手把手教你学simulink（52.1）--H桥逆变器场景示例：基于Simulink开发一个带有PI控制的H桥逆变器
目录
基于Simulink的PI控制的DC-AC变换器H桥逆变器项目实例
1. 项目背景
2. 系统架构
2.1 DC电源
2.2 H桥逆变器
2.3 PI控制器
2.4 滤波器
2.5 系统框图
3. 模型设计
3.1 创建Simulink模型
3.2 PI控制器设计
3.3 仿真环境搭建
3.4 仿真结果分析
4. 滤波器设计与优化
4.1 滤波电感设计
4.2 滤波电容设计
4.3 参数优化
5. 实际应用案例
5.1 工业电源
5.2 太阳能逆变器
6. 结论
附录：具体代码实现
1. Simulink模型搭建
1.1 DC Voltage Source
1.2 H-Bridge Inverter
1.3 PI Controller
1.4 Sine Wave Block
1.5 Sum Block
1.6 PWM Generator
1.7 Inductor (L)
1.8 Capacitor (C)
1.9 Resistor (R_load)
1.10 Scope
2. 仿真与优化
2.1 运行仿真
2.2 参数优化
3. 总结
基于Simulink的PI控制的DC-AC变换器H桥逆变器项目实例
1. 项目背景
需求分析
电力电子领域中的DC转AC变换器（逆变器），负责将直流电转化为交流电这一关键功能不可忽视。在追求高效能量转化的同时能产出高质量的正弦波输出时，往往会采用比例积分（Proportional-Integral, PI型调节器）来控制逆变器的工作状态。该类调节装置具备动态调节能力，并能有效保证系统稳定性与精确度，在适应不同负载情况时表现优异。
本项目拟在Simulink平台上构建一个具有PI调节功能的H-bridge inverter系统，并着重阐述了PI控制器的设计与实现方案。采用PI控制器后，不仅能够有效提升逆变器输出电压的质量，并且能显著降低其谐波失真水平。这种改进方案特别适用于对电压品质要求较高的高性能应用场景。
2. 系统架构
2.1 DC电源
逆变器通常依赖稳定的直流电压源VdcVdc作为其输入。常见的DC电源类型包括二次电池、太阳能组件以及经过整流处理后的直流能源。其主要特点如下：
- 输入电源：通过直流量块 Vdc 供电。
- 工作原理：系统采用闭环控制策略，在空载状态下维持恒定的输出功率；在负载变化时自动调节开关频率以适应负载需求。
2.2 H桥逆变器
H桥逆变器是一种典型的逆变器拓扑结构，在电力电子领域得到了广泛应用。它主要由MOSFET、IGBT等四种关键功率器件构成，并可实现直流电压向交流电压的转换功能
- 输入端子 ：接续直流电源 Vdc。
- 输出端子 ：接续交变电流源 Vac。
- 工作原理阐述如下： 通过控制四个开关器件的状态转换（导通/关断），系统能够合成理想的正弦波形交流电。基于 H 桥逆变器的设计方案，在动态调节开关器件的切换频率与占空比时（即开关动作密度），可实现对输出电参数的有效调控。
2.3 PI控制器
PI控制器主要负责实时调节逆变器输出电压与电流
- 比例控制（P） ：基于误差的程度直接影响着控制系统的行为。其中的比例增益 K_p 直接决定了系统在响应过程中的动态特性。
- 积分控制（I） ：随着累计误差的增长，在一定条件下会逐步作出相应的反应。而积分环节则通过其积分增益 K_i 来提升系统在稳态下的精度。
2.4 滤波器
为了进一步优化输出电压的质量，在逆变器的输出端通常配置滤波电路以抑制高频谐波成分。常见的滤波电路类型主要包括LC滤波电路和π型滤波电路等。这些滤波电路的主要功能是使输出电压更加平稳，并降低谐波失真程度，从而使得输出电压曲线形状更接近理想的正弦曲线形状。
2.5 系统框图
plaintext
深色版本
+-------------------+ +-------------------+ +-------------------+ +-------------------+
||||||||
|DC Power Supply|---->|H-Bridge Inverter|---->|PI Controller|---->|LC Filter|---->|AC Load (R_load)|
|(V_dc)|(Switches: Q1-Q4)|(Proportional,|(Inductor L,||||||
|Integral Control)|Capacitor C)||||||||
+-------------------+ +-------------------+ +-------------------+ +-------------------+3. 模型设计
3.1 创建Simulink模型
打开Simulink ：
- 启动并打开MATLAB软件，在其界面中找到并点击位于顶部菜单栏中的"Simulink"选项卡，并将其设置为新建模型。随后，在该选项卡下创建并保存一个新的空白Simulink模型文件。
添加模块 ：
在Simulink库中提取并放置以下组件至工作区区域：
- 直流电源源模块：用于模拟输入端直流电源。
- H桥逆变器组件：用于实现H桥逆变功能。
- 比例积分控制器模块：用于实现基于比例积分的控制系统。
- 正弦波生成器组件：用于创建正弦波参考信号（作为期望输出电压）。
- 误差计算组件：用于计算系统误差（期望输出电压与实际输出电压之差）。
- PWM信号生成器组件：用于生成PWM开关控制信号以驱动逆变器器件。
- LC滤波电感组件：用于构建LC滤波电路中的电感部分。
- LC滤波电容组件：用于构建LC滤波电路中的电容部分。
- 交流负载电阻组件：用于模拟交流负载两端接负载电阻。
- 波形观测显示面板：用于实时显示输入电压、输出电压及电流波形信息。
- 电力电子元件库包：包含MOSFET、IGBT等开关器件模型以及相关电感、电容等电路元件模型
连接模块 ：
将DC电源模块的输出信号接入H-bridge逆变器的输入接口。
将正弦波发生器模块产生的模拟信号馈送给比例积分控制器作为期望电压源。
将逆变器的输出电流经滤波电容滤波后供给负载电阻R_load两端。
在LC滤波电路之后配置误差反馈回路，并将其与系统实际输出电压值进行比较。
将正弦波发生器模块生成的标准频率信号作为PWM控制信号源提供给PWM生成器模块。
根据PWM脉冲信号控制逆变器内部晶闸管等开关器件的工作状态以实现功率转换过程。
通过串口或者其他数据采集接口将系统各关键节点采集数据并传输至示波器实时观察系统运行情况。
配置参数 ：
- DC Voltage Source ：配置输入直流电压源Vdc（例如工作电压为300伏特）。
- Sine Wave Block ：设定正弦参考信号的关键参数：
- 幅度：220 V（工频电网的标准电压）。
- 频率设置：50 Hz（工频标准）。
- 相位角：建议采用零度相位（即与参考信号同步）。
- PI Controller ：配置比例积分控制器参数：
- 比例增益Kp：建议选择100作为初始值（可根据具体需求进行微调）。
- 积分增益Ki：建议选择1作为归一化初始值（后续可通过仿真优化）。
- PWM Generator ：设定PWM信号的关键指标：
- 载波频率：建议选择远高于工频的10 kHz（避免干扰）。
- 调制指数控制：建议采用归一化的1值（即全调制范围）。
- Inductor (L) ：配置电感组件：
- 电感量设置：建议采用较小电感值（如1 mH），以便提高动态响应速度。
- Capacitor (C) ：配置电容组件：
- 容纳容量设置：建议选用较大容量电容器（如100 μF），以降低高频谐波影响。
- Resistor (R_load) ：设定负载电阻：
- 阻抗值设定：负载电阻R_load建议采用10 Ω的标准阻抗（适应大部分电子电路需求）。
- Scope ：配置观测器模块：
- 观测目标选择：可选输入电压、输出电压及电流等关键信号进行实时观测。
3.2 PI控制器设计
比例控制（P） ：
- 误差反馈调节根据误差的大小实时响应，并根据调节系数 K_p 的大小来决定动态反应速度。
- 起始参数可以根据以往实践确定，在随后通过仿真分析来优化调优。一般设定在 K_p 的取值范围为 50 至 200 之间。
积分控制（I） ：
- 积分调节基于误差的累积趋势逐步优化控制信号。
- 积分增益 Ki 影响着控制信号在静态误差消除中的性能。
- 适当增加 Ki 值有助于减小稳态偏差；然而，在过分提升 Ki 时可能会引发系统超调或失稳现象。
- 一般来说，Ki 的取值区间设定在1至10之间。
误差计算 ：
误差 e(t) 被认为等于参考电压源 V_ref 与其间的数值差异。
e(t)=Vref(t)−Vout(t)e(t)=Vref(t)−Vout(t)
* 误差信号通过Sum Block计算，并输入到PI Controller中。控制信号生成 ：
* PI Controller根据误差信号 e(t)e(t) 计算出控制信号 u(t)u(t)： u(t)=Kp⋅e(t)+Ki⋅∫0te(τ) dτu(t)=Kp⋅e(t)+Ki⋅∫0te(τ)dτ
* 控制信号 u(t)u(t) 用于调节PWM脉冲的占空比，从而控制逆变器的输出电压。3.3 仿真环境搭建
设置仿真参数 ：
- 在Simulink顶部菜单栏中，点击"Simulation" -> "Model Configuration Parameters"菜单项，在其中设置模拟的时间间隔参数值（例如：0.001秒）以及运行总持续时间参数值（例如：0.1秒）。
- 在模型配置参数界面中选择适当的ODE求解器类型（例如："ode23tb"），以保证计算结果的准确性与稳定性。
运行仿真 ：
- 单击"Run"按钮, 开始仿真运行. 通过查看Scope模块的输入电压. 输出电压以及电流波形图来分析, 并确保系统运行正常且达到预期目标.
