（電力電子與電力傳動(dòng)專(zhuān)業(yè)論文）數(shù)字控制dcdc變換器的研究.pdf

a b s t r a c t a b s t r a c t i nc o n v e n t i o n a lp o w e re l e c t r o n i ct e c h n o l o g y c o n t r o l l e r sf o rd c d cc o n v e r t e r s a d o p ta n a l o g yc i r c u i t st oi m p l e m e n tv o l t a g ec o n t r o lo rc u r r e n tc o n t r 0 1 i nr e c e n ty e a r s w i t ht h ei m p r o v e m e n ti nd i g i t a ls i g n a l sp r o c e s s i n gt e c h n o l o g ya n dt h ep r i c eo f m i c r o p r o c e s s o ra n dd s pb e c o m i n gc h e a p e r d i g i u ac o n t r o li sw i d e l ya p p l i e di np o w e r c o n v e r t e r s c o m p a r e dw i t ha n a l o g yc o n t r o l l e r s d i g i t a lc o n t r o l l e r sh a v em a n y a d v a n t a g e s t h ed i g i t a lc o n t r o l l e rc a nr e a l i z es o m ec o m p l i c a t e dc o n t r o ls t r a t e g i e sa n d h a sh i 曲e rr e l i a b i l i t ya n ds t a b i l i t y a n dt h ed e s i g no ft h ed i g i c o n t r o l l e ri sf l e x i b l e t h ed i g i t a lc o n t r o l l e rc 趾r e a l i z et h ei n t e l l i g e n tp o w e ra n dr e d u c et h ed e s i g nc y c l eo f n e w p r o d u c t s t h ep r o p o s e dc o n t r o ls t r a t e g i e si n c l u d ed i g i t a lp i dc o n t r o l a d a p t i v ec o n t r o l f u z z yc o n t r o l n e u r a ln e t w o r kc o n t r o lp o l ep l a c ec o n t r o l d e a d b e a tc o n t r o la n d p r e d i c t i v ec o n t r 0 1 e v e r yc o n t r o ls t r a t e g yh a si t sa d v a n t a g e s b u th a si t sl o c a l i z a t i o n a f t e ri n v e s t i g a t e da n d a n a l y z e dt h ec o n t r o lm o d e lo ft h ed c d cc o n v e r t e r t h ep a p e r p r o p o s e dan e w 呦p i dp r e d i c t i v ec o n t r o lm e t h o d t h ec o n t r o lm e t h o di sv a l i d a t e d w i t ht h es i m u l a t i o no ft h eb u c ka n dt h ep h a s e s h i f t e df u l l b r i d g ec o n v e r t e r t h e s i m u l a t i o nr e s u l t sp r o v e dt h a tt h ec o n t r o lm e t h o dh a sg o o dd y n a m i c sr e s p o n s e i no r d e rt ol e a l i l 2t h es t r a t e g y t h ep a p e rd e s i g n e dt h eb u c kc o n v e q t e rb a s e do n t h et m s 3 2 0 f 2 4 0d s et h ee x p e r i m e n t a t i o nr e s u l tp r o v e dt h a tt h ec o n t r o ls c h e m eh a s g o o dc o n t r o lp e r f o r m a n c ea n ds i m p l ec o n t r o la r i t h m e t i c t h es t r a t e g yi sas i m p l ea n d a p p l i e dd i g i t a lc o n t r o lm e t h o d k e yw o r d s d c d cc o n v e r t e r s d i g i t a lc o n t r o l f u yp i dc o n t r o l p r e d i c t i v e c o n t r o l d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r 獨(dú)創(chuàng)性聲明 本人聲明所呈交的學(xué)位論文是本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作和取得的 研究成果 除了文中特別加以標(biāo)注和致謝之處外 論文中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表 或撰寫(xiě)過(guò)的研究成果 也不包含為獲得鑫鲞叁莖或其他教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或證 書(shū)而使用過(guò)的材料 與我一同工作的同志對(duì)本研究所做的任何貢獻(xiàn)均已在論文中 作了明確的說(shuō)明并表示了謝意 學(xué)位論文作者簽名 硌磊留簽字日期 占年上月弘日 學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書(shū) 本學(xué)位論文作者完全了解鑫鲞盤(pán)堂有關(guān)保留 使用學(xué)位論文的規(guī)定 特授權(quán)苤壅叁莖可以將學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行檢 索 并采用影印 縮印或掃描等復(fù)制手段保存 匯編以供查閱和借閱 同意學(xué)校 向國(guó)家有關(guān)部門(mén)或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和磁盤(pán) 保密的學(xué)位論文在解密后適用本授權(quán)說(shuō)明 學(xué)位論文作者簽名 柳倉(cāng) 簽字日期 加占年 月弘日三三喜三 二 耄月如日簽字日期 歹礦 年 月腳日 第一章緒論 1 1 引言 第一章緒論 按照功率變換的類(lèi)型 電力電子學(xué)的研究對(duì)象可分為a c d c 整流 a c a c 變頻 d c a c 逆變 d c d c 斬波 四類(lèi) d c d c 