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摘要：随着电气自动化技术的高速发展，数字化、智能化控制的感应加热电源是目前一个重要的研究热点和发展趋势。针对模糊控制算法消除系统稳态误差的性能差，难以达到较高的控制精度，本文提出了Fuzzy-PI切换控制的算法，该算法集成了Fuzzy控制动态性能高和PI稳态精度高的优点。以TMS320F2812为核心，搭建了Fuzzy-PI复合控制的移相调功式数字控制感应加热电源主电路及控制电路，实现了外围检测调理电路、驱动电路、过流过压保护等。实验证明这种基于Fuzzy-PI复合控制，使系统获得良好的稳、动态性能，可以更好地满足逆变电源的控制要求，具有良好的工程应用前景。
关键词：感应加热电源；Fuzzy-PI复合控制；DPLL
[中图分类号]
Abstract： The induction heating power supply develops towards intellectualization and digitalization as the rapid development of electrical automation technology. The Fuzzy-PI control algorithm is presented in this paper because the Fuzzy algorithm is poor to eliminate the system steady-state performance and difficulty to meet the higher control accuracy. The Fuzzy-PI controlled induction heating power supply integrated the merit of Fuzzy and PI algorithm together. Finally， build the main circuit， the peripheral signal processing circuit， the drive circuit and the voltage protection circuit based on TMS320F2812. The experiment show it can obtain good stability and dynamic performance， meet the requirements of inverter power supply and has good engineering application prospects.
Key words： induction-heating power supply； Fuzzy-PI control； DPLL
0 引 言
感應加热电源的控制对象具有负载时变性、结构非线性的特点，因而难以建立精确的数学模型，采用传统的PID控制无法达到很好的效果。模糊算法是一种非线性的控制算法，尤其适合感应加热电源的负载功率控制，但是，模糊控制器本身消除系统稳态误差的性能比较差，难以达到较高的控制精度。因此，本文提出了Fuzzy-PI复合控制算法。Fuzzy-PI复合控制算法，由偏差的大小作为切换的条件，将Fuzzy和PID分别用于感应加热电源工作的不同阶段，对感应加热电源实施分段控制，使感应加热电源兼有Fuzzy控制动态性能高和PID稳态精度高的优点。
本文设计了基于TMS320F2812的串联谐振式感应加热电源，包括硬件部分与软件部分，最后搭建了基于Fuzzy-PI复合控制系统并进行实验调试。
1 Fuzzy-PI复合控制原理
1.1 Fuzzy-PI复合控制的提出
模糊控制算法可以有效地克服复杂系统的非线性及不确定特性，与传统控制相比有较强鲁棒性的优点，近年来取得了许多研究和应用的成果。PI调节器的积分调节作用从理论上可使系统的稳态误差控制为0，有着很好的消除稳态误差的作用。因此有人提出模糊控制和PI的控制相结合的一种方案，即Fuzzy-PI复合控制。大偏差范围内采用模糊控制，可提高系统响应速度，克服系统非线性因素的影响；在小范围内采用Pl控制方式以获得较好稳态性能，其中比例调节P环节用于提高系统的响应速度，积分调节I用于消除静态误差，提高系统的无差度。
1.2 Fuzzy-PI复合控制的原理
在感应加热电源工作的开始阶段，反馈值与给定值的偏差远大于某一个阈值，此时为提高系统的响应速度，加快响应过程，用PI（比例-积分）控制；当偏差减小到这个阈值以下时，切换转入模糊控制，以提高系统的阻尼性能，减小响应过程中超调；然而由于模糊控制没有积分环节，因而最终必然出现稳态误差，所以在平衡点附近采用PI（比例-积分）控制，消除振荡，减小稳态误差，提高了灵敏度和控制精度。其结构如图1所示。图中PI为常规比例积分调节器，FLC为模糊控制器，K为一个控制开关。Fuzzy-PI复合控制的控制量u在模糊控制器（FLC）输出和PID控制器输出两者之间选取，切换依据为误差e的绝对值|e|的大小，当|e|大于等于设定阈值emax时，切换为FLC，否则切换为PID。[1]