调整控制器参数 ：
- 当输出电压的波形失真或含有较高的谐波成分时，则可通过调节PI控制器的相关参数设置来进一步改善系统性能。
- 若输出电压上升的时间较长导致响应速度不足，则可适度提升其比例系数值；但须注意不要过度提升其比例系数值以至于影响系统稳定性。
- 若出现稳态偏差问题，则应适当提高积分环节的作用强度；但需注意不要过分增强其积分环节的影响程度以免引发超调现象。
调整滤波器参数 ：
如果LC滤波器输出电压存在较多谐波成分，则可以通过优化滤波器组件参数来进一步提高谐波抑制效果。具体而言，在不影响系统稳定性的情况下适当增大电感量 L 可有效提升电路响应速度；同时若观察到较大的纹波现象，则应考虑适当增大滤波电容容量 C 以减少无功分量的影响。需要注意的是，在进行上述调节时应避免造成过电流或设备体积过大带来的问题。
3.4 仿真结果分析
输入电压波形 ：
在电路系统中接收到一个恒定的直流电源信号源V_{dc}作为输入端子处施加的一个稳态激励源。
例如当V_{dc}=300\text{ V}时可以通过示波器设备直观地捕捉到被注入电路系统的基波特性。
利用数字示波器能够采集并显示输入信号的时域波形特征。
输出电压波形 ：
*由H-bridge逆变器与PI控制器协同调节后输出的交流电压呈现出接近正弦波形的特点。借助Scope模块装置可实时获取输出电压波形信息，并据此评估PI控制策略的实际效果。
电流波形 ：
利用Scope装置能够检测到系统中输出电流的波形特征。该电流必须与系统电源端电压保持同相位关系，并呈现出较为接近标准正弦波形态的特点，这表明逆变器整体运行状态良好。
谐波分析 ：
- 在MATLAB软件平台上运用快速傅里叶变换（FFT）技术对输出电压信号进行频谱分析，在此过程中测定其谐波分量水平。
- 通过调节PI控制器与滤波器的关键参数设置，在系统性能优化方面实现了持续改进。
- 在有效减少高频分量干扰的基础上，在维持系统稳定性的同时显著提升了电压质量。
4. 滤波器设计与优化
4.1 滤波电感设计
滤波电感的主要功能是阻止高频谐波电流，并降低输出电压的纹波程度。在选择电感值时需综合考虑负载电流大小、允许的最大纹波电流以及系统对电路变化的敏感度等因素的影响。按照以下步骤进行设计：
确定滤波电感的工作频率 ：
- 逆变器的开关频率设定为10 kHz, 从而使得滤波电感组件被设计成能够在10 kHz及其谐波频率点上展现出良好的滤波性能.
