??? 摘? 要： 提出了一種基于專家PID控制策略" title="控制策略">控制策略的逆變電源" title="逆變電源">逆變電源控制方案，并利用Matlab/Simulink" title="Matlab/Simulink">Matlab/Simulink進(jìn)行了系統(tǒng)仿真和驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明該方案能得到高質(zhì)量的輸出波形，滿足了逆變電源的控制要求。
??? 關(guān)鍵詞： 專家PID控制? 逆變電源? Matlab/Simulink

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??? 近年來(lái)，隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，逆變電源越來(lái)越廣泛地應(yīng)用于工業(yè)、軍事、醫(yī)療、航空航天等領(lǐng)域。設(shè)計(jì)高性能" title="高性能">高性能逆變電源是當(dāng)前逆變電源的發(fā)展趨勢(shì)之一，逆變電源的高性能主要表現(xiàn)在：穩(wěn)壓性能好、輸出電壓" title="輸出電壓">輸出電壓波形質(zhì)量高、負(fù)載適應(yīng)性強(qiáng)、動(dòng)態(tài)特性好等方面。為了獲得高質(zhì)量的正弦輸出電壓波形，人們將現(xiàn)代控制理論應(yīng)用到逆變電源系統(tǒng)的控制中，提出了很多基于調(diào)制策略的控制方法^[1-2]。
??? PID控制是一種建立在經(jīng)典控制理論基礎(chǔ)上的控制策略，由于其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便而成為工業(yè)控制的主要技術(shù)之一，長(zhǎng)期以來(lái)廣泛應(yīng)用于工業(yè)過(guò)程控制的各個(gè)領(lǐng)域。然而，常規(guī)PID控制有許多不完善之處，如控制器的參數(shù)在整定好以后，一般不能隨著控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)狀況而改變，動(dòng)態(tài)響應(yīng)比較慢等^[3-5]。
??? 本文將專家PID控制策略引入逆變電源控制，并對(duì)受控對(duì)象和控制規(guī)律進(jìn)行分析，利用專家經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)控制器。通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)證明，專家PID控制改善了逆變電源系統(tǒng)的穩(wěn)定性能，提高了波形質(zhì)量，系統(tǒng)兼具良好的動(dòng)、靜態(tài)性能，能夠滿足高性能場(chǎng)合的要求。
1 數(shù)學(xué)模型
??? 圖1為一個(gè)帶LC濾波器的單相全橋逆變器的主電路結(jié)構(gòu)圖。

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??? 以V_C和i_L為狀態(tài)變量，系統(tǒng)的狀態(tài)方程可列寫為：
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????上式經(jīng)拉普拉斯變換，可解出V_C：?
??? 當(dāng)逆變器空載時(shí)，i_O=0。則
???
??? 由于濾波電感等效內(nèi)阻R很小，此時(shí)逆變器可近似認(rèn)為是一無(wú)阻尼二階振蕩環(huán)節(jié)。
2 專家PID控制
?? 專家控制（Expert Control）的實(shí)質(zhì)是基于受控對(duì)象和控制規(guī)律的各種知識(shí)，以智能控制的方式設(shè)計(jì)控制器^[3]。專家PID控制通過(guò)綜合利用開(kāi)關(guān)控制和PID控制的優(yōu)點(diǎn)，在線實(shí)時(shí)調(diào)整調(diào)節(jié)器參數(shù)，使控制器能夠根據(jù)系統(tǒng)調(diào)節(jié)過(guò)程中偏差的大小和變化趨勢(shì)進(jìn)行分區(qū)調(diào)節(jié)，使之具有較強(qiáng)的自適應(yīng)能力^[4-5]。專家PID控制框圖如圖2所示。

