模糊控制在數(shù)字電源中的應(yīng)用

模糊控制在數(shù)字電源中的應(yīng)用

與傳統(tǒng)的電源相比，數(shù)字電源的設(shè)計短缺性，控制方法靈活，易于實(shí)現(xiàn)組件管理，消除因散列元件引起的不穩(wěn)定性和電子干擾的特點(diǎn)。數(shù)字電源是開關(guān)電源的一個發(fā)展趨勢。數(shù)字電源的控制模塊對數(shù)字電源的性能有著重大的影響,目前數(shù)字電源的控制方法一般采用簡單的數(shù)字PID控制算法。但是,傳統(tǒng)的PID算法是一種線性控制算法,在控制數(shù)字電源這種非線性系統(tǒng)時動態(tài)性能不佳,主要體現(xiàn)在負(fù)載變化或者有干擾的情況下,電源輸出超調(diào)大,調(diào)節(jié)時間長等方面。模糊控制是應(yīng)用模糊集合理統(tǒng)籌考慮系統(tǒng)的一種控制方式,即使在不精確知道系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型的情況下也能夠?qū)ο到y(tǒng)進(jìn)行有效的控制,并且具有上升時間快,超調(diào)量小,魯棒性好等優(yōu)點(diǎn),特別適合于非線性和時變的控制對象。不足之處在于模糊控制的靜態(tài)誤差較大。結(jié)合PID控制和模糊控制兩者的優(yōu)點(diǎn)而對復(fù)雜對象進(jìn)行有效控制成為當(dāng)前的研究熱點(diǎn)。并且在溫度、倒立擺系統(tǒng)、電動舵機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)得了階段性研究成果。1基于模糊自適應(yīng)pid控制的系統(tǒng)誤差控制模糊控制和PID控制的結(jié)合控制方法,目前主要集中在兩個方向:一種是模糊PID并聯(lián)控制,如圖1所示,對誤差進(jìn)行實(shí)時跟蹤,誤差大時用模糊控制,以加快系統(tǒng)的反應(yīng)速度,減小超調(diào)量;誤差小時用PID控制以控制系統(tǒng)的靜態(tài)誤差。這種控制方式的困難之處在于控制量易于在控制閾值附近形成震蕩,達(dá)不到控制要求,有研究表明使用模糊閾值,并且通過遺傳算法對復(fù)合控制器的量化因子和積分系數(shù)進(jìn)行在線優(yōu)化,可以改善這種情況。另一種結(jié)合方式是模糊自適應(yīng)PID控制,如圖2所示。這種方式也對系統(tǒng)誤差實(shí)時監(jiān)控,根據(jù)誤差和誤差的變化率在線動態(tài)調(diào)節(jié)PID控制算法中比例、微分和積分的控制參數(shù),達(dá)到即減少系統(tǒng)超調(diào)、縮短穩(wěn)定時間,同時又不引進(jìn)大的穩(wěn)態(tài)誤差。本文所設(shè)計的模糊自適應(yīng)PID控制算法基于這種模型。2采用模糊自適應(yīng)pid算法的檢測和設(shè)計原則2.1預(yù)控制參數(shù)設(shè)計系統(tǒng)設(shè)計時,根據(jù)Ziegler-Nichols整定方法,采用PID控制方法對系統(tǒng)進(jìn)行預(yù)控制,達(dá)到系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)要求,記下所整定的比例Kp、積分Ki和微分Kd參數(shù)。然后設(shè)計模糊控制,根據(jù)輸入變量的隸屬度函數(shù)和模糊規(guī)則表,運(yùn)用模糊推理的方法得出各參數(shù)的動態(tài)值,用模糊控制的輸出在線調(diào)整PID參數(shù)。2.2ki小ki的取值(1)當(dāng)誤差較大時,為加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度,應(yīng)該取較大的Kp,這樣系統(tǒng)的時間常數(shù)和阻尼系數(shù)減小。