源的单极性控制方式实现[J].机电工程，2004，21(1)：38-41

[5] 张晓名.电机调速的模糊微机化控制系统[J].微计算机信息，2005(5)：46-47

[6] 刘和平.PIC16F87X 单片机实用软件与接口技术——C语言及其应用[M].北京：北京航空航天大学出版社，2002