變換器屬于電力電子 學(xué)的研究范疇 它涉及電力學(xué) 電子學(xué)和控制理論等學(xué)科 d c d c 變換器又稱(chēng)為斬波器 其功能是將直流電變?yōu)榱硪还潭妷夯蚩烧{(diào) 電壓的直流電 2 在各種類(lèi)型的d c d c 開(kāi)關(guān)變換器中 p w m 型變換器結(jié)構(gòu)種類(lèi) 多 發(fā)展快 技術(shù)領(lǐng)先 便于實(shí)現(xiàn) 構(gòu)成最大的一類(lèi) d c d c 變換器有非電氣 隔離型和有隔離型兩類(lèi) 2 柳 以所用功率開(kāi)關(guān)管的數(shù)量來(lái)分類(lèi) 單管非隔離直流變 換器有六種基本類(lèi)型 即降壓式 b u c k 升壓式 b o o s t 升降壓式 b u c k b o o s t 庫(kù)克 c u k 瑞泰 z e t a 和賽皮克 s e p i c 等 雙管直流變換器有雙管串接 的升降壓式 b u c k b o o s t 等 隔離型直流變換器也可以所用功率開(kāi)關(guān)管數(shù)量來(lái) 分類(lèi) 典型單管直流變換器有正激變換器 f o r w a r d 和反激變換器 f l y b a c k 兩種 雙管變換器有雙管正激變換器 d o u b l et r a n s i s t o rf o r w a r dc o n v e r t e r 雙管 反激變換器 d o u b l et r a n s i s t o rf l y b a c kc o n v e r t e r 推挽 p u s h p u l lc o n v e r t e r 和 半橋 h a l f b r i d g ec o n v e r t e r 四種 四管直流變換器就是d c d c 全橋變換器 f u l l b r i d g ec o n v e r t e r 常見(jiàn)的p w i v i 型d c d c 變換器電路有b u c k b o o s t b u c k b o o s t c u k 等電 路 3 4 1 它們構(gòu)成了p w m 型d c d c 變換器的基本拓?fù)?這四種類(lèi)型的d c d c 變換器是最基本的變換器 以這四種變換器為基礎(chǔ)可以引申出各種類(lèi)型的 d c d c 變換器 其中移相全橋z v s 變換器由于其充分利用了電路本身的寄生參 數(shù) 使開(kāi)關(guān)管工作在軟開(kāi)關(guān)狀態(tài) 降低了開(kāi)關(guān)管的開(kāi)關(guān)嗓聲和開(kāi)關(guān)損耗 提高了 變換器的效率 近年來(lái)在中大功率場(chǎng)合得到廣泛應(yīng)用 1 2 課題的研究背景和意義 在傳統(tǒng)功率電子技術(shù)中 d c d c 變換器控制部分是按模擬信號(hào)進(jìn)行設(shè)計(jì)和 工作的 在六 七十年代 功率電子技術(shù)完全建立在模擬電路的基礎(chǔ)上 但是 近年來(lái) 隨著數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的日益完善 成熟 微處理器 微控制器和數(shù)字 第一章緒論 信號(hào)處理器性?xún)r(jià)比的不斷提高 數(shù)字控制在功率變換器中得到廣泛應(yīng)用 例如電 機(jī) 不間斷電源 u p s 的控制電路都選用各種數(shù)字信號(hào)處理器或微處理器作為 其核心控制部件 功率變換器已由模擬控制 模數(shù)混合控制 進(jìn)入全數(shù)字化控制 階段 相對(duì)于模擬控制 數(shù)字控制有許多優(yōu)點(diǎn) 1 數(shù)字控制可以實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜的控制策略 提高控制系統(tǒng)的性能 由于 開(kāi)關(guān)器件的存在 功率變換器是強(qiáng)非線(xiàn)性系統(tǒng) 傳統(tǒng)的模擬控制是在功率變換器 近似線(xiàn)性模型的基礎(chǔ)上 利用線(xiàn)性系統(tǒng)的各種設(shè)計(jì)方法來(lái)設(shè)計(jì)補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò) 這種方 法設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單且容易實(shí)現(xiàn) 但隨著對(duì)電源性能指標(biāo)的要求不斷提高 這種設(shè)計(jì)方法 很難提高系統(tǒng)的控制性能 而數(shù)字控制可以實(shí)現(xiàn)各種非線(xiàn)性控制策略 使得控制 系統(tǒng)的性能大大提高 2 數(shù)字控制系統(tǒng)具有很強(qiáng)的抗干擾能力 模擬元器件易受環(huán)境和溫度的 變化影響 所以模擬控制器穩(wěn)定性差 數(shù)字控制器較少受到器件老化 環(huán)境或參 數(shù)變化的影響 比模擬控制器更穩(wěn)定可靠 具有很強(qiáng)的抗干擾能力 3 數(shù)字控制系統(tǒng)靈活性高 數(shù)字化極大地簡(jiǎn)化了變換器控制的硬件 采 用數(shù)字控制技術(shù)可以設(shè)計(jì)統(tǒng)一的硬件平臺(tái) 適用不同的變換器系統(tǒng) 只通過(guò)軟件 的改變就可以改變控制策略 無(wú)須硬件更改 同時(shí) 數(shù)字控制系統(tǒng)更容易實(shí)現(xiàn)過(guò) 壓 過(guò)流保護(hù) 輸出電壓調(diào)節(jié) 故障監(jiān)測(cè)及通訊等功能 使電源 智能化 總之 對(duì)功率變換器采用數(shù)字控制方法大大提高了變換器的控制性能 靈活 性等 變換器的性能主要由軟件來(lái)決定 而不是在于大量離散元器件的參數(shù) 這 就意味著成本和空間的節(jié)省以及實(shí)現(xiàn)復(fù)雜算法的能力 數(shù)字控制的這些優(yōu)點(diǎn)大大 提高了功率變換器的綜合性能 由模擬控制向數(shù)字控制的轉(zhuǎn)變是電力電子功率變 換器的一大發(fā)展趨勢(shì) 1 3 論文研究?jī)?nèi)容與結(jié)構(gòu) 1 3 1 論文的研究?jī)?nèi)容 本論文在總結(jié)前人研究成果的基礎(chǔ)上 提出模糊p i d 預(yù)測(cè)控制策略 并以 b u c k 變換器和全橋交換器為控制對(duì)象 通過(guò)仿真驗(yàn)證了這種策略的可行性 說(shuō) 明這種控制策略極大提高了d c i c 變換器系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能 為了驗(yàn)證本文所提出的控制算法的有效性 選用b u c k 變換器為實(shí)驗(yàn)電路 采用1 1 公司的數(shù)字信號(hào)處理器t m s 3 2 0 f 2 4 0 為核心器件實(shí)現(xiàn)了d c d c 變換器的 數(shù)字控制 除控制算法以外 也從軟件其它方面著手改善系統(tǒng)的性能 最后對(duì)實(shí) 驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了分析 以t m s 3 2 0 f 2 4 0 為控制核心構(gòu)成的d c d c 變換器控制系統(tǒng) 第一章緒論 具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 可靠性高等優(yōu)點(diǎn) 1 3 2 論文的結(jié)構(gòu) 論文第一章為緒論部分 主要介紹了本課題的研究背景及意義 第二章為 p 聊型d c i d c 變換器數(shù)字控制方法的綜述 同時(shí)就數(shù)字控制中的一些關(guān)鍵問(wèn)題進(jìn) 