隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，電力電子設(shè)備在工業(yè)、農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用。這些設(shè)備中的非線性器件產(chǎn)生的諧波污染問題給工業(yè)生產(chǎn)和社會(huì)生活帶來了危害與不便。因此，提高功率因數(shù)消除諧波成為電力電子技術(shù)一個(gè)重要的研究方向。本文重點(diǎn)介紹了模糊自適應(yīng)控制器和常規(guī)PI 控制器組成的模糊自適應(yīng)PI 控制器的設(shè)計(jì)方法，并用這種方法設(shè)計(jì)了一個(gè)有源功率因數(shù)校正（APFC）系統(tǒng)。通過MATLAB 仿真表明，引入模糊PI 控制設(shè)計(jì)的APFC 系統(tǒng)具有響應(yīng)快，穩(wěn)態(tài)精度高，功率因數(shù)提高顯著的優(yōu)點(diǎn)。

在各個(gè)領(lǐng)域應(yīng)用的電力電子設(shè)備中，普遍采用的一種變流方案是電力電子設(shè)備的輸入端引人220V 市電，經(jīng)過橋式整流器整流得到直流電。例如UPS 電源的輸入部分電路。220V 市電經(jīng)過橋式整流器整流后，后面一般會(huì)接一個(gè)大容量的電容器，以得到波形較為平直的直流電壓。由于整流器和電容器組成的整流濾波電路具有非線性，因此，雖然輸入交流電壓的波形是正弦波，但輸入交流電流的波形卻嚴(yán)重畸變，呈脈沖狀，脈沖狀的電流含有大量諧波，大量諧波電流倒流入電網(wǎng)使電網(wǎng)產(chǎn)生諧波污染。通常使用功率因數(shù)校正（PFC）技術(shù)來提高輸入端的功率因數(shù)。功率因數(shù)校正又分為無源功率因數(shù)校正和有源功率因數(shù)校正。由于有源功率因數(shù)校正具有輸入電壓范圍廣，能獲得較高的功率因數(shù)等優(yōu)點(diǎn)而獲得廣泛應(yīng)用。

由于功率因數(shù)校正本身是一個(gè)具有非線性，時(shí)變性和不確定性的復(fù)雜控制對(duì)象，數(shù)學(xué)模型很難建立，常規(guī)的控制方法無法完成控制任務(wù)。而模糊控制理論的出現(xiàn)，正好彌補(bǔ)這一缺點(diǎn)。模糊控制的對(duì)象不需要精確的數(shù)學(xué)模型。常規(guī)PI控制器具有一定的魯棒性，容易實(shí)現(xiàn)，穩(wěn)態(tài)無靜差，控制精度高的特點(diǎn)，因此，本文將模糊控制和常規(guī)PI控制器相結(jié)合組成有源功率因數(shù)校正電路。

1 APFC 電路拓?fù)浜?a href="http://www.brongaenegriffin.com/soft/data/4-10/" target="_blank">控制電路設(shè)計(jì)

1.1 拓?fù)溥x擇

從電路工作原理上來說，電力電子技術(shù)中的幾種基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如Buck﹑Boost﹑SEPIC 甚至CUK 變換器都可以構(gòu)成APFC 電路。但由于Boost 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)組成的APFC 具有輸入電壓范圍廣，輸入電流連續(xù)，EMI 小等優(yōu)點(diǎn)而得到廣泛的應(yīng)用。因此，本文也采用Boost 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

1.2 控制電路設(shè)計(jì)

Boost 有3 種方法實(shí)現(xiàn)APFC，即電流峰值控制法、電流滯環(huán)控制法和平均電流控制法 。而平均電流控制法采用了電流控制環(huán)和電壓控制環(huán)的雙閉環(huán)控制，因此，平均電流控制法具有平均電流與電感器峰值電流誤差小，輸出電壓穩(wěn)定性好等特點(diǎn)。所以，本文按照平均電流控制方法設(shè)計(jì)了APFC 控制電路，平均電流控制的APFC 原理圖如圖2-1，其主要工作原理是：