當(dāng)然也不能過大而引起系統(tǒng)的不穩(wěn)定。為避免系統(tǒng)在開始時可能引起的超范圍控制作用,取較小Kd,以便加快系統(tǒng)響應(yīng);同時為避免出現(xiàn)大的超調(diào),可以盡可能的減小Ki;(2)當(dāng)誤差處于中等大小時,應(yīng)取較小的Kp,是系統(tǒng)響應(yīng)的超調(diào)略小,此時的Kd的取值對系統(tǒng)較為關(guān)鍵,應(yīng)取合適的值;此時可以增加一點(diǎn)Ki,但不要過大;(3)當(dāng)誤差較小時,應(yīng)取較大的Kp和Ki,為避免系統(tǒng)在平衡點(diǎn)出現(xiàn)震蕩,Kd的取值應(yīng)適當(dāng)。3采用模糊自適應(yīng)算法設(shè)計3.1隸屬函數(shù)s的函數(shù)模糊自適應(yīng)PID的輸入為誤差E和誤差變化率DE,輸出為Kp,Ki和Kd。在本例中,各變量的模糊子集均為{NB,NM,NS,Z,PS,PM,PB},其表示的含義為負(fù)大,負(fù)中,負(fù)小,零,正小,正中、正大。誤差E的論域?yàn)閇-33],誤差變化率DE的論域?yàn)閇-11],輸出Kp的論域?yàn)閇0.41.6],Ki論域?yàn)閇0400],Kd的論域?yàn)閇01],隸屬函數(shù)采用三角函數(shù),在論域上全交叉均勻分布。其形式如圖3所示。3.2ifa&btenb形式模糊規(guī)則表式根據(jù)PID三個參數(shù)Kp,Ki和Kd對系統(tǒng)的控制效果,結(jié)合理論以及實(shí)踐中的控制經(jīng)驗(yàn)而制成,采用模糊條件推理ifAandBthenC形式,稱為IF-THEN規(guī)則。該控制表是模糊控制器模糊判決的依據(jù),模糊控制的優(yōu)勢就體現(xiàn)在不僅能對系統(tǒng)輸入輸出隸屬函數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié),還可以根據(jù)具體的控制系統(tǒng)對模糊規(guī)則表進(jìn)行微調(diào)。本例中采用的模糊規(guī)則如表1所示。3.3模糊輸出的輸出依據(jù)模糊規(guī)則和模糊推理所得到的輸出是一個模糊量,而數(shù)字電源的控制必須是一個精確量,這就需要把模糊自適應(yīng)PID的輸出經(jīng)過去模糊化。常用的去模糊化方法有最大隸屬度法、面積中心(重心)法和面積平分法。本例中采用的是面積平分法。其計算形式如下。式中:ubis為輸出精確值,A(u)為隸屬函數(shù),(a,b)為隸屬函數(shù)的論域。4系統(tǒng)仿真研究4.1模糊控制模塊設(shè)計本文基于MATLAB/SIMULINK對自適應(yīng)模糊PID算法進(jìn)行了仿真研究。研究系統(tǒng)如圖4所示,系統(tǒng)采用經(jīng)典的DC/DC同步整流BUCK電路。輸入直流電壓為30V,輸出參考電壓為15V,圖中電感取值為1mH,濾波電容為22mF負(fù)載電阻為3.75Ω,工作頻率為50kHz。負(fù)載電流通過Cyclicload改變,其周期設(shè)為1/200,幅值為2A。數(shù)字控制器的設(shè)計:數(shù)字控制器是該系統(tǒng)的核心組成部分,控制算法結(jié)構(gòu)如圖5所示,為了和實(shí)際情況更加接近,算法前面引入1ms的延遲環(huán)節(jié)代表測量延遲,誤差量化因子取為0.2,誤差變化率量化因子取為10-5,模糊控制模塊中的函數(shù)為上文所設(shè)計的模糊控制函數(shù)?？刂破鞯耐ㄟ^調(diào)節(jié)輸出值u,調(diào)節(jié)PWMGenerator模塊產(chǎn)生PWM波的占空比D