行了討論 第三章主要論述了模糊p i d 控制在d c d c 變換器中的應(yīng)用 及本文所 提出模糊p i d 預(yù)測(cè)控制策略 并進(jìn)行了仿真驗(yàn)證 第四章是控制系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì) 并給出了實(shí)驗(yàn)結(jié)果 第五章為結(jié)束語(yǔ) 第二章d c d c 變換器的數(shù)字控制方法 第二章d c d c 變換器的數(shù)字控制方法 2 1p w m 型d c d c 變換器的數(shù)字控制方法 p w m 型d c d c 變換器是一個(gè)強(qiáng)非線(xiàn)性離散系統(tǒng) 系統(tǒng)具有如下特點(diǎn)1 3 1 開(kāi)關(guān)器件在一個(gè)周期中既工作在飽和區(qū)又工作在截止區(qū) 系統(tǒng)在開(kāi)關(guān) 打開(kāi)和閉合時(shí)具有不同的電路結(jié)構(gòu) 即系統(tǒng)是按時(shí)間分段線(xiàn)性的 時(shí)變的 2 由于外部的瞬態(tài)的或持續(xù)的擾動(dòng) 如輸入電壓或輸出功率擾動(dòng) 會(huì)引 起變換器工作狀態(tài)參數(shù)的非線(xiàn)性變化 3 脈寬調(diào)制器具有飽和非線(xiàn)性 系統(tǒng)在工作時(shí)開(kāi)關(guān)導(dǎo)通比有上限和下限 一旦達(dá)到上限或下限 占空比就保持不變 4 系統(tǒng)是離散系統(tǒng) 在每一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi) 開(kāi)關(guān)占空比只改變一次 因 此控制是不連續(xù)的 以上特點(diǎn)決定t d c d c 變換器的動(dòng)靜態(tài)特性解析分析比較復(fù)雜 傳統(tǒng)的模擬 控制是在i l d m i d d l e b r o o k 和s c u k 提出的狀態(tài)空間平均法的基礎(chǔ)上得到變換 器在額定工作點(diǎn)附近的近似線(xiàn)性小信號(hào)模型 然后利用頻域法設(shè)計(jì)控制器 但很 難提高系統(tǒng)的控制性能 且難以保證系統(tǒng)的大信號(hào)穩(wěn)定性 近年來(lái) 隨著微處理 器 微控制器和數(shù)字信號(hào)處理器性?xún)r(jià)比的不斷提高 數(shù)字控制d c d c 變換器研究 越來(lái)越多 提出了一些新的數(shù)字控制算法 如模糊控制 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制 極點(diǎn)配 置控制等 這些非線(xiàn)性控制策略極大提高了控制系統(tǒng)的動(dòng)靜態(tài)性能 系統(tǒng)魯棒性 也大大提高 2 1 1 數(shù)字p i d 控制 p i d 控制是最早發(fā)展起來(lái)的控制策略之一 由于其算法簡(jiǎn)單 魯棒性好和 可靠性高 應(yīng)用極為廣泛 尤其適用于可建立精確數(shù)學(xué)模型的確定性控制系統(tǒng) 模擬p i d 控制系統(tǒng)原理框圖如圖2 1 所示 圖2 1 模擬p i d 控制系統(tǒng)原理 第二章d c i x 2 變換器的數(shù)字控制方法 p i d 控制器是一種線(xiàn)性控制器 它根據(jù)給定值r o 與實(shí)際輸出值y o 構(gòu)成控 制偏差 e o r t y t 2 1 將偏差的比例 p 積分 i 和微分 d 通過(guò)線(xiàn)性組合構(gòu)成控制量 對(duì) 被控對(duì)象進(jìn)行控制 其控制規(guī)律為 2 緝卜 毒 蟣r d 西e o j 2 之 或?qū)懗蓚鬟f函數(shù)的形式 g 器 k 0 去毋 2 3 式中 j 一比例系數(shù)5 z 積分時(shí)間常數(shù) 微分時(shí)間常數(shù) 各環(huán)節(jié)的作用如下 1 比例環(huán)節(jié) 即時(shí)成比例地反映控制系統(tǒng)的偏差信號(hào)p 御 偏差一旦產(chǎn) 生 控制器立即產(chǎn)生控制作用 以減少偏差 提高控制精度 2 積分環(huán)節(jié) 主要用于消除靜差 提高系統(tǒng)的無(wú)差度 從而使系統(tǒng)的穩(wěn) 定性提高 積分作用的強(qiáng)弱取決于積分時(shí)間常數(shù)正 越大 積分作用越弱 反之則越強(qiáng) 3 微分環(huán)節(jié) 能反映偏差信號(hào)的變化趨勢(shì) 并能在偏差信號(hào)值變得太大 之前 在系統(tǒng)中引入一個(gè)有效的早期修正信號(hào) 從而加快系統(tǒng)的動(dòng)作速度 減 小調(diào)節(jié)時(shí)間 數(shù)字p i d 控制是一種采樣控制 它只能根據(jù)采樣時(shí)刻的偏差值計(jì)算控制量 因此 連續(xù)p i d 控制算法不能直接使用 需要采用離散化方法 數(shù)字p i d 控制 算法又分為位置式p i d 控制算法和增量式p i d 控制算法 4 還有一些改進(jìn)算法 如積分分離法 遇限削弱積分法 不完全微分法 微分先行法和帶死區(qū)的p i d 控制算法等嗍 1 位置式p i d 控制算法 按模擬p i d 控制算法 以一系列的采樣時(shí)刻點(diǎn)七r 代表連續(xù)時(shí)間t 以矩形 法數(shù)值積分近似代替積分 以一階后向差分近似代替微分 即可得離散p i d 表 達(dá)式 第二章d c d c 變換器的數(shù)字控制方法 甜 七 耳 觸 手圭p u 夸 砧卜m 一1 一m 二z 陽(yáng)下 礎(chǔ)h 2 削 巧e i 局圭e o r 型鹽掣 一 式中 局 等 髟易 2 1 為采樣周期 七為采樣序號(hào) l 2 p 僻1 和p 分別為第 缸1 時(shí)刻和第k 時(shí)刻所得到的偏差信號(hào) 位置式p i d 控制系統(tǒng) 圖2 2 位置式p i d 控制系統(tǒng)原理圖 根據(jù)位置式p i d 控制算法得到其程序框圖如圖2 3 所示 在仿真過(guò)程中 可根據(jù)實(shí)際情況 對(duì)控制器的輸出進(jìn)行限幅 l 參數(shù)初始化 i l 采樣州吸嫻 j i計(jì)算偏差值 i 計(jì)算控制器輸出 i 參數(shù)更新 圖2 3 位置式p i d 控制算法程序框圖 該算法的缺點(diǎn)是 由于采用全量輸出 所以每次輸出均與過(guò)去的狀態(tài)有關(guān) 計(jì)算時(shí)要對(duì)p 量進(jìn)行累加 計(jì)算機(jī)輸出控制量 對(duì)應(yīng)的是執(zhí)行機(jī)構(gòu)的實(shí)際 第二章d c i x 變換器的數(shù)字控制方法 位置偏差 如果位置傳感器出現(xiàn)故障 幻可能會(huì)出現(xiàn)大幅度變化 從而引起執(zhí) 行機(jī)構(gòu)位置的大幅度變化 這在生產(chǎn)中是不允許的 為避免這種情況的發(fā)生 常采用下述的增量式p i d 控制算法 2 增量式p i d 控制算法 當(dāng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)需要的是控制量的增量 例如驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī) 時(shí) 應(yīng)采用增量 式p i d 控制 根據(jù)遞推原理可得增量式p i d 控制算法 a u k k p e 七 一e k 一1 k e k k j d e k 一2 e k 一1 e k 一2 2 5 由于算法中不需要累加 控制增量a u k 1 僅與最近k 次的采樣有關(guān) 所以誤 