哈爾濱工業大學
電氣工程系
科目： 智慧型控制技術
姓名學號
2023年 4月
1 引言 1
2 單相全橋逆變系統 1
2.1 單相全橋電路拓撲結構 1
2.2 **系統 1
3 控制器設計 2
3.1 pi控制器設計 2
3.2 模糊控制器設計 3
3.2.1 模糊控制器結構 3
3.2.2 定義隸屬度函式 3
3.2.3 確定規則表 4
4 **結果 5
4.1 直流工作** 5
4.2 交流工作** 6
5 總結 7
近年來，智慧型控制引起了人們的普遍關注，尤其是模糊控制。模糊控制是基於經驗的智慧型控制方法，其控制效果良好，效能優良，因此在工程領域裡得到了廣泛的應用。傳統控制領域中，對控制物件的系統動態效能要求不是很高時，傳統的pi控制足夠滿足要求。
但在高動態效能控制領域，pi控制很難滿足控制要求。
通常在pi控制中，pi引數需要多次試湊才能達到較好的控制效果，有時多次試湊卻無法滿足要求。如超調減小時，調節時間很大；或者調節時間較短時，超調又很大。而模糊控制器則可以明顯減小超調的同時，使調節時間很小，表現出良好的控制效果。
除此外，對於複雜的系統，由於變數太多，往往難以正確的描述系統的動態，於是設計者便利用各種方法來簡化系統動態，以達到控制要求的目的，但卻不盡理想。換言之，傳統的控制理論對於明確系統有強而有力的控制能力，但對於過於複雜或難以精確描述的系統，則顯得無能為力了。因此，對於多變數的複雜系統，如果要求具有更強的響應速度以及動態效能，具有更高的魯棒性，通常可選用模糊控制代替傳統的pi控制策略。
本文使用matlab/simulink**工具，對基本的單相全橋電能變換器進行建模**。分別對使用傳統pi控制策略和使用模糊控制策略進行**，對比兩種控制策略的效能。最後總結出兩種控制器的特點以及適用場合。
單相全橋逆變系統的電路拓撲結構如圖1所示[1]。電路中包含兩個橋臂，每個橋臂上有兩個開關管，總共有四個開關管。根據不同控制演算法生成開關管控制訊號，對四個開關管進行控制。
開關管的輸出電壓經過lc濾波，即可得到最終的輸出電壓。若控制訊號為pwm訊號，則輸出電壓受占空比控制，為~區間內變化的直流電壓；若控制訊號為spwm訊號，則輸出電壓為峰值在0 ~之間變化的交流電壓。
圖1 單相全橋電路拓撲
可對負載輸出端的電壓、電流訊號進行取樣，並作為反饋訊號進行閉環控制。通常的控制策略包括滯緩電流法、直接電壓閉環、電壓電流雙閉環等多種閉環控制策略。
根據單相全橋電路的拓撲結構，建立**模型。使用直接電壓閉環法，直接測量輸出電壓值，進行閉環控制。模型圖如圖2所示。
圖中，單相全橋輸入電壓為300v直流電壓，輸出電壓經過1mh的電感與50μf的電容構成的lc濾波器濾波後，給負載供電。負載r1是阻值為10ω的電阻，負載r2是阻值為1ω的電阻。初始系統只有r1作為負載，當負載電壓達到穩態時，r2作為突加負載併入到負載中，造成擾動。
給定訊號為200v的階躍訊號或者峰值為200v的正弦訊號，可對兩種訊號進行選擇。分別設計了pi控制器和模糊控制器，對系統進行調節控制，並可對兩種控制器進行選擇。
圖2 系統**模型
傳統的pid控制器是根據給定值r(t)與實際輸出值y(t)構成控制偏差e(t)=r(t)-y(t)，然後對偏差e(t)進行比例，積分和微分運算，然後將三者加起來，輸出控制訊號，其數學表示式如式所示：
通常pid控制中由於測量誤差的存在會使微分作用放大，如果微分放大係數kd設定不當會引起系統不穩定等問題，因此一般使用圖3所示的pi控制器，其數學表示式如式所示：
