曾小波,曠永紅

(1. 湖南理工職業(yè)技術學院，湘潭 411104；2.湖南工程學院 工程訓練中心，湘潭 411104 )

參 考 文 獻

?

基于自適應模糊PID控制的整流器設計與實現(xiàn)

曾小波1,曠永紅2

(1. 湖南理工職業(yè)技術學院，湘潭 411104；2.湖南工程學院 工程訓練中心，湘潭 411104 )

針對現(xiàn)有電化工業(yè)電解槽極化電源主電路普遍采用晶閘管相控整流方案存在的不足，提出了采用交-直-交-直的新型主電路方案，并采用自適應模糊PID控制方法進行軟件設計.闡述了電源系統(tǒng)方案的設計、系統(tǒng)主電路結構及工作原理、控制電路分析.重點研究了自適應模糊PID控制方法的基本原理及軟件實現(xiàn)，并對其控制效果進行了建模和仿真分析，與常規(guī)PID控制算法進行了對比實驗分析.結果表明：自適應模糊PID控制算法相比常規(guī)PID控制算法具有響應速度快、超調量小、穩(wěn)定時間短、電源輸出諧波少、靜態(tài)和動態(tài)性能好等特點.具有良好的應用價值.

自適應模糊PID；極化電源；整流器；DSP；仿真

0 引 言

在電化工業(yè)上，電解槽的陰極常采用極化電源進行保護，電源電流在幾十安到幾百安不等.極化電源具有兩個作用：一是當大功率主電源突發(fā)故障停止時，極化電源立刻投入；二是電解槽停電檢修時，投入極化電源.極化電源主要是向電解槽提供一定的直流電，阻止陰極向外放電，保護電解槽陰極鍍層不脫落，提高電解槽陰極的電流效率及使用壽命.電解槽的離子膜對極化電源質量要求高，除了要求靜態(tài)精度和動態(tài)過程好以外，還要求不能有較大幅度的波動，一旦投入，極化電源馬上進入額定值，時間短，過沖小.同時必須減少設備運行過程中產生的諧波和提高整流設備的安全性和可靠性.

當前國內大部分廠家電解槽的極化電源在300 A以下，整流電路通常采用晶閘管模塊相控整流的方案實現(xiàn)，該方案中由于晶閘管常處于深度控制狀態(tài)，導致無功損耗和諧波分量大、功率因數(shù)低、電網污染嚴重、能量損耗嚴重等不足.本文提出一種大功率高頻電源作為極化電源.采用交-直-交-直的主電路結構，二極管全橋整流和IGBT全橋逆變作為主電路；控制部分采用DSP為核心控制器，控制軟件部分采用自適應模糊PID控制算法的解決方案.該方案能大大減小整流器的體積，且不需要體積龐大的工頻變壓器，工作效率高達到95%、節(jié)能在35%以上，具有良好的應用價值.

1 整體方案

極化電源系統(tǒng)方案如圖1所示.

圖1 系統(tǒng)整體框圖

系統(tǒng)由主電路、控制電路、輔助電源電路、觸摸屏等部分組成.主電路主要由二極管橋式整流電路、LC濾波電路、IGBT單相橋式逆變電路、高頻整流電路、LC濾波電路組成，實現(xiàn)三相電源的整流、逆變、整流輸出的變流作用.控制電路主要由電壓和電流采樣、綜合故障保護、RS485通訊、PWM脈沖生成、IGBT驅動等部分組成.主要功能是DSP通過采樣得到的數(shù)據與來自觸摸屏給定值進行自適應模糊PID運算后，輸出PWM脈沖.IGBT驅動模塊電路驅動全橋IGBT電路實現(xiàn)高頻逆變功能.輔助電源為控制電路、IGBT驅動電路、保護電路提供工作電源.

