??? 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進行了系統仿真和驗證。實驗結果證明該方案能得到高質量的輸出波形，滿足了逆變電源的控制要求。
??? 關鍵詞： 專家PID控制? 逆變電源? Matlab/Simulink

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??? 近年來，隨著電力電子技術的發展，逆變電源越來越廣泛地應用于工業、軍事、醫療、航空航天等領域。設計高性能" title="高性能">高性能逆變電源是當前逆變電源的發展趨勢之一，逆變電源的高性能主要表現在：穩壓性能好、輸出電壓" title="輸出電壓">輸出電壓波形質量高、負載適應性強、動態特性好等方面。為了獲得高質量的正弦輸出電壓波形，人們將現代控制理論應用到逆變電源系統的控制中，提出了很多基于調制策略的控制方法^[1-2]。
??? PID控制是一種建立在經典控制理論基礎上的控制策略，由于其結構簡單、穩定性好、工作可靠、調整方便而成為工業控制的主要技術之一，長期以來廣泛應用于工業過程控制的各個領域。然而，常規PID控制有許多不完善之處，如控制器的參數在整定好以后，一般不能隨著控制系統的實時狀況而改變，動態響應比較慢等^[3-5]。
??? 本文將專家PID控制策略引入逆變電源控制，并對受控對象和控制規律進行分析，利用專家經驗設計控制器。通過仿真實驗證明，專家PID控制改善了逆變電源系統的穩定性能，提高了波形質量，系統兼具良好的動、靜態性能，能夠滿足高性能場合的要求。
1 數學模型
??? 圖1為一個帶LC濾波器的單相全橋逆變器的主電路結構圖。

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??? 以V_C和i_L為狀態變量，系統的狀態方程可列寫為：
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????上式經拉普拉斯變換，可解出V_C：?
??? 當逆變器空載時，i_O=0。則
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??? 由于濾波電感等效內阻R很小，此時逆變器可近似認為是一無阻尼二階振蕩環節。
2 專家PID控制
?? 專家控制（Expert Control）的實質是基于受控對象和控制規律的各種知識，以智能控制的方式設計控制器^[3]。專家PID控制通過綜合利用開關控制和PID控制的優點，在線實時調整調節器參數，使控制器能夠根據系統調節過程中偏差的大小和變化趨勢進行分區調節，使之具有較強的自適應能力^[4-5]。專家PID控制框圖如圖2所示。

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2.1 數據庫
??? 數據庫的主要功能信息是：(1)從實際系統獲得輸入、輸出數據,并存儲歷史數據。(2)用戶設置的系統性能指標。(3)控制器各調節規律的初始值。(4)系統在控制過程中的各種特征參數，如偏差范圍、上下限幅值等^[5]。
??? 在獲取系統信息之后，合理地將其表達出來是人工智能中的一項重要內容，在此采用產生式規則來表示系統知識。其結構是：
??? IFThen
2.2 規則庫
??? 規則庫存儲著專家水平的控制規則，這些規則是在總結操作人員經驗的基礎上建立的一套適合于不同情況的控制規則，它反映了人的智能控制行為,通常采用產生式結構：IF<前提>Then<結論>。根據系統輸出與設定值的偏差范圍，控制器分以下五種情況對控制器參數進行合適的選擇和調節^[3]：
??? (1)當|e(k)|>M₁時，說明誤差的絕對值已經很大，無論誤差的變化趨勢如何，都應使控制器的輸出達到最大或最小，使誤差絕對值以最大速度減小。
??? (2)當e(k)·Δe(k)0時，說明誤差在朝誤差絕對值增大方向變化或誤差為常值。此時，如果|e(k)|M₂，說明誤差也較大，應使控制器實施較強的控制作用。控制器輸出為：
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??? 當|e(k)|2時，誤差絕對值并不很大，應實施一般控制作用。控制器輸出為：
???

??? (3)當e(k)·Δe(k)<0且e(k)·Δe(k)>0或者e(k)=0時，說明誤差絕對值朝減小方向變化或已達平衡狀態，此時保持控制器輸出不變。
　　(4)當e(k)·Δe(k)<0且e(k)·Δe(k-1)<0時，說明誤差處于極值狀態。如果|e(k)|M₂，應實施較強的控制作用。控制器輸出為：
??? u(k)=u(k-1)+k₁ K_p e(k)
??? 如果|e(k)+2，應實施較弱的控制作用。控制器輸出為：
??? u(k)=u(k-1)+k2 Kp e(k)
??? (5)當|e(k)|<ε時，說明誤差的絕對值很小，此時應加入積分，減小穩態誤差。
??? 在上面各式中,e(k)為誤差e的第k個值；u(k)為控制器的第k次輸出；k₁、k₂為增益放大系數，且02<11； M1、M2為設定的誤差界限，且021；ε為任意小的正實數。
3 系統仿真及結果分析
??? 基于以上分析，利用Matlab/Simulink對本設計方案進行仿真。控制器采用離散S函數與Simulink模塊相結合的方式實現，控制器參數、控制上下限及采樣時間采用封裝的形式設定。仿真電路如圖3所示。

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??? 主要參數：開關頻率為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。
??? 在電路仿真過程中，分別使用專家PID控制和普通PID控制對逆變電路實施控制，對兩者的輸出電壓和誤差信號的波形進行對比，仿真結果如圖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控制時輸出電壓誤差的波形。由圖4可見：在專家PID控制作用下逆變器的動態響應速度快、超調小，輸出穩定后其幅值變化量很小，誤差值在1.5V之內。

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??? 圖5為專家PID控制時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，并進行了理論分析和Matlab／Simulink仿真。從仿真結果可以看出，該方案融合了專家控制和PID控制的優點，具有較好的動靜態特性，滿足了逆變電源的控制要求。同時該方案控制器結構簡單、編程方便、實時性好，易于在單片機和DSP上實現。
參考文獻
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