動(dòng)作時(shí)影響小 而且較容易通過(guò)加權(quán)處理獲得比較好的控制效果 在p i d 控制中 一個(gè)關(guān)鍵的問(wèn)題是p i d 參數(shù)的整定 傳統(tǒng)方法是在獲取對(duì) 象數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上 根據(jù)某一原則來(lái)確定p i d 參數(shù) 實(shí)際的控制過(guò)程中 在 被控系統(tǒng)具有明顯的非線(xiàn)性或負(fù)載發(fā)生變化時(shí) 固定參數(shù)的p i d 就不能適應(yīng)系 統(tǒng)的動(dòng)態(tài)變化 從而影響系統(tǒng)控制質(zhì)量 計(jì)算機(jī)技術(shù)和智能控制理論的發(fā)展為復(fù)雜不確定系統(tǒng)的控制提供了新的途 徑 采用智能控制技術(shù) 可設(shè)計(jì)智能p i d 和進(jìn)行p i d 參數(shù)的智能整定 對(duì)傳統(tǒng) p i d 進(jìn)行改造 形成了自適應(yīng)p i d 模糊p i d 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)p i d 灰色p i d 遺傳 算法p i d 等 4 新型p i d 控制方法 2 1 2 自適應(yīng)控制 傳統(tǒng)的非自適應(yīng)反饋控制參數(shù)的選擇依賴(lài)于變換器的模型參數(shù) 但d c d c 交換器系統(tǒng)參數(shù)往往是不精確的 變化的 3 如果控制器參數(shù)和實(shí)際參數(shù)不匹 配 可能導(dǎo)致系統(tǒng)性能下降 甚至引起系統(tǒng)不穩(wěn)定 另一方面 變換器系統(tǒng)建 模過(guò)程中做了許多假設(shè) 用近似線(xiàn)性小信號(hào)模型來(lái)代替離散非線(xiàn)性系統(tǒng) 也就 是說(shuō) 模型和系統(tǒng)之間一定存在誤差 自適應(yīng)控制策略可以有效地克服以上兩 點(diǎn) 是解決變參數(shù)系統(tǒng)控制的一種很好的方法 圖2 4 自適應(yīng)控制結(jié)構(gòu)圖 第二章d c d c 變換器的數(shù)字控制方法 文獻(xiàn) 5 將自適應(yīng)方法引入d c d c 變換器的控制 整個(gè)自適應(yīng)控制系統(tǒng)的 結(jié)構(gòu)如圖2 4 所示 在文獻(xiàn) 5 中 在狀態(tài)空間平均模型的基礎(chǔ)上 繪出了占空 比合成器和參數(shù)更新率的表達(dá)式 該參數(shù)更新率實(shí)時(shí)更新模型參數(shù) 在線(xiàn)調(diào)節(jié) 占空比合成器參數(shù) 該系統(tǒng)對(duì)電路參數(shù) 輸入電壓及負(fù)載變化的抗干擾能力很 強(qiáng) 由于d c d c 變換器的開(kāi)關(guān)頻率很高 實(shí)時(shí)性是實(shí)現(xiàn)這一控制方案的主要難 點(diǎn) 對(duì)處理器的性能要求很高 2 1 3 模糊控制 模糊控制理論是由美國(guó)學(xué)者l a z a d e h 于1 9 6 5 年首先提出的網(wǎng) 模糊控制 是應(yīng)用模糊集合理論的控制方法 提出一種基于規(guī)則的控制規(guī)律的機(jī)型7 其 基本思想是基于專(zhuān)家經(jīng)驗(yàn)和領(lǐng)域知識(shí) 總結(jié)出若干條以 條件 t h e n 作 用 形式表示的模糊控制規(guī)則 構(gòu)成描述具有不確定性復(fù)雜對(duì)象的模糊關(guān)系 模糊控制不需要建立變換器的數(shù)學(xué)模型 而直接以語(yǔ)言的形式表達(dá)設(shè)計(jì)人員的 直覺(jué)和經(jīng)驗(yàn) 通過(guò)模糊化 模糊規(guī)則推理 去模糊化三個(gè)過(guò)程得到控制輸出量 特別適用于d c d c 變換器這種對(duì)象參數(shù)具有不確定性的問(wèn)題 整個(gè)控制系統(tǒng)結(jié) 構(gòu)如圖2 5 所示 廠(chǎng)一一一一面函f 一一一一 圖2 5 模糊控制結(jié)構(gòu)原理圖 模糊控制器的輸入為d c d c 變換器的輸出電壓誤差e 和誤差變化率e c 輸出為占空比d 為了提高模糊控制器的控制性能 文獻(xiàn) 8 中的模糊控制器增 加了一個(gè)輸入 將輸出電流也作為模糊控制器輸入 建立相應(yīng)的規(guī)則庫(kù) 計(jì)算 占空比 相對(duì)于只利用輸出電壓量的模糊控制器來(lái)說(shuō) 動(dòng)態(tài)性能更令人滿(mǎn)意 模糊控制策略的優(yōu)點(diǎn)在于不需要建立準(zhǔn)確的變換器數(shù)學(xué)模型 而依賴(lài)于設(shè) 計(jì)者的經(jīng)驗(yàn) 非常適合于d c d c 變換器這樣的強(qiáng)非線(xiàn)性系統(tǒng) 模糊控制從本質(zhì) 上說(shuō)是自適應(yīng)的 可以保證控制系統(tǒng)的大信號(hào)穩(wěn)定性 但模糊控制也有其不足 如缺乏分析和設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)的方法 規(guī)則庫(kù)的完整性難以保證等 第二章d c d c 變換器的數(shù)字控制方法 2 1 4 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制方法是基于人腦控制行為的生理學(xué)研究而發(fā)展起來(lái)的 是一 種具有廣闊應(yīng)用前景的智能控制方法 由于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有非線(xiàn)性映像能力 自 學(xué)習(xí)適應(yīng)能力 聯(lián)想記憶能力 并行信息處理方式及其優(yōu)良的容錯(cuò)性能 所以 它在非線(xiàn)性和復(fù)雜控制系統(tǒng)中 起著巨大的作用 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于非線(xiàn)性系統(tǒng) 已經(jīng)有很多年了 但是 主要用于機(jī)器人技術(shù)和自動(dòng)控制系統(tǒng) 在電力電子領(lǐng) 域 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用還處于初級(jí)階段 最近 不斷有文章報(bào)道用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來(lái)控 制d c d c 變換器 這預(yù)示著神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在d c d c 變換器中的應(yīng)用將會(huì)不斷增多 文獻(xiàn) 9 把神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于b o o s t 變換器中 如圖2 6 所示 參考值 出 圖2 6b o o s t 變換器的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制原理圖 其中 用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器產(chǎn)生變換器的控制信號(hào) 進(jìn)行反饋控制 用神經(jīng) 網(wǎng)絡(luò)仿真器識(shí)別變換器參數(shù)的變化 且神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)自動(dòng)學(xué)習(xí)變換器工作 