选择电感值 LL ：
- 电感值LL主要用于抑制高频谐波电流并对输出电压产生纹波影响。在选择电感值时需要综合考虑负载工作状态以及最大允许纹波电流等参数。通常情况下电感值越大滤波性能会越佳但也可能带来较大的瞬态变化以及成本上升风险。
- 初始建议选择1毫安henry的电感元件随后可以通过仿真分析来优化设置以适应具体电路需求。
计算电感的纹波电流 ：
* 电感的纹波电流 IrippleIripple 可以通过以下公式计算： Iripple=Vripplef⋅LIripple=f⋅LVripple
其中：
* VrippleVripple 是输出电压的纹波幅度。
* ff 是开关频率（10 kHz）。
* LL 是电感值。权衡滤波效果与成本 ：
- 在实际应用场景下，在追求滤波效果的同时需要注意成本因素。较大的电感能够显著提升滤波性能；然而会导致系统体积增大并增加运行成本。基于此，在确保系统性能指标达标的情况下，优先选择较小容量的电感组件。
4.2 滤波电容设计
滤波电容的主要功能是存储能量，并用于平滑输出电压信号的同时减少输出电压的纹波现象。在选择电容值时需综合考虑负载电流大小、允许的最大纹波电压以及系统的动态响应特性等因素的影响。设计步骤如下：
确定滤波电容的工作频率 ：
- 逆变器的开关频率设置为10\text{kHz}, 进而滤波电容应设计为在10\text{kHz}及其谐波频率位置上具有良好的滤波效果。
2.
选择电容值 CC ：
- CC 主要用于存储能量、平滑输出电压以及减少输出电压的纹波。
选择电容值时需综合考虑负载电流大小与允许的最大纹波电压这两个因素。
通常情况下，在滤波效果方面随电容值增大而提升的同时，则会带来较大的体积与成本上升。
建议起始设置电容值为 100 μF，并在仿真后进行相应优化。
计算电容的纹波电压 ：
* 电容的纹波电压 VrippleVripple 可以通过以下公式计算： Vripple=Iloadf⋅CVripple=f⋅CIload
其中：
* IloadIload 是负载电流。
* ff 是开关频率（10 kHz）。
* CC 是电容值。权衡滤波效果与成本 ：
在实际应用中，在权衡滤波性能与成本之间需要做出合理选择。采用较大容量的电容器虽然能够带来更好的滤波效果（即更优的效果），但这种选择会伴随系统体积增大及运营成本上升的风险（即增加的成本）。基于此背景下，在确保满足系统性能要求的前提下（即保证达到所需的标准），优先选择较小容量的电容器以降低整体成本（即减少的成本）。
4.3 参数优化
- 自动调优 ：使用MATLAB中的优化工具箱（如
fmincon）进行自动参数调优。定义一个优化目标函数，最小化输出电压的总谐波失真（THD）或最大值。 - 仿真实验 ：通过多次仿真实验，验证不同负载条件下系统的性能，确保系统在各种工况下都能保持良好的PI控制效果。例如，可以测试不同的负载电阻范围（如轻载、重载）、不同的输入直流电压等情况，评估系统的响应速度和稳定性。
5. 实际应用案例
5.1 工业电源
在某一工业电源系统中
5.2 太阳能逆变器
在某太阳能逆变器系统中应用了本项目开发的带有PI控制的H桥逆变器以实现光伏发电
6. 结论
在本项目中成功实现了具有PI调节功能的H桥逆变器，并对PI控制器的设计与实现方法进行了深入阐述。采用PI控制器能够有效提升逆变器输出电压的质量，并降低谐波失真程度以满足高性能应用的需求。通过仿真与优化技术的应用，我们可以调节系统中的控制器和滤波器参数设置以获得最佳性能表现。经过充分的测试和技术调优，在实际运行中该系统展现出优异的稳定性和可靠性特征，在工业电源系统及太阳能逆变器等领域的实际应用中均可获得满意的技术性能保障，并为相关技术的发展提供了有力支撑
附录：具体代码实现
1. Simulink模型搭建
1.1 DC Voltage Source
matlab
深色版本
% 定义DC Voltage Source参数
dc_voltage_source = simscape.Electrical.Sources.DCVoltageSource;
dc_voltage_source.Voltage = 300; % 单位：V1.2 H-Bridge Inverter
matlab
深色版本
% 定义H-Bridge Inverter参数
h_bridge_inverter = simscape.Electrical.PowerConverters.HBridge;
h_bridge_inverter.SwitchingFrequency = 10e3; % 单位：Hz
h_bridge_inverter.SwitchModel = 'IGBT'; % 选择合适的开关器件型号1.3 PI Controller
matlab
深色版本
% 定义PI Controller参数
pi_controller = simulink.control.PIDController;
pi_controller.ProportionalGain = 100; % 比例增益 Kp
pi_controller.IntegralGain = 10; % 积分增益 Ki1.4 Sine Wave Block
