智能控制作业

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：14S006XXX2015年4月I目录1引言...................................................................................................................................12单相全桥逆变系统...........................................................................................................12.1单相全桥电路拓扑结构............................................................................................12.2仿真系统....................................................................................................................13控制器设计.......................................................................................................................23.1PI控制器设计...........................................................................................................23.2模糊控制器设计........................................................................................................33.2.1模糊控制器结构................................................................................................33.2.2定义隶属度函数................................................................................................33.2.3确定规则表........................................................................................................44仿真结果...........................................................................................................................54.1直流工作仿真............................................................................................................54.2交流工作仿真............................................................................................................65总结...................................................................................................................................7哈尔滨工业大学设计报告11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，于是设计者便利用各种方法来简化系统动态，以达到控制要求的目的，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。因此，对于多变量的复杂系统，如果要求具有更强的响应速度以及动态性能，具有更高的鲁棒性，通常可选用模糊控制代替传统的PI控制策略。本文使用MATLAB/SIMULINK仿真工具，对基本的单相全桥电能变换器进行建模仿真。分别对使用传统PI控制策略和使用模糊控制策略进行仿真，对比两种控制策略的性能。最后总结出两种控制器的特点以及适用场合。2单相全桥逆变系统2.1单相全桥电路拓扑结构单相全桥逆变系统的电路拓扑结构如图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E~E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~E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。2.2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的电哈尔滨工业大学设计报告2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3控制器设计3.1PI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(1)所示：0()()()()tidpdetutKetKetdtKdt(1)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(2)所示：图3PI控制器结构图哈尔滨工业大学设计报告30()()()tiputKetKetdt(2)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。3.2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]。3.2.1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3.2.2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1V和﹣1V处理，进而保证系统进行模糊控制的精度。为了细化控制误差区间由7个三角波形式的隶属度函数组成，分别为NB，NM，NS，Z，PS，PM，PB，如图5所示。哈尔滨工业大学设计报告4为了控制简单，误差变化量ce也用7个隶属度函数表达，由于误差的变化范围较广，变化率即斜率为(-∞，+∞)，但是实际斜率经过处理后的主要存在与区间(-100，+100)内。这样即便系统给定为阶跃信号，也能满足控制要求，因此ce的变化区间设定为(-100，+100)。其隶属度函数分配图如下图6所示。图6误差ce的隶属度函数分配图同样利用7个隶属度函数将输出空间分成对应不同大小控制量的模糊输出集合。输出量cu作为PWM脉冲发生器的输入信号，其变化范围为(-1，+1)。同时考虑到实际使用的开关管占空比需要进行限幅，因此将其中输出量cu的取值区间设定为(-0.95，+0.95)。隶属度函数分配图如图7所示：图7误差cu的隶属度函数分配图3.2.3确定规则表这样就确定了输入变量和输出变量的模糊空间集合，如下只要根据经验确定规则表即可完成模糊控制器的设定。根据文献采用如表1错误!未找到引用源。所示的规则表[3]，其中规则表大部分都已定义好，如果需要优化可以进行细微的改动。表1模糊控制规则表ECENBNMNSZPSPMPBNBNBNBNBNBNMNSZNMNBNBNMNMNSZPSNSNBNMNSNSZPSPMZNBNMNSZPSPMPBPSNMNSZPSPSPMPBPMNSZPSPMPMPBPBPBZPSPMPBPBPBPB哈尔滨工业大学设计报告5根据以上模糊控制规则表，可以得出模糊规则的曲面，如图8所示。图8模糊控制规则曲面4仿真结果4.1直流工作仿真图9200V直流阶跃与突加负载扰动的输出电压图10R1=100Ω时200V直流阶跃与突加负载扰动的输出电压如图9所示，为给定信号为0.005s时的200V阶跃信号，且在0.015s时突加负载R2的输出电压响应曲线。可以看到使用PI控制器时，输出电压在给定阶跃信号的暂态过程中超调量非常大，且振荡非常严重。突加负载的暂态过程中也有很大的超调量。而使用模糊控制时，系统的暂态过程新能非常好，不存在超调量。说明模糊控制的暂态性能强于PI控制哈尔滨工业大学设计报告6如图10所示，将系统中的负载电阻R1的阻值由10Ω改为100Ω后，系统输出电压的发生了振荡，无法完成闭环控制。而这一改变对于模糊控制的系统没有影响。说明模糊控制鲁棒性强于PI控制。如图11所示，为稳态时的系统直流电压波形。可以看出PI控制在稳态时没有静差，且电压纹波小。而模糊控制存在静差，且电压纹波大。说明模糊控制与PI控制相比，精度较低，稳态性能较差。图11稳态直流电压波形4.2交流工作仿真图12100Hz交流给定电压波形图13200Hz交流给定电压波形哈尔滨工业大学设计报告7如图12和图13所示，分别将电压给定信号设为峰值200V频率100Hz和峰值200V频率200Hz的交流电压信号。可以看到，对于100Hz电压信号，模糊控制的反馈电压信号与给定电压信号基本一致，