時(shí)的動(dòng)態(tài)特性 計(jì)算機(jī)仿真結(jié)果表明 即使在高頻脈沖電源電壓和高頻脈沖參 考信號(hào)的條件下 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)都能提供良好的動(dòng)態(tài)響應(yīng) 文獻(xiàn) 1 0 把神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器用于b u c k 變換器中 首先 把b u c k 變換器在 一個(gè)工作點(diǎn)線(xiàn)性化 進(jìn)行p i 控制 由此得到神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)離線(xiàn)訓(xùn)練的資料集合 這 種訓(xùn)練時(shí)間長(zhǎng) 并且依賴(lài)于資料集合的大小和特性 但是 依然能得到良好的 控制結(jié)果 而在線(xiàn)訓(xùn)練的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器設(shè)計(jì)的時(shí)間少 在變化的負(fù)載條件下 能夠提供最精確和統(tǒng)一的結(jié)果 文獻(xiàn) 1 1 提出用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)辨識(shí)和控制一個(gè)反激準(zhǔn)諧振變換器 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控 制器用來(lái)調(diào)節(jié)輸出電壓 它由3 層組成 輸入層有8 個(gè)神經(jīng)元 隱層有2 4 個(gè)神 經(jīng)元 輸出層有一個(gè)神經(jīng)元 4 個(gè)輸入分別為輸入電壓變化量 電感電流變化 量 負(fù)載電流變化量 輸出電壓相對(duì)于參考值的變化量 控制器的輸出能夠調(diào) 節(jié)輸出電壓的開(kāi)關(guān)頻率 控制方法采用監(jiān)督學(xué)習(xí)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制 用b p 算法 第二章d c d c 變換器的數(shù)字控制方法 并由l e v e n b e r g m a r q u e d e t 規(guī)則改進(jìn) 仿真結(jié)果表明系統(tǒng)的精度和魯棒性都得到 了改善 這種神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器的優(yōu)點(diǎn)可總結(jié)如下 1 降低了輸出電壓的偏差 提高了控制系統(tǒng)的精度 2 對(duì)于輸入電壓和負(fù)載的變化 具有快速的響應(yīng) 3 由于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器的輸出是開(kāi)關(guān)頻率 這可以直接而且很容易完成 文中的控制算法 2 1 5 極點(diǎn)配置法 極點(diǎn)配置法根據(jù)系統(tǒng)的離散狀態(tài)空間模型直接設(shè)計(jì)控制系統(tǒng) 整個(gè)控制系 統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖2 7 所示 由圖可知閉環(huán)系統(tǒng)的離散狀態(tài)方程為 x k 1 a x j b 七 d i x 2 6 y 后 c z 功 系統(tǒng)的特征方程為 i z i a 4 b l l 0 在設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)時(shí) 只要選擇合適的反饋矩陣z 就可以得到要求的系統(tǒng)控 制特性 極點(diǎn)配置法的優(yōu)點(diǎn)在于設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單 實(shí)現(xiàn)容易 具有很好的動(dòng)態(tài)特性 但這種方法對(duì)系統(tǒng)參數(shù)非常敏感 當(dāng)系統(tǒng)參數(shù)變化時(shí) 整個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)的極點(diǎn)將 發(fā)生變化 無(wú)法保證閉環(huán)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性 圖2 7 極點(diǎn)配置控制結(jié)構(gòu)原理圖圖2 8 無(wú)差拍控制結(jié)構(gòu)原理圖 2 1 6 無(wú)差拍控制 無(wú)差拍控制也叫做有限終止時(shí)間控制 由于在數(shù)字控制系統(tǒng)中存在數(shù)據(jù)采 樣 算法計(jì)算等環(huán)節(jié) 必然使得整個(gè)控制系統(tǒng)中存在時(shí)延 無(wú)差拍控制的思想就 是提前算出控制變量 使系統(tǒng)能夠在一定的采樣周期內(nèi)達(dá)到控制目標(biāo) 消除輸出 誤差 即在燈時(shí)刻求出 肛1 t 時(shí)刻的占空比故動(dòng) 使得 斛2 t 時(shí)刻的誤差 斛2 為零 這樣就得到了無(wú)差拍控制的表達(dá)式為 m 號(hào)手 卜醬哪 1 等 m 1 等撒 2 2 7 第二章d c d c 變換器的數(shù)字控制方法 式中 l 2 d l d 2 為常數(shù) d d 表示第k 周期算出的占空比 七 為第k 周期的輸出誤差 無(wú)差拍控制有兩點(diǎn)不足 一是控制算法對(duì)變換器模型參數(shù)很敏感 系統(tǒng)的模 型參數(shù)誤差或參數(shù)變化對(duì)控制特性的影響很大 一是控制算法的運(yùn)算量比較大 文獻(xiàn) 1 2 提出了一種新的無(wú)差拍控制方法 整個(gè)控制系統(tǒng)如圖2 8 示 這種方法 首先由系統(tǒng)第k 周期和 k 1 周期的電流 幼 七 1 得到 抖1 周期的電 流預(yù)測(cè)值i l 七十1 然后預(yù)計(jì)系統(tǒng)在 舛1 周期的輸出誤差e k 1 進(jìn)而得到 消除此誤差的第 i 周期的占空比d 后 如式 2 8 所示 i l 七 1 2 i l d 一 七一1 s k n i i t k 1 d k 1 2 8 d d d k 一1 土 一占 i 1 v ll 這種方法不但較好克服了上述兩種缺點(diǎn) 而且因?yàn)樵诳刂浦胁捎秒娏骺刂撇?略 使得系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)也有了明顯的提高 因此具有很好的應(yīng)用前景 2 1 7 預(yù)測(cè)控制 在數(shù)字控制d c d c 變換器系統(tǒng)中 存在著信號(hào)采樣保持 算法計(jì)算等環(huán)節(jié) 因此 不可避免地存在一定的延時(shí) 為了解決時(shí)延問(wèn)題 提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性 文獻(xiàn) 1 3 提出了一種預(yù)測(cè)控制策略 這種策略的結(jié)構(gòu)如圖2 9 示 圖2 9 預(yù)測(cè)控制結(jié)構(gòu)圖 預(yù)測(cè)控制的基本思想是在原來(lái)的控制策略基礎(chǔ)上加一個(gè)預(yù)測(cè)環(huán)節(jié) a z 2 z 1 2 9 z 由系統(tǒng)第k 時(shí)刻的輸出預(yù)測(cè) 抖1 時(shí)刻的輸出 代入控制算法 從而在第 k 個(gè)周期就計(jì)算出第 針1 個(gè)周期的控制量 提高整個(gè)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能 