基于模糊PID控制的逆变器研究

杨 帆

（安徽理工大学电气与信息工程学院，安徽 淮南 232001）

0 引言

传统的PID 控制器在使用时只需设定比例、积分、微分三个参数即可，使用方便，计算量小且鲁棒性较好，因此在工业控制过程中有着广泛的应用。但由于逆变器控制等场合难以建立准确的数学模型，PID 参数整定也就成了一个复杂的问题，依靠专家经验和人工试凑的方法不仅不够准确，而且比较耗时[1]。

本文引入模糊PID 控制策略，将模糊自适应控制与数字PID 控制相结合，通过模糊控制规则实现参数在线自整定。Matlab 仿真实验结果表明，该控制方法稳态输出精度较高，提高了逆变系统输出的正弦波质量。

1 模糊自适应PID 控制器的设计

1.1 控制器结构

控制器结构如图1 所示，以逆变器系统作为被控对象，将其滤波输出的正弦交流电压信号和输入参考正弦电压信号的误差E 和误差变化率Ec 作为输入，在运行过程中不断检测，并进行模糊化处理。根据PID 参数整定原则制定模糊规则表，通过查表和模糊运算输出修正参数△Kp，△Ki 和△Kd，在传统PID 参数的初值基础上增加修正参数即可实现参数自整定。整定后的PID 参数Kp、Ki、Kd 由式（1）所示，其中Kp*、Ki*、Kd* 为预整定值，tp，ti，td 为修正系数。[2]

图1 控制器结构图

1.2 控制算法设计

模糊控制器的输入变量为E 和Ec，输出变量分别为和△Kp、△Ki和△Kd，各变量语言值为：{负大，负中，负小，零，正小，正中，正大}，记为[NB，NM，NS，ZE，PS，PM，PB]，选用灵敏度灵较强的三角函数作为隶属函数，模糊控制器中各变量的基本论域取值为：E=[-3 3]，Ec=[-3 3]，△Kp=[-0.3 0.3]，△Ki=[-0.06 0.06]，△Kd=[-3 3]。

根据文献中提到的参数整定原则进行参数整定[3]，通过模糊推理和实验修正得到模糊控制规则表，如表1 所示。

表1 模糊控制规则表

2 逆变器仿真模型设计

搭建如图2 所示的逆变器控制系统仿真模型。其中包括模糊PID子模块，SPWM 波产生模块和逆变器模块。通过Repeating Sequence 模块产生频率为2KHz 的三角波作为基波，Sine Wave 模块产生频率为50Hz 的正弦波作为载波，通过模糊自适应PID 送到SPWM 产生模块，实现SPWM 输出，调制度为0.915，最终逆变输出有效值为220V，频率为50Hz 的正弦交流电压。

图2 逆变器控制系统仿真模型

其中模糊自适应PID 子模块框图如图3 所示，仿真过程中可以根据参数变化改变Gain3 和Gain7 的值，以达到需要的效果。

图3 模糊PID 子模块框图

3 仿真结果分析

仿真结果如图4 所示，由输出电压和电流可以看出，输出波形比较稳定，能很快接近标准正弦波，输出电压误差在1%以内。阻性负载突变时电压波形基本不变，电流波形非常接近正弦波，验证了模糊自适应PID 在逆变器控制系统中应用的可行性和可靠性。

图4 输出电压和电流

4 结束语

本文提出了一种基于模糊自适应PID 的矿用逆变器控制方法，经过仿真和比较分析，验证了该控制方法的可行性和有效性。当然，由于控制算法相对复杂，运行速度相对较慢，在实际应用中对硬件要求较高，还需要进一步的优化。

［1］何鹏.基于Matlab 的模糊PID 控制器设计与仿真研究[J].微型电脑应用，2010，26(4)：59-64.

［2］顾生杰，刘春娟.一种参数自整定模糊PID 控制器的研究[J].电气传动自动化，2003，25(6)-30.

［3］汤秀芬.模糊自适应PID 控制器参数整定的研究[J].工业控制计算机，2012，25(2)：55-58.

［4］田淑杭，姜丽娟.一种参数自整定模糊PID 控制器的研究[J].电气传动自动化，2003，25(6)：28-30.

［5］刘兴堂.应用自适应控制[M].西安：西北工业大学出版社，2003.5.

［6］吴振顺，姚建均，岳东海.模糊自整定PID 控制器的设计及其应用[J].哈尔滨工业大学学报.2004.36(11)：1578-1580.