2 硬件電路設計

2.1 主電路設計

極化電源主電路如圖2所示.主電路采用交-直-交-直的變流模式，即通過整流-逆變-整流的過程得到需要的直流電壓和直流電流.交流側三相380 V交流電壓通過空氣開關Q，經過三相橋二極管整流模塊DT1整流和Lin、Cin、C1組成的濾波電路濾波后，輸出高壓低紋波直流；再通過IGBT(Q1、Q2、Q3、Q4)全橋逆變電路，逆變?yōu)楦哳l方波交流；方波交流經過高頻變壓器T1變換，再經由肖特基二極管D5、D6整流后輸出脈沖直流，經平波電抗器L0、電容器C0后輸出低紋波直流.三相交流電經過三相橋式不可控整流將交流電轉化為直流脈動電壓，其平均值Ud為[1]：

圖2 極化電源主電路圖

(1)

(1)式中U為交流輸入相電壓有效值，Ul為交流輸入線電壓有效值，即Ud約515 V.經過IGBT的單相全橋逆變和高頻變壓器降壓，高頻變壓器二次側交流電流通過零式雙半波整流回路整流后，通過LC濾波回路濾波，得到平滑的直流輸出.在穩(wěn)態(tài)運行條件下，輸出電壓和輸入電壓的關系為：

(2)

式(2)中，U0為IGBT的單相全橋逆變電路之前的直流電壓，Ui為肖特基二極管輸出后的電壓，n為高頻變壓器原、副繞組匝比，TS為PWM波的周期，ton為開關管開通時間，αt為占空比.通過控制開關管IGBT的占空比即可得到所需輸出電壓，工程上占空比調節(jié)范圍為0%～98%，以及系統(tǒng)運行中器件的壓損，輸出可調范圍為0～500 V[2].

2.2 控制電路設計

控制電路如圖1中控制部分所示，由DSP控制器及外圍電路、A/D采樣電路、IGBT驅動電路、RS485通訊電路等電路組成.控制電路工作原理為：利用DSP芯片TMS320F2812自帶的12位A/D電路的轉換功能，經過電壓傳感器、霍爾電流傳感器、交流電流傳感器采樣，分別得到直流電壓、直流電流、交流電流，與觸摸屏(或上位機)的給定值進行模糊自適應PID運算后，得到PWM信號的占空比.再由TMS320F2812的EVA模塊產生PWM脈沖控制開關管IGBT的導通和關斷，實現(xiàn)單相全橋電路的逆變功能，實現(xiàn)穩(wěn)定輸出直流電壓或直流電流的目的.

3 自適應模糊PID控制算法研究

3.1 自適應模糊PID控制的數(shù)學模型

自適應模糊PID控制器是在常規(guī)PID控制器的基礎上，以誤差e及誤差變化率ec為輸入變量，以PID控制算法的調節(jié)參數(shù)ΔKP、ΔKi、ΔKd為輸出變量，實際響應與最佳響應的差別為控制指標，根據不同時刻的e和ec對模糊控制器PID參數(shù)進行在線自整定，確保不同運行狀況下控制系統(tǒng)具有良好的性能[3].電解過程中負載隨電解液的濃度變化，導致電解槽的電壓和電流是一個高度非線性、時變的隨機不確定的過程.為了更好的對電流、電壓幅值進行控制，系統(tǒng)采用自適應模糊PID控制方式，使被控對象具有良好的動態(tài)和靜態(tài)性能.極化電源系統(tǒng)的自適應模糊控制PID控制器結構如圖3所示[4].通常，PID控制器的控制算式為：

u(k)=kpe(k)+kiΣe(k)+kdec(k)

(3)

式(3)中，Σe(k)=e(k)+e(k-1)和ec(k)=

e(k)-e(k-1)(k=0,1,2)，分別為其輸入變量偏差與偏差變化，Kp、Ki、Kd分別為表征其比例、積分、微分作用的參數(shù).