两种控制方式在系统运行的过程中是通过和误差阈值K的比较来分段切换使用的，其中误差阈值K的设定是关键，如果选得太大，则系统过早进入Pl调节过程，不能充分发挥模糊控制的快速性的作用，使调节过程变长；如果选得太小，则在系统快接近稳态的情况下进行切换，使得系统可能产生超调。2.2 模糊控制器
模糊控制就是用模糊的概念对系统进行描述、处理、控制的方法。模糊控制原理图如图2所示，主要包括四个部分：模糊化、规则库、推理运算和反模糊化。
由图2可知，通过检测反馈功率P0，与前次采样的输入功率P相比较，求出其所对应的输入控制量的精确量功率偏差e和功率误差变化率ec，对于输入量e、ec论域上全部元素的组合，经过模糊化得到用隶属度函数描述的模糊量，依据人为经验建立的规则库映射，通过推理运算得到输出模糊量，再通过解模糊算法对模糊输出量进行解模糊，最后得到输出精确量用于感应加热电源功率控制。确定模糊控制规则再反模糊化，控制逆变器开关管驱动占空比，从而达到控制逆变器输出功率的目的。 2.3 Fuzzy-PI复合控制器
控制系统总的控制作用是模糊控制器的控制作用和PI调节器控制作用的和。不难理解，这相当于一个具有变参数的比例微分控制作用和不变参数的模糊控制作用的综合。与常规PID控制算法相比，大大提高了系统抗外部干扰和适应内部参数变化的鲁棒性、减小了超调、改善了动态性能；与单一的模糊控制算法相比，它减小了稳态误差、提高了平衡点的稳定度。不仅如此，Fuzzy-PI复合控制算法采用软切换（即柔切），避免了硬切换瞬间对系统稳定性的影响。
文献[6]对这种形式的控制方案模拟实验研究表明，它比单个的模糊控制器和单个的PID调节器均有更好的控制性能。
基于复合控制的感应加热电源控制系统调功原理如图3所示。检测输出电压及电流变化，将反馈信号输入到DSP的ADC采样端口，进行模数转换，得到电压与电流的反馈值P0，然后通过乘法器将两者相乘，再与给定功率P比较，根据功率调节器的输出控制逆变器的移相角度，使系统的输出功率保持恒定。
3 基于Fuzzy-PI复合控制的感应加热电源的设计
3.1 感应加热电源的主电路设计
感应加热电源的主电路如图4所示，由整流环节（AC-DC）、Buck斩波器、滤波器、逆变器 （DC-AC）、负载槽路及相关的控制电路和保护电路等构成。采用串联谐振逆变电路，以IGBT为主开关器件，由功率反馈跟踪电路进行闭环功率调节，用频率跟踪电路控制逆变器的工作频率，使逆变器始终工作于谐振状态，逆变器输出功率因数接近于1，整机工作效率较高。采用Fuzzy-PI控制算法，通过调节IGBT管的驱动占空比调节输出电压，从而达到调节输出功率的目的。
搭建感应加热电源实验平台，完成接口的外控制，包括电源开关、切换开关、过压过流过热保护按钮等。
3.2 基于DSP控制系统的实现
本文采用TMS320F2812实现数字控制系统。该芯片具有单周期32×32位的乘与加运算功能，每秒可执行1.5亿次指令（150MIPS），具有大容量的Flash存储器，最多可以发出12路PWM信号，并具有16通道的ADC单元，共有6个CAP捕获单元，可满足本文数字控制感应加热电源的需求[7]。
串联谐振式感应加热电源控制系统如图5所示。采用TMS320F2812作为数字控制系统主芯片，配合外围电路，即可构成电源的控制系统。
4 实验结果及分析
感应加热电源串联谐振负载最终选择电阻R=5.2Ω，等效电感L=105uH，补偿电容C=0.4uF，即固有谐振频率等于24.6kHz。
系统启动波形如图6所示。可以看出功率在25ms内上升到给定功率，开关管VT1上的驱动波形幅值逐渐变大。由此证明，基于Fuzzy-PI算法控制的感应加热电源在很短的时间内就完成启动并达到稳定状态，功率调节波形超调很小。
5 结束语
本文综合了PI控制具有快速性好、精确度高的特点，以及模糊控制具有不依赖于系统模型参数、鲁棒性强的两者的优势，提出了一种新型的Fuzzy-PI复合控制方法。设计搭建了Fuzzy-PI复合控制的感应加热电源主电路及外围控制电路，完成了对整个系统的实验、调试和结果分析。
实验证明采用Fuzzy-PI复合算法控制的感应加热电源正确可行，并使系统具有较快的响应速度，较高的精度和较强的鲁棒性。
参考文献
[1] 张曾科. 模糊数学在自动化技术中的应用[M]. 清华大学出版社， 1997
[2] 李江. 基于TMS320F2810的数字控制感应加热电源研究[D]. 西安理工大学， 2010.
[3] 樊宝林. 基于模糊控制的感应加热电源研究[D]. 西安理工大学， 2011.
[4] Qinghua Xiao， Jie Zhao， Mingfa Wang. Research on Frequency Tracking Capacitive PWM of Induction Heating Power Supply[J]. International Conference on Challenges in Environmental Science and Computer Engineering （CESCE）， 2010， 2： 377-380.
[5] Yiwang Wan. Study of Induction Heating Power Supply Based on Fuzzy Controller[J]. 4th IEEE Conference on Industrial Electronics and Applications， 2009， Page（s）：726-729.
