金 平， 尚 凱

（1.中國商用飛機上海飛機設計研究院 上海 200232；

2.西北工業(yè)大學 無人機特種技術重點實驗室，陜西 西安 710065）

隨著正弦波脈寬調制（SPWM）逆變技術的日益成熟，逆變電源被廣泛應用到微波通訊、野外活動、高速公路、海島、軍事、醫(yī)療、航空航天等各個領域。逆變電源的負載可能具有不同的性質，如阻性負載、感性負載和整流型負載等，當某一負載投入運行時，特別是非線性負載，很可能引起逆變器的輸出電壓波形周期性畸變，諧波增加。諧波對供電系統(tǒng)的污染日益嚴重，它對各種電氣設備都有不同程度的影響和危害[1]。因此逆變電源需要向各種負載提供高質量的電能，也就顯示出了逆變器輸出波形控制的重要性。

逆變電源的控制有多種方案，如閉環(huán)控制[2]，重復控制[3]，無差派控制[4]和模糊控制[5]等。其中模糊控制器以其不需要被控對象的精確數(shù)學模型，較強的魯棒性和自適應能力，查找模糊控制表只需要占用處理器很少的時間等優(yōu)點，因而可以采用較高采樣率來補償模糊控制規(guī)則和實際經(jīng)驗的偏差。文中正是基于模糊控制的原理提出了一套逆變電源的自適應自整定控制方法，并通過SIMULINK仿真實現(xiàn)了逆變電源電路模型的建立、模糊推理運算、自整定和自適應的功能，利用powergui模塊測量了總諧波含量，驗證了該方法的可行性和優(yōu)越性。

1 逆變電源自適應自整定控制系統(tǒng)模型

模糊自適應自整定控制器結合了自適應和自整定的功能，所以該新型控制器的模糊參數(shù)自整定控制器用來在線整定Kp的大小，模糊參數(shù)自適應控制器用來在線自適應比例因子的大小[6]?；谶@些分析，文中設計了該新型控制器的原理框圖，如圖1所示。

MATLAB作為一種開放的編程語言，提供了多種用戶擴展工具，相繼推出的建模可視化功能SIMULINK和工具箱為控制系統(tǒng)仿真和設計提供了有力的工具。MATLAB為電力系統(tǒng)仿真設計了電力系統(tǒng)模塊集，用其中的元件可以方便搭建較為精確的逆變控制系統(tǒng)的仿真模型。

自整定控制器整定Kp，自適應控制器對于自整定控制器的比例因子進行在線調整。誤差e和它的導數(shù)ec作為這兩個二維模糊控制器的輸入，經(jīng)過設置好相應的模糊規(guī)則推理后進行輸出。自整定控制器輸出結果和自適應控制器輸出結果相乘后作為反饋結果信號。這樣就實現(xiàn)了對于逆變電源Kp參數(shù)的在線模糊自整定自適應控制。

2 模糊控制器參數(shù)的設置

在系統(tǒng)控制過程中，比例因子對系統(tǒng)控制性能和穩(wěn)定性影響最為明顯，尤其表現(xiàn)在系統(tǒng)初始運行階段。從手動控制經(jīng)驗看也是如此，操作者主要是根據(jù)誤差和誤差變化，以及系統(tǒng)的控制性能指標來調整控制器的輸出增益，即比例因子的大小，以達到理想的控制效果。比例因子自整定模糊控制器就是基于這種思路而產(chǎn)生的。

圖1 模糊自適應自整定控制器原理框圖Fig.1 Adaptive fuzzy self-tuning controller block diagram

所采用的自整定模塊控制器和自適應模塊控制器的輸入輸出隸屬度函數(shù)均采用七段標準高斯分布函數(shù)，模糊規(guī)則排列方式也相同，差別僅在于分布區(qū)間不同。以自整定控制器模糊規(guī)則圖為例說明所有模糊控制器參數(shù)的設置，如圖2所示。

圖2 自整定控制器模糊規(guī)則圖（輸入和輸出）Fig.2 Self-tuning controller fuzzy rules（Input and Output）

自整定控制器的輸入輸出規(guī)則和區(qū)間分布均相同，按照{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}順序排列。自適應控制器模糊規(guī)則圖的輸入?yún)^(qū)間為[-1，1]，輸出區(qū)間為[0.5，1.5]，排列方式和與圖2所示相同。

3 仿真實驗及波形結果

仿真實驗是通過MATLAB/SIMULINK進行的。其中幅值較大的為仿真電壓波形，幅值較小的為仿真電流波形。通過FFT analysis可以直觀的看到對應仿真波形的總諧波失真（Total Harmonic Distortion， THD）。

3.1 阻性負載 R=10Ω

此處實現(xiàn)的逆變電源[7]系統(tǒng)性能為輸入單相交流電壓220 V，頻率50 Hz；輸出交流電壓115 V（有效值115 V，峰值163 V），頻率400 Hz。在圖3所示的輸出波形圖中，幅值高的為輸出電壓波形，幅值低的為輸出電流波形。由圖可得，自適應自整定控制器阻性負載啟動調節(jié)時間僅為2個周期左右，而且?guī)缀鯚o超調；圖4所示的阻性負載輸出電壓的THD值僅為0.34%，遠小于一般的要求。阻性負載的突減/突加負載波形十分完美，因篇幅所限，阻性負載突減/突加負載波形圖略去。

圖3 帶載啟動電壓波形圖Fig.3 Load to start the voltage waveforms

圖4 阻性負載輸出電壓THD值Fig.4 Resistive load output voltage THD value

3.2 非線性負載（整流橋負載）

將整流橋負載加至逆變器輸出端，并進行仿真實驗。由SIMULINK仿真結果可看出，自適應自整定控制器帶整流橋負載啟動時間僅為2個周期左右如圖5所示，幾乎無超調；非線性負載輸出電壓的THD值僅為0.38%，遠小于一般的要求如圖6所示。

圖5 整流橋負載啟動電壓波形Fig.5 Bridge rectifier load to start the voltage waveform

圖6 整流橋負載輸出電壓THD值Fig.6 Bridge rectifier load output voltage THD value

由圖7所示的突減整流橋負載和圖8所示的突加整流橋負載可看出，該新型控制器對于突變整流橋負載具有十分優(yōu)越的波形。從（圖3～圖8）仿真圖形結果可以看出，無論是線性負載還是非線性負載，無論是啟動波形還是突變負載波形，該新型自適應自整定控制器超調量小，調節(jié)時間短，突加突減負載輸出電壓波形幾乎不變化，性能十分優(yōu)越。

圖7 整流橋突減負載電壓波形Fig.7 Rectifier bridge suddenly reduce the load voltage waveform

圖8 整流橋突加負載電壓波形Fig.8 Rectifier bridge suddenly increase the load voltage waveform

4 結 論

文中針對逆變電源系統(tǒng)提出了一種全新的模糊參數(shù)自整定自適應控制系統(tǒng)。從仿真結果可以看出，這種新的控制方法的引入，既可以實時修改系統(tǒng)的Kp，又可以修改比例因子，從兩方面同時使系統(tǒng)獲得十分優(yōu)良的動態(tài)性能。其快速的響應速度和較強的魯棒性說明這種自整定自適應模糊控制是一種具有實用價值的控制方案，完全能夠逆變電源苛刻的精度要求，對相關工程技術人員有很好地參考價值。

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