圖3 自適應模糊控制器結構框圖

3.2 自適應模糊PID控制器的設計

3.2.1 模糊化

模糊化是將確定的物理量輸入轉換成模糊矢量，此過程借助輸入量比例因子來實現(xiàn).設定輸入變量為誤差e和誤差變化率ec，輸出為ΔKP、ΔKi、ΔKd，系統(tǒng)中e、ec、ΔKP、ΔKi、ΔKd的模糊子集為{負大，負中，負小，零，正小，正中，正大}，簡記為{NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB}.輸入變量e、ec對應的隸屬度函數(shù)曲線分別如圖4所示，輸入變量的論域定為[-3,3].

圖4e、ec的隸屬度函數(shù)曲線

3.2.2 模糊規(guī)則建立

模糊控制規(guī)則是根據工程設計人員長期經驗的總結，建立合適的模糊規(guī)則表.根據目前我國電解行業(yè)電解槽的槽電壓和電流的常規(guī)值，工程師反復調試積累的經驗，得到ΔKP、ΔKi、ΔKd三個參數(shù)的整定模糊規(guī)則如表1所示.

表1 ΔKP、ΔKi、ΔKd的模糊規(guī)則表

3.2.3 模糊推理及去模糊化

控制器模糊推理規(guī)則為：

ife=Aiandec=BjthenΔu=Ci

(4)

(4)式中，Ai、Bj、Ci為其論域上的語言值，可用一個Ai×Bj到Cij的模糊關系R來描述，即：

R=Uij(Ai×Bj)×Cij

(5)

根據已知的模糊量Ai和Bj，通過模糊合成運算即可求得模糊輸出量Cij.

Cij=(Ai×Bj)·R

(6)

式(6)中“·”表示Max-Min推理合成算法[5].根據各模糊子集的隸屬度賦值表和各參數(shù)的模糊控制模型，應用模糊合成推理設計PID參數(shù)的模糊矩陣表，在線修正PID參數(shù)，計算式如下：

(7)

(8)

(9)

式(7)、(8)、(9)中Kp′、Ki′、Kd′為系統(tǒng)的經典PID 參數(shù)，ΔKP、ΔKi、ΔKd為系統(tǒng)的修正參數(shù)，系統(tǒng)運行中模糊控制器根據模糊規(guī)則通過查表、推理和運算后，達到在線對PID參數(shù)整定[6].

3.3 自適應模糊PID核心算法設計

模糊規(guī)則制定以后，設e、ec、Kp、Ki、Kd均服從正態(tài)分布，根據各模糊子集的隸屬度賦值表和各參數(shù)模糊控制模型，應用模糊合成推理設計PID參數(shù)的模糊矩陣表，查出修正參數(shù)ΔKp，ΔKi，ΔKd，再計算出當前的Kp、Ki、Kd參數(shù)，從而完成在線自適應校正.系統(tǒng)自適應模糊PID核心算法程序流程圖如圖5所示.

圖5 自適應模糊PID核心算法程序流程圖

4 仿真研究及實驗分析

4.1 Simulink仿真[7]

在MATLAB/Simulink中進行仿真，設置仿真參數(shù)為：三相交流輸入為380 V，平波電容Cin、C1、C2為2200 μf，電感Lin為50 mh，濾波電容C3為33 μf，開關頻率12 kHz.自適應模糊PID控制器仿真模型如圖6所示，常規(guī)PID控制器與自適應模糊PID控制器的輸出響應比較如圖7、圖8所示.

圖6 模糊化后的PID控制器在Simulink 中的模型

從圖7和圖8的比較中可以看出，自適應模糊PID控制器比常規(guī)的PID控制器提高了系統(tǒng)的性能指標，極大地減小了超調量和調整時間.

圖7 自適應模糊PID控制器輸出響應圖

圖8 常規(guī)PID控制器的輸出響應圖

4.2 實驗對比

在極化電源實驗柜上分別采用自適應模糊PID控制與常規(guī)PID控制進行的對比實驗.如圖9所示DSP產生的脈沖為1對互補的PWM波形；如圖10所示主電路中的IGBT單相全橋逆變輸出波形.