第二章d c d c 變換器的數(shù)字控制方法 2 2d c 他c 變換器數(shù)字控制的關(guān)鍵問(wèn)題 2 2 1 數(shù)字式p w m 的頻率與分辨率 1 數(shù)字式p w m 頻率 采用數(shù)字處理器 如單片機(jī) d s p 等 實(shí)現(xiàn)d c d c 變換器的數(shù)字控制中 數(shù)字p w m 的定時(shí)器采用數(shù)字計(jì)數(shù)器 做如下假設(shè) 數(shù)字計(jì)數(shù)器的位數(shù)為 計(jì) 數(shù)器計(jì)數(shù)脈沖頻率為五 產(chǎn)生p w m 時(shí)計(jì)數(shù)器的最大計(jì)數(shù)值為n 則計(jì)數(shù)周期為 n l 那么p w m 的周期r 就是計(jì)數(shù)器從0 計(jì)數(shù)到刀所需的時(shí)間 可由下式得到 t 櫛 1 f o 1 療 2 櫛 n 是自然數(shù) 廠(chǎng) 1 t f o i n d l 胛 7 位 其輸出才至少有一個(gè)狀態(tài)符合在允許誤差 范圍內(nèi)的期望輸出值 在本文中采用的是數(shù)字信號(hào)處理器t m s 3 2 0 f 2 4 0 它的a d 為l o 位 這個(gè)精度一般能達(dá)到變換器的控制要求 主要考慮數(shù)字p w m 的量化誤 差 如果數(shù)字p w m 分辨率低于a d 轉(zhuǎn)換器精度 那么a d 轉(zhuǎn)換器將不能找到具有 零誤差 的輸出電壓點(diǎn) 則系統(tǒng)輸出將不斷找尋穩(wěn)定輸出值并且在期望輸出處上 下跳動(dòng) 即極限環(huán)振蕩 下面作圖說(shuō)明了上述情況 如下圖2 1 0 所示 第二章d c d c 變換器的數(shù)字控制方法 高數(shù)字p 硼分辨率 2 2 3 內(nèi)在時(shí)間延遲 圖2 1 0 極限環(huán)示意圖 d c d c 變換器數(shù)字控制的實(shí)現(xiàn)步驟為 a d 模塊采樣輸出電壓轉(zhuǎn)換成二進(jìn) 制數(shù) 并和對(duì)應(yīng)于參考電壓值的二進(jìn)制數(shù)進(jìn)行比較 運(yùn)用控制算法得到新的占空 比數(shù)值 這個(gè)占空比載入p w m 模塊并輸出p w m 信號(hào)給變換器 數(shù)字控制器的時(shí)延如圖2 1 1 所示 采樣轉(zhuǎn)換新占空比計(jì)算新的采樣周期開(kāi)始 開(kāi)始結(jié)束新占空比準(zhǔn)備好 t lt 2t 3t 4 t 5 圖2 11 數(shù)字p w m 控制器時(shí)延 在t l 時(shí)刻 a d 轉(zhuǎn)換被觸發(fā) a d 轉(zhuǎn)換比p w m 延遲一個(gè)很小的時(shí)間 以避免 呈 一圉自 噸 v v v v v v v 擬眥螄m 曼 刪黜盥 第二章d c d c 變換器的數(shù)字控制方法 開(kāi)關(guān)尖峰 t 2 時(shí)刻采樣和轉(zhuǎn)換完成 對(duì)t m s 3 2 0 f 2 4 0 d s p 來(lái)說(shuō) 從t 1 到乜大約為6 9 s 從t 2 到t 3 為新占空比的計(jì)算時(shí)間 即控制算法執(zhí)行時(shí)間 在t 3 時(shí)刻計(jì)算完成并準(zhǔn) 備好新的占空比 算法執(zhí)行時(shí)間可能需要幾個(gè)開(kāi)關(guān)周期 在這一時(shí)間段內(nèi) 占空 比保持不變 在t 4 時(shí)刻 新的占空比被送入開(kāi)關(guān)變換器 輸出電壓的采樣和轉(zhuǎn)換 新的占空比的計(jì)算需要一定的時(shí)間 這是由d s p 或 微控制器的性能決定的 另外 一個(gè)新的占空比要在下一個(gè)周期才能起作用 因 此 對(duì)d c d c 變換器的數(shù)字控制器來(lái)說(shuō)有一個(gè)內(nèi)在的時(shí)間延遲 最小時(shí)延為一個(gè) 開(kāi)關(guān)周期 2 2 4a d 采樣的干擾 開(kāi)關(guān)變換器模擬控制器信號(hào)取樣一般是連續(xù)進(jìn)行的 而數(shù)字控制中采樣是離 散的 這就使得開(kāi)關(guān)噪聲對(duì)后者的影響更為嚴(yán)重 開(kāi)關(guān)噪聲發(fā)生時(shí)刻與采樣時(shí)刻 不容易錯(cuò)開(kāi) 采樣到的信號(hào)不能進(jìn)行有效的控制 由于在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)只來(lái)得 及采樣一兩次 對(duì)那些需要快速反應(yīng)的信號(hào)來(lái)說(shuō) 模擬和數(shù)字濾波的方法均難以 應(yīng)用 因此 選擇合適的采樣算法也是影響變換器控制特性的關(guān)鍵問(wèn)題 2 2 5 控制算法的選擇 d c d c 變換器的開(kāi)關(guān)頻率較高 要實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制就要求數(shù)字信號(hào)處理器在 一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)完成算法計(jì)算 但較復(fù)雜的控制算法是達(dá)不到這一點(diǎn)的 而常規(guī) 算法對(duì)變換器的控制又無(wú)法取得滿(mǎn)意的控制效果 因此 控制算法的選擇至關(guān)重 要 2 3 小結(jié) 本章對(duì)數(shù)字控制d c d c 變換器中的一些關(guān)鍵問(wèn)題進(jìn)行了討論 其中控制算 法對(duì)變換器動(dòng)態(tài)性能的影響尤為重要 本文將傳統(tǒng)p i d 控制與模糊控制相結(jié)合 提出模糊p i d 控制策略 并引入預(yù)測(cè)算法對(duì)固有的時(shí)間延遲進(jìn)行補(bǔ)償 在算法執(zhí) 行過(guò)程中 使a d 采樣轉(zhuǎn)換比p w m 環(huán)節(jié)滯后一個(gè)很小的時(shí)間 以避免開(kāi)關(guān)噪聲 對(duì)a d 采樣的干擾 第三章模糊p i e 預(yù)測(cè)控制策略 第三章模糊p i d 預(yù)測(cè)控制策略 隨著科技的不斷發(fā)展 d c d c 變換器越來(lái)越復(fù)雜 對(duì)其控制的動(dòng) 靜態(tài)指 標(biāo)要求也越來(lái)越高 由于它的強(qiáng)非線(xiàn)性和參數(shù)存在不確定性 期望的靜態(tài)指標(biāo)和 動(dòng)態(tài)性能往往用單純的一種控制策略難以滿(mǎn)足 模糊p i d 控制 控制結(jié)構(gòu)靈活多 樣 能充分發(fā)揮模糊控制和p i d 控制的優(yōu)點(diǎn) 彌補(bǔ)各自缺點(diǎn) 這種集成控制策略 為我們提供了一條嶄新的d c d c 變換器控制途經(jīng) 微處理器 如d s p 的高速發(fā)展 為把不同的控制策略集成起來(lái)提供了可能 因此 在今后d c d c 變換器的發(fā)展中 這種控制策略必能得到長(zhǎng)足的發(fā)展和擁有廣闊的空間 3 1 模糊p i d 控制及其在d c d c 變換器中的應(yīng)用 近年來(lái) 模糊控制在控制領(lǐng)域受到極大地重視 并有了迅速發(fā)展 模糊控制 具有特別適合于那些難以建立精確數(shù)學(xué)模型 非線(xiàn)性和大滯后過(guò)程的特點(diǎn) 因此 對(duì)于非線(xiàn)性的d c d c 變換器是一種特別有效的控制方案 模糊控制器主要利用專(zhuān) 家已有的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行設(shè)計(jì) 