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2.1 數(shù)據(jù)庫(kù)
??? 數(shù)據(jù)庫(kù)的主要功能信息是：(1)從實(shí)際系統(tǒng)獲得輸入、輸出數(shù)據(jù),并存儲(chǔ)歷史數(shù)據(jù)。(2)用戶設(shè)置的系統(tǒng)性能指標(biāo)。(3)控制器各調(diào)節(jié)規(guī)律的初始值。(4)系統(tǒng)在控制過(guò)程中的各種特征參數(shù)，如偏差范圍、上下限幅值等^[5]。
??? 在獲取系統(tǒng)信息之后，合理地將其表達(dá)出來(lái)是人工智能中的一項(xiàng)重要內(nèi)容，在此采用產(chǎn)生式規(guī)則來(lái)表示系統(tǒng)知識(shí)。其結(jié)構(gòu)是：
??? IFThen
2.2 規(guī)則庫(kù)
??? 規(guī)則庫(kù)存儲(chǔ)著專家水平的控制規(guī)則，這些規(guī)則是在總結(jié)操作人員經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上建立的一套適合于不同情況的控制規(guī)則，它反映了人的智能控制行為,通常采用產(chǎn)生式結(jié)構(gòu)：IF<前提>Then<結(jié)論>。根據(jù)系統(tǒng)輸出與設(shè)定值的偏差范圍，控制器分以下五種情況對(duì)控制器參數(shù)進(jìn)行合適的選擇和調(diào)節(jié)^[3]：
??? (1)當(dāng)|e(k)|>M₁時(shí)，說(shuō)明誤差的絕對(duì)值已經(jīng)很大，無(wú)論誤差的變化趨勢(shì)如何，都應(yīng)使控制器的輸出達(dá)到最大或最小，使誤差絕對(duì)值以最大速度減小。
??? (2)當(dāng)e(k)·Δe(k)0時(shí)，說(shuō)明誤差在朝誤差絕對(duì)值增大方向變化或誤差為常值。此時(shí)，如果|e(k)|M₂，說(shuō)明誤差也較大，應(yīng)使控制器實(shí)施較強(qiáng)的控制作用。控制器輸出為：
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??? 當(dāng)|e(k)|2時(shí)，誤差絕對(duì)值并不很大，應(yīng)實(shí)施一般控制作用?？刂破鬏敵鰹椋?BR>???

??? (3)當(dāng)e(k)·Δe(k)<0且e(k)·Δe(k)>0或者e(k)=0時(shí)，說(shuō)明誤差絕對(duì)值朝減小方向變化或已達(dá)平衡狀態(tài)，此時(shí)保持控制器輸出不變。
　　(4)當(dāng)e(k)·Δe(k)<0且e(k)·Δe(k-1)<0時(shí)，說(shuō)明誤差處于極值狀態(tài)。如果|e(k)|M₂，應(yīng)實(shí)施較強(qiáng)的控制作用。控制器輸出為：
??? u(k)=u(k-1)+k₁ K_p e(k)
??? 如果|e(k)+2，應(yīng)實(shí)施較弱的控制作用。控制器輸出為：
??? u(k)=u(k-1)+k2 Kp e(k)
??? (5)當(dāng)|e(k)|<ε時(shí)，說(shuō)明誤差的絕對(duì)值很小，此時(shí)應(yīng)加入積分，減小穩(wěn)態(tài)誤差。
??? 在上面各式中,e(k)為誤差e的第k個(gè)值；u(k)為控制器的第k次輸出；k₁、k₂為增益放大系數(shù)，且02<11； M1、M2為設(shè)定的誤差界限，且021；ε為任意小的正實(shí)數(shù)。
3 系統(tǒng)仿真及結(jié)果分析
??? 基于以上分析，利用Matlab/Simulink對(duì)本設(shè)計(jì)方案進(jìn)行仿真?？刂破鞑捎秒x散S函數(shù)與Simulink模塊相結(jié)合的方式實(shí)現(xiàn)，控制器參數(shù)、控制上下限及采樣時(shí)間采用封裝的形式設(shè)定。仿真電路如圖3所示。

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??? 主要參數(shù)：開(kāi)關(guān)頻率為3kHz，采樣頻率為10kHz；輸入直流電壓為500V；輸出為正弦交流電壓，電壓為220V，頻率為50Hz；輸出濾波電感、濾波電容分別為40mH、100μF。
??? 在電路仿真過(guò)程中，分別使用專家PID控制和普通PID控制對(duì)逆變電路實(shí)施控制，對(duì)兩者的輸出電壓和誤差信號(hào)的波形進(jìn)行對(duì)比，仿真結(jié)果如圖4所示。
??? 圖4(a)和圖4(b)分別為普通PID控制和專家PID控制時(shí)輸出電壓波形；圖4(c)和4(d)分別為普通PID控制和專家PID控制時(shí)輸出電壓誤差的波形。由圖4可見(jiàn)：在專家PID控制作用下逆變器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快、超調(diào)小，輸出穩(wěn)定后其幅值變化量很小，誤差值在1.5V之內(nèi)。

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??? 圖5為專家PID控制時(shí)輸出電壓的諧波分析。這里只分析到25次諧波，總諧波畸變率THD<3％。

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????本文提出了一種基于專家PID控制策略的逆變電源控制方案，并進(jìn)行了理論分析和Matlab／Simulink仿真。從仿真結(jié)果可以看出，該方案融合了專家控制和PID控制的優(yōu)點(diǎn)，具有較好的動(dòng)靜態(tài)特性，滿足了逆變電源的控制要求。同時(shí)該方案控制器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、編程方便、實(shí)時(shí)性好，易于在單片機(jī)和DSP上實(shí)現(xiàn)。
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