[6] 張峰. 感应加热电源数字控制及智能控制方法研究[D]. 西安理工大学， 2007.
[7] 韩丰田. TMS320F281xDSP原理及应用技术[M]. 北京： 清华大学出版社， 2011.
【作者简介】吕淼（1987- ），女，陕西西安人，硕士研究生，研究方向为感应加热电源系统。
关键词：感应加热电源；Fuzzy-PI复合控制；DPLL
[中图分类号]
Abstract： The induction heating power supply develops towards intellectualization and digitalization as the rapid development of electrical automation technology. The Fuzzy-PI control algorithm is presented in this paper because the Fuzzy algorithm is poor to eliminate the system steady-state performance and difficulty to meet the higher control accuracy. The Fuzzy-PI controlled induction heating power supply integrated the merit of Fuzzy and PI algorithm together. Finally， build the main circuit， the peripheral signal processing circuit， the drive circuit and the voltage protection circuit based on TMS320F2812. The experiment show it can obtain good stability and dynamic performance， meet the requirements of inverter power supply and has good engineering application prospects.
Key words： induction-heating power supply； Fuzzy-PI control； DPLL
0 引 言
感應加热电源的控制对象具有负载时变性、结构非线性的特点，因而难以建立精确的数学模型，采用传统的PID控制无法达到很好的效果。模糊算法是一种非线性的控制算法，尤其适合感应加热电源的负载功率控制，但是，模糊控制器本身消除系统稳态误差的性能比较差，难以达到较高的控制精度。因此，本文提出了Fuzzy-PI复合控制算法。Fuzzy-PI复合控制算法，由偏差的大小作为切换的条件，将Fuzzy和PID分别用于感应加热电源工作的不同阶段，对感应加热电源实施分段控制，使感应加热电源兼有Fuzzy控制动态性能高和PID稳态精度高的优点。
本文设计了基于TMS320F2812的串联谐振式感应加热电源，包括硬件部分与软件部分，最后搭建了基于Fuzzy-PI复合控制系统并进行实验调试。
1 Fuzzy-PI复合控制原理
1.1 Fuzzy-PI复合控制的提出
模糊控制算法可以有效地克服复杂系统的非线性及不确定特性，与传统控制相比有较强鲁棒性的优点，近年来取得了许多研究和应用的成果。PI调节器的积分调节作用从理论上可使系统的稳态误差控制为0，有着很好的消除稳态误差的作用。因此有人提出模糊控制和PI的控制相结合的一种方案，即Fuzzy-PI复合控制。大偏差范围内采用模糊控制，可提高系统响应速度，克服系统非线性因素的影响；在小范围内采用Pl控制方式以获得较好稳态性能，其中比例调节P环节用于提高系统的响应速度，积分调节I用于消除静态误差，提高系统的无差度。
1.2 Fuzzy-PI复合控制的原理
在感应加热电源工作的开始阶段，反馈值与给定值的偏差远大于某一个阈值，此时为提高系统的响应速度，加快响应过程，用PI（比例-积分）控制；当偏差减小到这个阈值以下时，切换转入模糊控制，以提高系统的阻尼性能，减小响应过程中超调；然而由于模糊控制没有积分环节，因而最终必然出现稳态误差，所以在平衡点附近采用PI（比例-积分）控制，消除振荡，减小稳态误差，提高了灵敏度和控制精度。其结构如图1所示。图中PI为常规比例积分调节器，FLC为模糊控制器，K为一个控制开关。Fuzzy-PI复合控制的控制量u在模糊控制器（FLC）输出和PID控制器输出两者之间选取，切换依据为误差e的绝对值|e|的大小，当|e|大于等于设定阈值emax时，切换为FLC，否则切换为PID。[1]
两种控制方式在系统运行的过程中是通过和误差阈值K的比较来分段切换使用的，其中误差阈值K的设定是关键，如果选得太大，则系统过早进入Pl调节过程，不能充分发挥模糊控制的快速性的作用，使调节过程变长；如果选得太小，则在系统快接近稳态的情况下进行切换，使得系统可能产生超调。2.2 模糊控制器
模糊控制就是用模糊的概念对系统进行描述、处理、控制的方法。模糊控制原理图如图2所示，主要包括四个部分：模糊化、规则库、推理运算和反模糊化。