缺乏系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法 在穩(wěn)態(tài)下總存在一個(gè)小偏 差 與模糊控制不同 p i d 控制適用于線(xiàn)性系統(tǒng) 控制精確 易于分析設(shè)計(jì) 其 閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定性分析驗(yàn)證比較容易 其不足是要求被控系統(tǒng)有精確的數(shù)學(xué)模型 對(duì)于非線(xiàn)性 大滯后等系統(tǒng)難以達(dá)到很好的控制效果 模糊p i d 控制能夠發(fā)揮模 糊控制魯棒性強(qiáng) 動(dòng)態(tài)響應(yīng)好 上升時(shí)間快 超調(diào)小的特點(diǎn) 又具有p i d 控制的 動(dòng)態(tài)跟蹤品質(zhì)和穩(wěn)態(tài)精度 因此 對(duì)強(qiáng)非線(xiàn)性 滯后和參數(shù)存在漂移的d c d c 變換器 采用模糊p i d 控制能夠大大提高系統(tǒng)的控制精度 動(dòng)態(tài)性能和變換器系 統(tǒng)對(duì)擾動(dòng)的自適應(yīng)能力 在數(shù)字控制d c d c 變換器系統(tǒng)中 存在著固有的時(shí)間延遲 本文提出一種模 糊p i d 與預(yù)測(cè)控制相結(jié)合的控制策略 用預(yù)測(cè)算法來(lái)補(bǔ)償時(shí)間延遲 這種控制策 略原理簡(jiǎn)單 便于微機(jī)實(shí)現(xiàn) 3 2 模糊p i d 控制結(jié)構(gòu)原理 本論文采用混合模糊p i d 控制 4 0 4 3 通過(guò)模糊控制對(duì)傳統(tǒng)p i d 控制器進(jìn)行 增益調(diào)節(jié) 根據(jù)在每個(gè)采樣時(shí)刻獲得的系統(tǒng)響應(yīng) 就可以知道此時(shí)刻系統(tǒng)響應(yīng) 第三章模糊p i d 預(yù)測(cè)控制策略 偏離給定的情況及變化趨勢(shì) 運(yùn)用模糊控制的方法 對(duì)p i d 控制器輸出進(jìn)行增 益調(diào)節(jié) 以適當(dāng)加大或減小控制力度 控制響應(yīng)朝偏離給定方向的變化 使輸 出盡快趨于穩(wěn)定 整定p d 參數(shù)時(shí) 去掉模糊控制的作用 通過(guò)對(duì)d c d c 變 換器建立近似線(xiàn)性小信號(hào)模型得到優(yōu)化的p i e 參數(shù) 以達(dá)到閉環(huán)控制系統(tǒng)的性 能要求 模糊增益控制用于補(bǔ)償建模過(guò)程中的非線(xiàn)性 以進(jìn)一步改善系統(tǒng)的動(dòng) 態(tài)性能 這種混合模糊p m 控制系統(tǒng)框圖如圖3 1 所示 其中 p i d 控制器的設(shè)計(jì)基于d c d c 變換器的小信號(hào)模型 模糊控制器的 輸入為輸出電壓誤差口和電壓誤差變化率卯 輸出為增益因子k j 是f 和卯的 非線(xiàn)性函數(shù) 給定值 r 一磊 贏(yíng)矗罐石i j 圖3 1 模糊p i d 控制系統(tǒng)框圖 3 3 模糊p i d 控制器設(shè)計(jì) 數(shù)字控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)有兩種設(shè)計(jì)方法 3 3 模擬法和直接法 模擬法是根據(jù) 系統(tǒng)的連續(xù)模型先設(shè)計(jì)好連續(xù)時(shí)間域內(nèi)的控制系統(tǒng) 然后將連續(xù)系統(tǒng)離散化得 到數(shù)字控制系統(tǒng) 一種是直接法 即根據(jù)系統(tǒng)的z 域模型得到數(shù)字控制系統(tǒng)參 數(shù) 本文采用的是模擬方法 3 3 1p i d 控制器設(shè)計(jì) 1 9 7 6 年r d m i d d l b r o o k 提出了著名的狀態(tài)空間平均法 這種方法引用時(shí)間 平均的思想 從p w md c d c 變換器的各個(gè)開(kāi)關(guān)模態(tài)的拓?fù)涑霭l(fā) 通過(guò)對(duì)狀態(tài) 空間的時(shí)間加權(quán)來(lái)得到統(tǒng)一的狀態(tài)方程 然后對(duì)其進(jìn)行小信號(hào)擾動(dòng)和線(xiàn)性化處 理得出線(xiàn)性小信號(hào)模型 這種變換器建模方法大大推進(jìn)了對(duì)d c d c 變換器工作 特性的理論分析 數(shù)字p d 控制器的設(shè)計(jì)就是基于d c d c 變換器的線(xiàn)性小信號(hào)模型 進(jìn)行 線(xiàn)性化之后 p i d 參數(shù)的整定方法很多 4 1 4 1 如 第三章模糊p i d 預(yù)測(cè)控制策略 1 試湊法 2 z i e g l e r n i e h o l s 設(shè)定方法 3 i s t e 最優(yōu)設(shè)定方法 4 極點(diǎn)配置法 5 根軌跡法 6 工程整定法等 然而 由于d c d c 變換器是強(qiáng)非線(xiàn)性系統(tǒng) 而p i d 控制只適用于線(xiàn)性系 統(tǒng)或在有限范圍波動(dòng)的非線(xiàn)性系統(tǒng) 用這種單一p i d 控制難以達(dá)到很好的控制 效果 其適用范圍有限 為提高p i d 控制系統(tǒng)的控制性能 故采用了如圖3 1 所示的模糊控制器部分對(duì)p m 輸出進(jìn)行增益調(diào)節(jié) 3 3 2 模糊控制器設(shè)計(jì) 1 5 1 7 3 2 3 7 1 確定模糊變量 本設(shè)計(jì)采用兩個(gè)輸入語(yǔ)言變量 分別為輸出電壓誤差e 和電壓誤差變化率 e c 輸出語(yǔ)言變量為增益因子t k 即為一個(gè)雙輸入單輸出的二維模糊控制器 2 輸入 輸出語(yǔ)言變量語(yǔ)言值的選取及其賦值表 模糊控制器的隸屬函數(shù)曲線(xiàn)采用三角形 如圖3 2 所示 隸屬函數(shù)的解析 式如下式 3 1 所示 a f 善一口 b 一4 c 一工 c b 口 工s b b x s c 0 x c 3 1 圖3 2 三角形隸屬函數(shù) 采用三角形隸屬函數(shù) 對(duì)每個(gè)輸入點(diǎn) 最多只有兩個(gè)隸屬函數(shù)值 而且計(jì) 算簡(jiǎn)單 二者之和為l 只需要計(jì)算出一個(gè)就可以知道另外一個(gè)值 分別在e 和e c 的論域上定義了五個(gè)模糊子集 相應(yīng)的語(yǔ)言值為 負(fù)大 n b 負(fù)小 n s 零 z e 正小 p s 正大 p b 在輸出語(yǔ)言變量k 第三章模糊p i d 預(yù)測(cè)控制策略 的論域上定義了三個(gè)模糊子集 相應(yīng)的語(yǔ)言值為 d i v 除 i j n 不變 m u l 乘 它們的隸屬函數(shù)分別如圖3 3 圖3 4 所示 圖3 3 輸入變量e 和e c 的隸屬函數(shù) 圖3 4 輸出變量k 的隸屬函數(shù) t 將e 量化為九個(gè)等級(jí) 一0 6 0 4 5 0 3 0 1 5 0 0 1 5 o 3 0 4 5 o 6 并分別表示為 1 2 3 4 5 6 7 8 9 則由隸屬函數(shù)曲線(xiàn)可以得到表 3 1 表3 1 輸入語(yǔ)言變量e 的賦值表 然 d 6躺 卸b n 1 500 1 50 3 0 4 50 6 n b10 50 0ooo oo n so 0 510 5oo ooo z e 0o00 51 0 5000 p sooo oo0 510 5o p bo oooooo0 51 同理 可將e c 和k 