圖3 pi控制器結構圖
對於pi調節器，需要針引數kp和ki進行調節，從而調整系統效能，使其達到使用要求。在此調節器中，還有乙個引數kc，其作用是抑制調節器的積分飽和，使其能夠盡快退出積分飽和區。
模糊控制器的設計分三步：首先確定控制器的輸入和輸出變數個數；其次確定輸入和輸出變數的模糊集合，即分配合適的隸屬度函式；最後確定模糊控制規則表，根據規則表編輯控制語句[2]。
模糊控制器由輸入空間，模糊控制規則，輸出空間組成，輸入越多則控制器維數越高，控制器越複雜。利用matlab提供的模糊控制器設計工具fuzzy從第一步開始設計本文所需的模糊速度控制器。為了較快速的實現控制，根據誤差e及誤差的變化ce可以動態的調整輸出量的給定。
即在誤差e較大時，如果誤差正在加速減小，則可以適當減小控制量，如果誤差減小的較慢，則可以增大空置量等等。因此利用誤差及誤差的變化可以使系統快速穩定。而系統就乙個控制輸出量，因此可以確定系統有兩個輸入，乙個輸出，其系統結構如圖4所示。
圖4 模糊控制器結構圖
圖5 誤差e的隸屬度函式分配圖
為了提高系統的控制精度，對控制物件誤差範圍進行限幅，將誤差e的隸屬度函式定義在±1v之內。±1v之外的誤差均分別作為1v和﹣1v處理，進而保證系統進行模糊控制的精度。為了細化控制誤差區間由7個三角波形式的隸屬度函式組成，分別為nb，nm，ns，z，ps，pm，pb，如圖5所示。
為了控制簡單，誤差變化量ce也用7個隸屬度函式表達，由於誤差的變化範圍較廣，變化率即斜率為(-∞，+∞)，但是實際斜率經過處理後的主要存在與區間 (-100，+100)內。這樣即便系統給定為階躍訊號，也能滿足控制要求，因此ce的變化區間設定為(-100，+100)。其隸屬度函式分配圖如下圖6所示。
圖6 誤差ce的隸屬度函式分配圖
同樣利用7個隸屬度函式將輸出空間分成對應不同大小控制量的模糊輸出集合。輸出量cu作為pwm脈衝發生器的輸入訊號，其變化範圍為(-1，+1)。同時考慮到實際使用的開關管占空比需要進行限幅，因此將其中輸出量cu的取值區間設定為(-0.
95，+0.95)。隸屬度函式分配圖如圖7所示：
圖7 誤差cu的隸屬度函式分配圖
這樣就確定了輸入變數和輸出變數的模糊空間集合，如下只要根據經驗確定規則表即可完成模糊控制器的設定。根據文獻採用如表1所示的規則表[3]，其中規則表大部分都已定義好，如果需要優化可以進行細微的改動。
表1 模糊控制規則表
根據以上模糊控制規則表，可以得出模糊規則的曲面，如圖8所示。
圖8 模糊控制規則曲面
圖9 200v直流階躍與突加負載擾動的輸出電壓
圖10 r1=100ω時200v直流階躍與突加負載擾動的輸出電壓
如圖9所示，為給定訊號為0.005s時的200v階躍訊號，且在0.015s時突加負載r2的輸出電壓響應曲線。
可以看到使用pi控制器時，輸出電壓在給定階躍訊號的暫態過程中超調量非常大，且振盪非常嚴重。突加負載的暫態過程中也有很大的超調量。而使用模糊控制時，系統的暫態過程新能非常好，不存在超調量。
說明模糊控制的暫態效能強於pi控制
如圖10所示，將系統中的負載電阻r1的阻值由10ω改為100ω後，系統輸出電壓的發生了振盪，無法完成閉環控制。而這一改變對於模糊控制的系統沒有影響。說明模糊控制魯棒性強於pi控制。
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