圖9 輸出的PWM波形

圖10 IGBT單相全橋逆變輸出波形

4.3 實驗分析

由圖7、圖8可見，極化電源采用自適應模糊PID控制算法相比常規(guī)PID控制算法具有響應速度快、穩(wěn)定時間短、超調量小、電源輸出諧波少的特點；由圖9、圖10可見，采用常規(guī)PID控制器的最大超調量為15.3%，調整時間為43 s；采用自適應模糊PID控制器的最大超調量為2.4%，調整時間為27 s；即自適應模糊PID控制器比常規(guī)的PID控制器提高了系統(tǒng)的性能指標，極大地減小了超調量和調整時間，使PWM輸出波形穩(wěn)定可靠，IGBT全橋逆變輸出可靠及良好的波形和參數(shù)，提高了系統(tǒng)的靜態(tài)和動態(tài)性能點.

5 結 論

本文針對現(xiàn)有電化工業(yè)電解槽極化電源主電路普遍采用晶閘管相控電源方案，導致無功損耗大和注入電網的諧波分量過多的不足，提出采用交-直-交-直的新型大功率高頻電源方案，并采用自適應模糊PID控制的軟件設計算法.主電路選用開關器件IGBT作為逆變橋，具有開關頻率高、損耗小、變流效率高的特點，控制電路選用了DSP作為核心控制器件，軟件設計上采用自適應模糊PID控制的軟件算法.通過仿真分析和硬件對比實驗得出：該方案具有整流效率高、穩(wěn)流/穩(wěn)壓時間短、響應速度快、超調量小、調節(jié)快速平滑、電源輸出諧波少、損耗小、噪音低等特點.變流效率優(yōu)于95%，功率因素優(yōu)于0.98，電壓、電流動態(tài)響應速度快，穩(wěn)流穩(wěn)壓精度均優(yōu)于0.5%,具有良好的應用價值.

參 考 文 獻

[1] 王兆安,劉進軍.電力電子技術[M].北京:機械工業(yè)出版社,2009.

[2] 曠永紅,周 鵬.一種新型極化整流器的研究和設計[J].湖南工程學院學報,2012,22(4):1-4.

[3] 李 旋,張小平,尹 翔.基于自適應模糊PID控制的直流發(fā)電機組并聯(lián)運行控制策略[J].儀表技術與傳感器,2013(12):70-72.

[4] 梁 勇,趙莉華,張亞超,等.一種基于自適應模糊PID控制的移動電源設計[J].電源技術,2014,38(4):752-754.

[5] 周海濤,周建華,杭小宇.基于自適應模糊PID控制方法的研究[J].機械工程與自動化,2014,(3):139-141.

[6] 王貴成,汪 勇,張占勝,等.自適應模糊PID控制器的設計[J].儀器儀表學報,2008,29(4):553-555.

[7] 劉金琨.先進PID控制MATLAB仿真[M].北京:電子工業(yè)出版社,2011.

.

Design and Implementation of Rectifier Based on Adaptive Fuzzy PID Control

ZENG Xiao-bo1, KUANG Yong-hong2

(1. Hunan Vocational Institute of Technology, Xiangtan 411104, China;2.Hunan Institute of Engineering, Xiangtan 411104, China)

In view of the defects of the existing industrial electrolytic cell electrochemical polarization power main circuit which widely uses the thyristor phased rectification, the cross-straight-to pay-straight new main circuit scheme is proposed, and the adaptive fuzzy PID control method is adopted to improve the software design. In this paper, the design of the power system solutions, system main circuit structure and the working principle and control circuit analysis are elaborated.The basic principle of adaptive fuzzy PID control method and the software implementation are studied, The control effect is modeled and simulat is carried out.Conventional PID control algorithm for the experimental analysis,the adaptive fuzzy PID control algorithm has fast response, less overshoot and short stable time, less output power harmonic, good static and dynamic performance. It has good application value.

adaptive fuzzy PID; polarization power; rectifier;DSP; simulation

2015-04-05

湖南省教育廳科學研究項目(12C1097).

曾小波(1979- )，男，碩士，講師，研究方向：電力電子技術、嵌入式技術.

TP273.4

A

1671-119X(2015)03-0013-05