圖2-1 平均電流控制的APFC 原理圖

輸出電壓VO 經(jīng)過加法器與參考電壓Vref 比較得到偏差電壓ΔV。偏差電壓ΔV 經(jīng)過模糊控制器和PI 控制器調(diào)整后得到的控制量IL，整流橋輸出電壓Vd 除以其幅值，得到幅值為1 的正弦半波Vd＇，IL 和Vd＇經(jīng)過乘法器相乘得到電感電流指令I(lǐng)*。I*是幅值可以控制輸出電壓VO，相位與Vd 相同的正弦半波電流。實(shí)際的電感器電流IL 通過IGBT 的通斷來跟蹤I*，使網(wǎng)側(cè)電流正弦化，功率因數(shù)達(dá)到0.97-0.99。

2 自適應(yīng)模糊PID控制器的設(shè)計(jì)

2.1 控制器的設(shè)計(jì)思想

常規(guī)PID控制器其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，穩(wěn)態(tài)無靜差，控制精度高具有一定的魯棒性，因此，長(zhǎng)期以來廣泛應(yīng)用于工業(yè)過程控制。但是，實(shí)際中很多工業(yè)過程不同程度的具有非線性、參數(shù)時(shí)變性和模型不確定性，因此常規(guī)的PID控制器難以勝任。而模糊控制具有不需要知道被控對(duì)象的精確數(shù)學(xué)模型。模糊控制的實(shí)質(zhì)將相關(guān)領(lǐng)域的專家知識(shí)和熟練操作人員的經(jīng)驗(yàn)轉(zhuǎn)換成模糊化后的語(yǔ)言規(guī)則，通過模糊推理和模糊決策，實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)的控制。由于功率因數(shù)校正的控制量具有時(shí)變性，需要隨時(shí)根據(jù)受控對(duì)象的變化而做出調(diào)整，因此，模糊自適應(yīng)控制更適合功率因數(shù)校正。因?yàn)槟：刂破饕央[含微分的作用，因此，本文設(shè)計(jì)了模糊自適應(yīng)PI控制器。

2.2 模糊自適應(yīng)PI控制器的工作原理

模糊自適應(yīng)PI控制器系統(tǒng)由PI控制器和模糊推理系統(tǒng)兩部分構(gòu)成，PI控制器實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的控制，模糊推理系統(tǒng)以誤差E和誤差變化EC作為輸入，根據(jù)PI控制器的兩個(gè)參數(shù)與偏差E和偏差的變化EC之間的模糊關(guān)系，在運(yùn)行時(shí)不斷檢測(cè)偏差E及偏差變化EC，通過事先確定的關(guān)系，利用模糊推理的方法，在線修改PI控制器的兩個(gè)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)控制。

2.3 模糊自適應(yīng)PI控制器的自適應(yīng)規(guī)則

（1）當(dāng)偏差E較大時(shí)，為使系統(tǒng)具有較好的跟蹤性能，應(yīng)取較大的KP，同時(shí)為避免系統(tǒng)響應(yīng)出現(xiàn)較大的超調(diào)，應(yīng)對(duì)積分作用加以限制，通常取Ki=0。

（2）當(dāng)偏差E和偏差變化EC處于中等大小時(shí)，為使系統(tǒng)響應(yīng)具有較小的超調(diào)，KP應(yīng)取得小些。在這種情況下，Ki的取值要適當(dāng)。

（3）當(dāng)偏差E較小時(shí)，為使系統(tǒng)具有較好的穩(wěn)定性能，KP與Ki均應(yīng)取得大些。

此外，根據(jù)控制專家的知識(shí)和熟練操作人員的經(jīng)驗(yàn)知道，當(dāng)不確定系統(tǒng)在常規(guī)控制作用下，誤差E和誤差變化率EC越大，系統(tǒng)中不確定量就越大。相反，誤差E和誤差變化率EC越小，系統(tǒng)中不確定量就越小。E與EC同號(hào)，輸出值遠(yuǎn)離給定值。E與EC異號(hào)，輸出趨向給定值。利用這種E和EC對(duì)系統(tǒng)不確定量的估計(jì)，就可實(shí)現(xiàn)對(duì)PI兩參數(shù)KP和Ki的調(diào)整估計(jì)，用if-then語(yǔ)句表達(dá)E和EC與KP和Ki之間的關(guān)系。