也進(jìn)行量化 得到表3 2 和表3 3 第三章模糊p i d 預(yù)測(cè)控制策略 表3 2 輸入語(yǔ)言變量e c 的賦值表 惑 0 6 0 4 5 珈1 3 o 1 5 oo 1 50 3n 4 50 6 n bl0 5oo00 oo o n so 0 5l0 5ooooo z eo0o0 510 5o 0 o p s00ooo0 510 50 p booo oo o o0 5l 表3 3 輸出語(yǔ)言變量k 的賦值表 越 0 5 o 7 5l1 52 d 1 0 5 00 o u no 0 5l0 50 m u looo 0 5l 3 建立模糊控制規(guī)則 生成模糊控制查詢(xún)表 根據(jù)輸入語(yǔ)言變量e 和e c 輸出語(yǔ)言變量k 建立模糊控制率 第i 條控 制率r 描述如下 尼 i fe 2 a ja n de c 2 b i t h e nk c i 其中 a i b i c i 分別為e e c 和k 在各自論域上的模糊子集 本控制器共5 5 2 5 條以上形式的i f t h e n 條件語(yǔ)句 這2 5 條模糊條件語(yǔ)句可表 示成如表3 4 所示的模糊控制規(guī)則表 模糊控制規(guī)則建立的原則如下 當(dāng)要加 強(qiáng)控制作用時(shí) p i d 輸出乘以增益因子k 反之乘以因子1 k 當(dāng)電壓誤差e 和 誤差變化率e c 為零時(shí) 因子取為k 1 表3 4 模糊控制規(guī)則表 邋 n bn sz ep sp b n bd d d u nm 1 7 i n sd d u nm u lm z ed d u nm i m u l p sd d u nm u l p bd u nm u lm u lm u l 以上模糊控制規(guī)則表的每一條規(guī)則都決定了一個(gè)模糊關(guān)系矩陣冠 第三章模糊p i d 預(yù)測(cè)控制策略 f 1 2 m 這里m 2 5 這些模糊關(guān)系之間具有 或 的關(guān)系 制規(guī)則總的模糊關(guān)系足為 r r t v 馬v r 3 v v 如 v r 所以這些控 3 2 由模糊語(yǔ)句 i f ea n d e c t h e nk 所決定的三元模糊關(guān)系r 為 置 償x 硒5xk 3 3 有了系統(tǒng)的控制規(guī)則總的模糊關(guān)系r 之后 則對(duì)給定輸入語(yǔ)言變量e 和 e c 則其輸出控制量為 k e 即 5or 3 4 上述推理還可用另一種方法完成 如公式 3 5 所示 即先由輸入和每條 規(guī)則所描述的模糊關(guān)系r 進(jìn)行合成運(yùn)算 然后再將它們的結(jié)果取 并 運(yùn)算 k e e c 蜀v e 1 e c 5 r 2v v e e c 軋r 3 5 應(yīng)用以上模糊推理規(guī)則完成模糊推理之后 模糊推理的輸出結(jié)果是一個(gè)模 糊集合 它反映的是控制量輸出語(yǔ)言變量屬于其論域中各元素隸屬度大小的一 種組合 它包含控制量的各種信息 通常被控量只能接受一個(gè)精確量 這就需 要從模糊集合中判決出一個(gè)精確的控制量 把模糊量轉(zhuǎn)換為精確量的過(guò)程稱(chēng)為 清晰化 或逆模糊化 模糊判決 模糊判決的方法有很多種 常用的有最大隸 屬度法 中位數(shù)法 加權(quán)平均法等 這里采用最大隸屬度法進(jìn)行模糊判決 該 方法是從輸出的模糊集合中選取隸屬度最大的論域元素作為判決結(jié)果 如果在 論域中若干個(gè)元素上同時(shí)出現(xiàn)隸屬度最大值 則取它們的平均值作為判決結(jié)果 根據(jù)以上所述 經(jīng)過(guò)大量的離線(xiàn)計(jì)算 得到表3 5 所示的模糊控制查詢(xún)表 表3 5 模糊控制查詢(xún)表 e k 0 u 6刪 1 3 o 1 5o o 1 50 3 0 4 5嘶 0 60 50 7 511 522222 0 4 50 50 5o 5l1 52222 0 3 0 50 50 5 0 7 5 11 5222 o 1 50 50 50 5乜1 s11 52 22 e co0 50 50 5o 7 511 5222 o 1 5 0 5 0 5 0 5 o 7 5l 1 5 222 o 30 50 50 5 o 7 5 l1 5222 0 4 50 50 50 50 5o 7 5l1 522 o 6 0 5 0 5 0 5 0 50 5o 7 51t 52 模糊控制查詢(xún)表是模糊控制算法的一個(gè)重要部分 將離線(xiàn)計(jì)算得到的結(jié)果 第三章模糊p i d 預(yù)測(cè)控制策略 制成控制表輸入微機(jī) 以在模糊控制過(guò)程中查詢(xún)使用 3 4 用預(yù)測(cè)控制補(bǔ)償時(shí)延 1 8 3 4 1 預(yù)測(cè)控制思想 數(shù)字控制的一個(gè)主要缺點(diǎn)是控制環(huán)頻帶寬度受a d 轉(zhuǎn)換 算法計(jì)算時(shí)間及 p w m 輸出環(huán)節(jié)等導(dǎo)致的內(nèi)在時(shí)延限制 因而影響了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性 為 了補(bǔ)償數(shù)字控制系統(tǒng)的時(shí)延 許多預(yù)測(cè)控制技術(shù)被引入數(shù)字控制系統(tǒng)中 如 s m i t h 預(yù)測(cè)器等 然而 這些預(yù)測(cè)器是建立在控制過(guò)程的模型基礎(chǔ)上 并不適 合于開(kāi)關(guān)電源這樣的快速系統(tǒng) 因?yàn)楣ぷ髟诳焖僮兓倪^(guò)程中的預(yù)測(cè)器占用許 多數(shù)字控制器的資源 本論文采用了一種基于線(xiàn)性外推法的預(yù)測(cè)技術(shù) 簡(jiǎn)單實(shí) 用 為了方便理解時(shí)延問(wèn)題和預(yù)測(cè)技術(shù) 我們可以分析下面的反饋控制系統(tǒng)圖 如圖3 5 所示 該圖在離散域中表示 取 z 是數(shù)字控制器 日 s 是控制量到 輸出量的傳遞函數(shù) 圖3 5 數(shù)字控制系統(tǒng)框圖 在開(kāi)關(guān)電源中 由于占空比只能在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期開(kāi)始時(shí)更新 所以計(jì)算時(shí) 間延遲通常等于一個(gè)采樣周期 從圖3 5 可以看出 控制器在第n 個(gè)采樣周期 計(jì)算出的控制量 由于時(shí)間延遲 只能在第n 1 個(gè)采樣周期時(shí)才起作用 預(yù) 測(cè)控制的思想是在第n 個(gè)周期時(shí) 估計(jì)出第n 1 個(gè)周期時(shí)的輸出值y 用 與給定值比較得到偏差 從而得到控制量甜 因此可以無(wú)滯后地控制輸出 使時(shí)延得到補(bǔ)償 如果在第n 個(gè)周期預(yù)測(cè)的第n 1 個(gè)周期時(shí)的輸出值y 等于 第n 1 個(gè)周期時(shí)的實(shí)際輸出值y 則計(jì)算時(shí)延可以得到完全補(bǔ)償 3 4 2 輸出估算值推導(dǎo) 假設(shè)控制對(duì)象為一個(gè)二階系統(tǒng) 如下式 3 6 所示 而這個(gè)二階系統(tǒng)傳遞 函數(shù)在d c d c 變換器中是相當(dāng)普遍的 第三章模糊p i d 預(yù)測(cè)控制策略 酈 差赫 c s 石 其中 為自然頻率 f 為阻尼系數(shù) 6 j 幻為系統(tǒng)系數(shù) 假設(shè)采樣周期為 r 通過(guò)z 變換 日o 可轉(zhuǎn)換為 日 改 三 二竺 嬖 竺 1 3 堅(jiān)竿二竺 璺 3 7 z 2 2 a c o s 療 z a 2 其中 口 p 一 嘞正 6 i f o 0 6 l b 2 s m o o 護(hù) 嘞 1 一善