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单相全桥变换器模糊控制与PI控制的性能比较 哈尔滨工业大学 电气工程系 科目： 智能控制技术 姓名： 学号： 2015年 4月 目 录 1 引言 1 2 单相全桥逆变系统 1 2.1 单相全桥电路拓扑结构 1 2.2 仿真系统 1 3 控制器设计 2 3.1 PI控制器设计 2 3.2 模糊控制器设计 3 3.2.1 模糊控制器结构 3 3.2.2 定义隶属度函数 3 3.2.3 确定规则表 4 4 仿真结果 5 4.1 直流工作仿真 5 4.2 交流工作仿真 6 5 总结 7 引言 近年来，智能控制引起了人们的普遍关注，尤其是模糊控制。模糊控制是基于经验的智能控制方法，其控制效果良好，性能优良，因此在工程领域里得到了广泛的应用。传统控制领域中，对控制对象的系统动态性能要求不是很高时，传统的PI控制足够满足要求。但在高动态性能控制领域，PI控制很难满足控制要求。 通常在PI控制中，PI参数需要多次试凑才能达到较好的控制效果，有时多次试凑却无法满足要求。如超调减小时，调节时间很大；或者调节时间较短时，超调又很大。而模糊控制器则可以明显减小超调的同时，使调节时间很小，表现出良好的控制效果。除此外，对于复杂的系统，由于变量太多，往往难以正确的描述系统的动态，于是便利用各种方法来简化系统动态，以达控制的目的，但却不尽理想。换言之，传统的控制理论对于明确系统有强而有力的控制能力，但对于过于复杂或难以精确描述的系统，则显得无能为力了。图1所示[1]。电路中包含两个桥臂，每个桥臂上有两个开关管，总共有四个开关管。根据不同控制算法生成开关管控制信号，对四个开关管进行控制。开关管的输出电压经过LC滤波，即可得到最终的输出电压。若控制信号为PWM信号，则输出电压受占空比控制，为~区间内变化的直流电压；若控制信号为SPWM信号，则输出电压为峰值在0 ~之间变化的交流电压。 图1 单相全桥电路拓扑 可对负载输出端的电压、电流信号进行采样，并作为反馈信号进行闭环控制。通常的控制策略包括滞缓电流法、直接电压闭环、电压电流双闭环等多种闭环控制策略。 仿真系统 根据单相全桥电路的拓扑结构，建立仿真模型。使用直接电压闭环法，直接测量输出电压值，进行闭环控制。模型图如图2所示。 图中，单相全桥输入电压为300V直流电压，输出电压经过1mH的电感与50μF的电容构成的LC滤波器滤波后，给负载供电。负载R1是阻值为10Ω的电阻，负载R2是阻值为1Ω的电阻。初始系统只有R1作为负载，当负载电压达到稳态时，R2作为突加负载并入到负载中，造成扰动。给定信号为200V的阶跃信号或者峰值为200V的正弦信号，可对两种信号进行选择。分别设计了PI控制器和模糊控制器，对系统进行调节控制，并可对两种控制器进行选择。 图2 系统仿真模型 控制器设计 PI控制器设计 传统的PID控制器是根据给定值r(t)与实际输出值y(t)构成控制偏差e(t)=r(t)-y(t)，然后对偏差e(t)进行比例，积分和微分运算，然后将三者加起来，输出控制信号，其数学表达式如式所示： 通常PID控制中由于测量误差的存在会使微分作用放大，如果微分放大系数Kd设定不当会引起系统不稳定等问题，因此一般使用图3所示的PI控制器，其数学表达式如式所示： 图3 PI控制器结构图 对于PI调节器，需要针参数Kp和Ki进行调节，从而调整系统性能，使其达到使用要求。在此调节器中，还有一个参数Kc，其作用是抑制调节器的积分饱和，使其能够尽快退出积分饱和区。 模糊控制器设计 模糊控制器的设计分三步：首先确定控制器的输入和输出变量个数；其次确定输入和输出变量的模糊集合，即分配合适的隶属度函数；最后确定模糊控制规则表，根据规则表编辑控制语句[2]。 模糊控制器结构 模糊控制器由输入空间，模糊控制规则，输出空间组成，输入越多则控制器维数越高，控制器越复杂。利用MATLAB提供的模糊控制器设计工具FUZZY从第一步开始设计本文所需的模糊速度控制器。为了较快速的实现控制，根据误差e及误差的变化ce可以动态的调整输出量的给定。即在误差e较大时，如果误差正在加速减小，则可以适当减小控制量，如果误差减小的较慢，则可以增大空置量等等。因此利用误差及误差的变化可以使系统快速稳定。而系统就一个控制输出量，因此可以确定系统有两个输入，一个输出，其系统结构如图4所示。 图4 模糊控制器结构图 定义隶属度函数 图5 误差e的隶属度函数分配图 为了提高系统的控制精度，对控制对象误差范围进行限幅，将误差e的隶属度函数定义在±1V之内。±1V之外的误差均分别作为