由图2可知，通过检测反馈功率P0，与前次采样的输入功率P相比较，求出其所对应的输入控制量的精确量功率偏差e和功率误差变化率ec，对于输入量e、ec论域上全部元素的组合，经过模糊化得到用隶属度函数描述的模糊量，依据人为经验建立的规则库映射，通过推理运算得到输出模糊量，再通过解模糊算法对模糊输出量进行解模糊，最后得到输出精确量用于感应加热电源功率控制。确定模糊控制规则再反模糊化，控制逆变器开关管驱动占空比，从而达到控制逆变器输出功率的目的。 2.3 Fuzzy-PI复合控制器
控制系统总的控制作用是模糊控制器的控制作用和PI调节器控制作用的和。不难理解，这相当于一个具有变参数的比例微分控制作用和不变参数的模糊控制作用的综合。与常规PID控制算法相比，大大提高了系统抗外部干扰和适应内部参数变化的鲁棒性、减小了超调、改善了动态性能；与单一的模糊控制算法相比，它减小了稳态误差、提高了平衡点的稳定度。不仅如此，Fuzzy-PI复合控制算法采用软切换（即柔切），避免了硬切换瞬间对系统稳定性的影响。
文献[6]对这种形式的控制方案模拟实验研究表明，它比单个的模糊控制器和单个的PID调节器均有更好的控制性能。
基于复合控制的感应加热电源控制系统调功原理如图3所示。检测输出电压及电流变化，将反馈信号输入到DSP的ADC采样端口，进行模数转换，得到电压与电流的反馈值P0，然后通过乘法器将两者相乘，再与给定功率P比较，根据功率调节器的输出控制逆变器的移相角度，使系统的输出功率保持恒定。
3 基于Fuzzy-PI复合控制的感应加热电源的设计
3.1 感应加热电源的主电路设计
感应加热电源的主电路如图4所示，由整流环节（AC-DC）、Buck斩波器、滤波器、逆变器 （DC-AC）、负载槽路及相关的控制电路和保护电路等构成。采用串联谐振逆变电路，以IGBT为主开关器件，由功率反馈跟踪电路进行闭环功率调节，用频率跟踪电路控制逆变器的工作频率，使逆变器始终工作于谐振状态，逆变器输出功率因数接近于1，整机工作效率较高。采用Fuzzy-PI控制算法，通过调节IGBT管的驱动占空比调节输出电压，从而达到调节输出功率的目的。
搭建感应加热电源实验平台，完成接口的外控制，包括电源开关、切换开关、过压过流过热保护按钮等。
3.2 基于DSP控制系统的实现
本文采用TMS320F2812实现数字控制系统。该芯片具有单周期32×32位的乘与加运算功能，每秒可执行1.5亿次指令（150MIPS），具有大容量的Flash存储器，最多可以发出12路PWM信号，并具有16通道的ADC单元，共有6个CAP捕获单元，可满足本文数字控制感应加热电源的需求[7]。
串联谐振式感应加热电源控制系统如图5所示。采用TMS320F2812作为数字控制系统主芯片，配合外围电路，即可构成电源的控制系统。
4 实验结果及分析
感应加热电源串联谐振负载最终选择电阻R=5.2Ω，等效电感L=105uH，补偿电容C=0.4uF，即固有谐振频率等于24.6kHz。
系统启动波形如图6所示。可以看出功率在25ms内上升到给定功率，开关管VT1上的驱动波形幅值逐渐变大。由此证明，基于Fuzzy-PI算法控制的感应加热电源在很短的时间内就完成启动并达到稳定状态，功率调节波形超调很小。
5 结束语
本文综合了PI控制具有快速性好、精确度高的特点，以及模糊控制具有不依赖于系统模型参数、鲁棒性强的两者的优势，提出了一种新型的Fuzzy-PI复合控制方法。设计搭建了Fuzzy-PI复合控制的感应加热电源主电路及外围控制电路，完成了对整个系统的实验、调试和结果分析。
实验证明采用Fuzzy-PI复合算法控制的感应加热电源正确可行，并使系统具有较快的响应速度，较高的精度和较强的鲁棒性。
参考文献
[1] 张曾科. 模糊数学在自动化技术中的应用[M]. 清华大学出版社， 1997
[2] 李江. 基于TMS320F2810的数字控制感应加热电源研究[D]. 西安理工大学， 2010.
[3] 樊宝林. 基于模糊控制的感应加热电源研究[D]. 西安理工大学， 2011.
[4] Qinghua Xiao， Jie Zhao， Mingfa Wang. Research on Frequency Tracking Capacitive PWM of Induction Heating Power Supply[J]. International Conference on Challenges in Environmental Science and Computer Engineering （CESCE）， 2010， 2： 377-380.
[5] Yiwang Wan. Study of Induction Heating Power Supply Based on Fuzzy Controller[J]. 4th IEEE Conference on Industrial Electronics and Applications， 2009， Page（s）：726-729.
[6] 張峰. 感应加热电源数字控制及智能控制方法研究[D]. 西安理工大学， 2007.
[7] 韩丰田. TMS320F281xDSP原理及应用技术[M]. 北京： 清华大学出版社， 2011.
【作者简介】吕淼（1987- ），女，陕西西安人，硕士研究生，研究方向为感应加热电源系统。