一種模糊pid數(shù)字控制dc-dc變換器的控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及數(shù)字開關(guān)變換器，尤其是應(yīng)用于數(shù)字控制開關(guān)變換器的一種模糊PID數(shù)字控制DC-DC變換器的控制方法，能夠根據(jù)輸出電壓誤差及誤差偏差量動態(tài)調(diào)節(jié)常規(guī)PID控制參數(shù)，有效提高變換器的瞬態(tài)響應(yīng)性能。
【背景技術(shù)】
[0002]DC-DC變換器作為直流電壓供應(yīng)設(shè)備廣泛應(yīng)用于各種便攜式電子產(chǎn)品。早期DC-DC變換器通常采用模擬控制，因為它具有控制簡單、精度高、技術(shù)成熟等優(yōu)點(diǎn)，但受模擬電路本身結(jié)構(gòu)的限制，以及工藝技術(shù)、產(chǎn)品開發(fā)周期、多電源管理系統(tǒng)及高端產(chǎn)品附加功能等要求的提高，促使了數(shù)字控制電源的產(chǎn)生與發(fā)展。數(shù)字控制相比模擬控制有諸多優(yōu)點(diǎn)，如數(shù)字器件不易受老化及環(huán)境變量影響，對噪聲不敏感，可重構(gòu)性好，容易實現(xiàn)復(fù)雜控制算法等。
[0003]目前絕大多數(shù)控制策略仍然基于狀態(tài)空間平均模型或線性化小信號模型，這較好地解決了 DC-DC變換器的穩(wěn)態(tài)和動態(tài)低頻小信號分析問題。但是由于DC-DC變換器系統(tǒng)的非線性本質(zhì)，基于小信號模型設(shè)計的控制器，不能保證系統(tǒng)在輸入和負(fù)載大范圍變化下的穩(wěn)定性，因此這種模型的適用范圍受到了很大的限制，因而傳統(tǒng)的控制策略很難進(jìn)一步提高系統(tǒng)性能。為此，需要建立更精確的非線性模型或運(yùn)用非線性控制策略，然而研宄更精確的非線性模型比較困難，因此考慮運(yùn)用非線性控制策略。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的在于提供一種模糊PID數(shù)字控制DC-DC變換器的控制方法，可以降低DC-DC變換器的非線性效應(yīng)對變換器瞬態(tài)響應(yīng)性能影響，響應(yīng)速度快，超調(diào)量小。
[0005]本發(fā)明采取的技術(shù)方案如下:一種模糊PID數(shù)字控制DC-DC變換器的控制方法，其特征在于:基于包括ADC單元、比較器、設(shè)有模糊控制單元和PID控制單元的模糊PID補(bǔ)償器、數(shù)字脈寬調(diào)制器和驅(qū)動單元的控制系統(tǒng)，該控制系統(tǒng)與Buck型DC/DC變換器的主拓?fù)浯?lián)構(gòu)成閉環(huán)，當(dāng)輸入電壓或負(fù)載電流外部環(huán)境發(fā)生變化時，變換器主拓?fù)涞妮敵鲭妷簳S之出現(xiàn)波動；ADC單元采樣變換器主拓?fù)涞哪M輸出電壓Vo[t]并轉(zhuǎn)換為數(shù)字輸出電壓Vo[η]進(jìn)入比較器，比較器將數(shù)字輸出電壓值Vo[n]與數(shù)字參考電壓Vref比較，得到輸出電壓誤差值e[η]和輸出電壓誤差偏差值ec[η]進(jìn)入模糊控制單元；模糊控制單元執(zhí)行模糊推理運(yùn)算，將輸出電壓誤差值e [η]和輸出電壓誤差偏差值ec [η]進(jìn)行模糊化，根據(jù)輸入變量e[n]和ec[n]的范圍，采用三角形隸屬函數(shù)方法得到e[n]和ec[n]的模糊子集分布，根據(jù)當(dāng)前e [η]和ec [η]的值判斷出e [η]和ec [η]所屬的模糊子集合和相應(yīng)的隸屬度，然后根據(jù)變換器的典型輸出響應(yīng)曲線制定模糊規(guī)則，判斷模糊控制單元的輸出變量PID比例控制系數(shù)變化量ΔΚρ、積分控制系數(shù)變化量AK1、微分控制系數(shù)變化量AKd所屬的模糊子集合和相應(yīng)的隸屬度；最后根據(jù)輸出變量ΔΚρ、ΛK1、AKd的范圍，采用孤立型隸屬函數(shù)方法得到ΔΚρ, AK1、AKd的模糊子集分布，用最大隸屬度法進(jìn)行解模糊，即從輸出ΔΚρ、AK1、AKd的模糊子集合中找出隸屬度最大的一個模糊子集和相應(yīng)的ΔΚρ、AK1、Λ Kd精確值，在線調(diào)整ΛΚρ、ΔΚ?, AKd的數(shù)值輸出至PID控制單元；PID控制單元執(zhí)行PID控制算法，輸出離散占空比信號d[n]至數(shù)字脈寬調(diào)制器，數(shù)字脈寬調(diào)制器輸出連續(xù)的占空比信號d[t]至驅(qū)動單元，驅(qū)動單元輸出兩路互補(bǔ)的PWM信號控制變換器中功率管Ql、Q2的開關(guān)從而穩(wěn)定主拓?fù)涞妮敵鲭妷?；重?fù)上述過程進(jìn)行循環(huán)控制直至系統(tǒng)穩(wěn)定。
[0006]包括以下步驟:
[0007](I)ADC單元采樣主拓?fù)涞哪M輸出電壓Vo[t]并轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號Vo[n]輸出給比較器，比較器將Vo[n]與給定的數(shù)字參考電壓信號Vref比較Vref-Vo [η]，得到當(dāng)前采樣周期的電壓誤差值e[n]并予以記錄，同時將當(dāng)前誤差記錄e[n]與上一次誤差記錄e[n_l]相減得到誤差偏差值ec[n]，比較器輸出e[n]及ec[n]兩個信號至模糊控制單元；
[0008](2)在模糊控制單元內(nèi)將e[n]和ec[n]乘以相應(yīng)的量化因子后轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的模糊語言變量E和EC，采用三角形隸屬函數(shù)定義7個模糊子集，分別為:負(fù)大NB、負(fù)中匪、負(fù)小NS、零Z0、正小PS、正中PM、正大PB七種情況，根據(jù)7個模糊子集分布，判斷當(dāng)前e [η]和ec[n]所屬的模糊子集合和相應(yīng)的隸屬度；然后根據(jù)模糊規(guī)則推理出輸出變量ΔΚρ、AK1、Λ Kd所屬的模糊子集合和相應(yīng)的隸屬度，其中模糊規(guī)則是根據(jù)變換器的典型輸出響應(yīng)曲線制定的:將變換器的典型輸出響應(yīng)曲線定義歸類為4個階段:①AtlA1M段，E>0，EC〈0，輸出電壓小于且趨向參考電壓，②A1A2階段，E〈0，EC〈0，輸出電壓大于且偏離參考電壓，③A2A3階段，E〈0，EC>0，輸出電壓大于且趨向參考電壓，④A3A4階段，E>0，EC>0，輸出電壓小于且偏離參考電壓，分別制定4個階段相應(yīng)的模糊規(guī)則AtlA1階段，一方面輸出電壓小于參考電壓，當(dāng)輸出電壓在Atl點(diǎn)附近時，為了增大輸出電壓，需要大的占空比對電容充電，抬高輸出電壓，所以需要增大PID比例控制系數(shù)Kp、積分控制系數(shù)Ki，減小微分控制系數(shù)Kd，即ΛΚρΧΚΔ Ki>0、Δ Kd〈0，加快響應(yīng)速度；另一方面輸出電壓趨向參考電壓，當(dāng)輸出電壓接近A1點(diǎn)時，需要考慮減小超調(diào)，所以需要減小Kp、Ki，增大Kd，S卩Δ Κρ〈0、Δ Ki〈0、Δ Kd>0，減小超調(diào)，所以在Ac^lj A1的過程中，Λ Kp和AKi呈現(xiàn)減小的趨勢，AKd呈現(xiàn)增大的趨勢；ΑΑ階段，輸出電壓大于參考電壓，且偏離參考電壓，所以在整個階段都需要減小輸出電壓，需要小的占空比對電容放電，降低輸出電壓，所以需要增大Kp,Kd,減小Ki，即Δ KpXK Δ Ki〈0、Δ Kd>0 ；A2A3階段，一方面輸出電壓大于參考電壓，當(dāng)輸出電壓在A 2點(diǎn)附近時，為了減小輸出電壓，需要小的占空比對電容放電，降低輸出電壓，所以需要增大Kp，減小K1、Kd,即ΛΚρ>0、Δ Kd〈0、Δ Ki〈0，加快響應(yīng)速度；另一方面輸出電壓趨向參考電壓，當(dāng)輸出電壓接近A3點(diǎn)時，需要考慮減小超調(diào)，所以需要減小Kp，增大K1、Kd，即Δ Κρ〈0、Δ Kd>0、Δ Ki>0，減小超調(diào)，所以在AjIjA3的過程中，ΔΚρ呈現(xiàn)減小的趨勢，ΔΚ?和AKd呈現(xiàn)增大的趨勢；Α3Α4階段，輸出電壓小于參考電壓，且偏離參考電壓，所以在整個階段都需要增大輸出電壓，需要大的占空比對電容充電，抬高輸出電壓，所以需要增大Kp、Ki和Kd，S卩ΔΚρ>0、AKd>0、ΔΚ?>0 ;最后根據(jù)輸出變量ΔΚρ、ΔΚ?, AKd的模糊子集分布采用最大隸屬度法從輸出變量模糊子集合中找出隸屬度最大的一個模糊子集并將此模糊子集映射為模糊語言變量，乘以比例因子后得到三個輸出變量ΔΚρ、ΔΚ?, AKd的精確值，其中輸出變量模糊子集分布采用孤立型隸屬函數(shù)；
[0009](3)在PID控制單元內(nèi)，ΔΚρ、ΔΚ?, ΔKd分別與設(shè)定的PID參數(shù)初值KpO、K1、KdO相加得到實時的Kp、K1、Kd，經(jīng)過常規(guī)的PID運(yùn)算后，PID控制單元輸出離散占空比信號d[n]輸出至數(shù)字脈寬調(diào)制器；
[0010](4)數(shù)字脈寬調(diào)制器采用計數(shù)比較與延遲線混合方式實現(xiàn)，輸出連續(xù)占空比信號d[t]；
[0011](5)驅(qū)動單元輸出兩路互補(bǔ)的PWM信號控制變換器功率管Q1、Q2的導(dǎo)通關(guān)斷；
[0012](6)重復(fù)執(zhí)行步驟(I)?(5)，形成新的PWM信號控制功率管開關(guān)，循環(huán)控制直至開關(guān)變換器輸出電壓值與參考電壓值一致。
[0013]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和顯著效果在于，通過模糊PID控制，降低了開關(guān)變換器固有的非線性特性對瞬態(tài)性能的影響，優(yōu)化了數(shù)字變換器的瞬態(tài)性能；控制精度高，魯棒性好，輸入或負(fù)載擾動下超調(diào)小，響應(yīng)速度快；具有可擴(kuò)展性和可移植性，可以擴(kuò)展應(yīng)用于其他拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的DC-DC變換器；采用數(shù)字控制實現(xiàn)方式，相對于模擬控制更為靈活，可重構(gòu)性強(qiáng)。
【附圖說明】
[0014]圖1是本發(fā)明的總體結(jié)構(gòu)框圖；
[0015]圖2是輸入變量模糊子集分布；
[0016]圖3是輸出變量模糊子集分布；
[0017]圖4是DC-DC變換器典型輸出響應(yīng)曲線圖；
[0018]圖5是模糊控制規(guī)則表；
[0019]圖6是負(fù)載跳變和輸入電壓跳變下模糊PID和常規(guī)PID控制下變換器的瞬態(tài)響應(yīng)。
【具體實施方式】
[0020]如圖1，本發(fā)明模糊PID數(shù)字控制DC-DC變換器的控制方法，基于