2.4 各變量隸模糊化及屬度函數(shù)的確定

模糊PI控制根據(jù)系統(tǒng)運(yùn)行的不同狀態(tài)，考慮KP、Ki兩者的關(guān)聯(lián)，取誤差E、誤差變化EC、比例系數(shù)變化ΔKP和積分系數(shù)變化ΔKi語(yǔ)言模糊集為［NB、NM、NS、ZO、PS、PM、PB］七個(gè)模糊值，其分別代表［負(fù)大、負(fù)中、負(fù)小、零、正小、正中，、正大］。誤差E、誤差變化EC、比例系數(shù)變化ΔKP和積分系數(shù)變化ΔKi基本論域?yàn)椋?6、-5、-4、-3、-2-、1、0、1、2、3、4、5、6］。由于三角形函數(shù)圖形簡(jiǎn)潔，占內(nèi)存小，計(jì)算速度快，所以，誤差E、誤差變化EC、比例系數(shù)變化ΔKP和積分系數(shù)變化ΔKi的隸屬函數(shù)選擇三角形函數(shù)，3.5 模糊自適應(yīng)PI控制器規(guī)則的建立：

根據(jù)工程設(shè)計(jì)人員的技術(shù)知識(shí)和實(shí)際操作經(jīng)驗(yàn)，建立誤差E和誤差變化EC與比例系數(shù)變化ΔKP、積分系數(shù)變化ΔKi的模糊規(guī)則表如表3-1，3-2所示。

根據(jù)模糊規(guī)則表，可以對(duì)ΔKP、ΔKi進(jìn)行動(dòng)態(tài)整定，設(shè)KP0、Ki0為采用常規(guī)整定方法得到的KP、Ki初始值，則PI控制表達(dá)式為：

3 模糊PI控制的APFC系統(tǒng)的MATLAB系統(tǒng)仿真

3.1 仿真電路的建立

在MATLAB/Simulink下建立仿真電路圖如圖4-1。

圖4-1 MATLAB/Simulink 建立的仿真圖

3.2 主要參數(shù)計(jì)算

輸入峰值電流

電感電流增量

電壓增量系數(shù)

儲(chǔ)能電感值

輸出電容器值

3.3 仿真參數(shù)的設(shè)置

輸入電壓有效值為220V，頻率50HZ，輸出電壓參考值400V，負(fù)載電阻160Ω。在二極管整流橋中，RS=1e5，CS=1e-6，Ron=1e-3，Lon=0，Vf=0。IGBT的Ron =1e-3，Rd=1e-2，RS =1e5，CS =inf。二極管的Ron =1e-3，Vf =0.8，RS =500，CS =250e-9。KP、Ki初始值分別為0.02和5。

輸入的量化因子分別取1.2和0.015，輸出的比例因子分別取1/600和1/6，利用powergui將仿真設(shè)置成離散的模型，仿真步長(zhǎng)為1e-6。

3.4 仿真結(jié)果分析

從圖4-4可以看出輸出電流已經(jīng)跟蹤輸入電壓，波形成正弦。通過仿真電路圖中測(cè)量?jī)x器讀數(shù)計(jì)算功率因數(shù)：

圖 4-4 輸入電壓﹑電流仿真波形

圖4-5 輸出電壓仿真波形

結(jié)論

通過MATLAB仿真可以看出，模糊PI控制器完成了輸入電流跟蹤輸入電壓，穩(wěn)定系統(tǒng)輸出電壓，功率因數(shù)接近1的控制目標(biāo)，說明本文設(shè)計(jì)方案切實(shí)可行。而MATLAB軟件的使用也降低了設(shè)計(jì)成本，縮短了開發(fā)周期。