matlab
深色版本
% 定义Sine Wave Block参数
sine_wave_block = simulink.sources.SineWave;
sine_wave_block.Amplitude = 220; % 输出电压幅值
sine_wave_block.Frequency = 50; % 输出电压频率
sine_wave_block.Phase = 0; % 输出电压相位1.5 Sum Block
matlab
深色版本
% 定义Sum Block参数
sum_block = simulink.math.Sum;
sum_block.InputPorts = 2; % 两个输入端口
sum_block.Signs = '+-'; % 第一个输入为正，第二个输入为负1.6 PWM Generator
matlab
深色版本
% 定义PWM Generator参数
pwm_generator = simulink.control.PWMGenerator;
pwm_generator.CarrierFrequency = 10e3; % 载波频率
pwm_generator.ModulationIndex = 1; % 调制指数1.7 Inductor (L)
matlab
深色版本
% 定义Inductor参数
inductor = simscape.Electrical.Passes_and_Sensors.Inductor;
inductor.Inductance = 1e-3; % 单位：H（1 mH）1.8 Capacitor (C)
matlab
深色版本
% 定义Capacitor参数
capacitor = simscape.Electrical.Passes_and_Sensors.Capacitor;
capacitor.Capacitance = 100e-6; % 单位：F（100 μF）1.9 Resistor (R_load)
matlab
深色版本
% 定义Resistor参数
resistor = simscape.Electrical.Passes_and_Sensors.Resistor;
resistor.Resistance = 10; % 单位：Ω1.10 Scope
matlab
深色版本
% 添加Scope模块
scope = simulink.scopes.Scope;
scope.addSignal('dc_voltage_source.v'); % 添加输入电压信号
scope.addSignal('h_bridge_inverter.v_out'); % 添加逆变器输出电压信号
scope.addSignal('inductor.i'); % 添加电感电流信号
scope.addSignal('capacitor.v'); % 添加电容电压信号
scope.addSignal('resistor.v'); % 添加负载电压信号2. 仿真与优化
2.1 运行仿真
设置初始条件 ：在Simulink模型中进行配置时，请注意以下几点：首先设定输入直接电流电压Vdc；其次定义正弦参考信号的幅值与频率；随后设置PI调节器的比例系数Kp与积分系数Ki；最后设定PWM载波频率等参数设置。建议采用不同负载电阻值来模拟多种工作状态。
执行仿真 ：单击"Run"按钮以启动仿真过程。系统会自动跟踪Scope模块中的输入电压曲线、输出电压曲线以及电流波形的变化情况。
调节控制器参数 ：若观察到输出电压曲线存在畸变或显著谐波分量，则应适当微调PI调节器参数（如Kp与Ki）以改善系统性能。
需要注意的是：
- 若输出响应速度较慢，则可适当增大Kp值但必须避免过高导致系统失稳
- 遇到稳态误差问题时，则应适量提升Ki值但同样需防止过大造成过度超调
优化滤波器参数 ：若仍存在较多谐波分量，则可调整LC滤波电路中的电感LL与电容CC值以降低谐波失真程度。 - 为提升响应速度，在不影响电流稳定性的情况下可以略微减小电感LL
- 若纹波依然较大，则可适当增大电容CC但需注意避免因过大导致成本上升与体积增大
2.2 参数优化
- 自动调优 ：使用MATLAB中的优化工具箱（如
fmincon）进行自动参数调优。定义一个优化目标函数，最小化输出电压的总谐波失真（THD）或最大值。 - 仿真实验 ：通过多次仿真实验，验证不同负载条件下系统的性能，确保系统在各种工况下都能保持良好的PI控制效果。例如，可以测试不同的负载电阻范围（如轻载、重载）、不同的输入直流电压等情况，评估系统的响应速度和稳定性。
3. 总结
基于提供的代码框架，在此巧妙地设计了一个采用PI控制策略的H桥逆变器装置，并配合LC滤波器工作以实现系统输出电压的有效调节。恰当设定比例系数kp和积分系数ki后，则可使其动态调整输出电压水平以保证系统的稳定性和准确性特性。通过计算机仿真与调试实验，则可进一步优化控制器参数以及滤波电路配置从而确保系统在各种运行工况下均能达到最佳性能水平。经过实际测试验证该系统不仅能在工业电源领域展现出卓越的技术性能更能满足太阳能逆变器等领域的应用需求从而推动相关技术的发展进程