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模糊PIC控制器在中频电源中的应用 |
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作者： |
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一、引言
中频开关电源调压控制系统通常采用常规PID控制，由于其算法简单、鲁棒性好和可靠性高，被广泛用于工业过程控制，尤其适用于可建立精确数学模型的确定性控制系统。但开关电源的电压控制系统是较复杂的非线性系统，由于电源所带负载千变万化，难以建立精确的数学模型，用常规PID控制器不能达到理想的控制效果。模糊控制理论的一大特点就是特别适用于模拟专家对数学模型未知的、复杂的、非线性系统中，文中将近年来迅速发展的模糊控制理论引入中频开关电源SPWM电压控制器中，设计了针对该系统的与常规PID控制器相结合的模糊PID控制器。
二、控制系统构成
SPWM电压控制系统是中频电源的核心部分，其主要功能就是通过检测开关电源输出的电压和电流，依据SPWM理论，按照所选的模糊PID控制算法，调节开关电源中逆变器开关管的工作状态，以实现对开关电源电压的调节控制。其原理框图如图1所示。
图1 SPWM电压控制系统原理图
（一）控制系统工作原理介绍
控制系统的功能是在输入电压uin发生波动或电源系统突加、突卸负载时，控制逆变电路工作状态，保证电源输出电压uo为某恒定值。系统采用电压、电流双闭环控制。开关电源输出的电压、电流经传感器、信号调理电路转换后送入模糊控制器的微处理器中，模糊控制器根据电压误差eu及其误差的变化Δeu，和负载电流的变化ei按一定的模糊控制规律得到控制量u，以控制SPWM波形的输出，从而控制开关电源电压的调节，保证其输出电压稳定在某给定值。需特别说明的是此模糊控制器引入电源负载电流的变化量是为了提高系统的动态响应，在电源突加或突御负载时加速系统的调压过程。
（二）SPWM信号的产生
SPWM信号由专用芯片SA828产生，SA828能为交流电机的调速控制、UPS电源及其他形式需要SPWM波形的控制系统提供波形，它的六路数字式PWM输出信号经过隔离、放大后，可驱动逆变电路中开关管的工作。SA828很容易用单片机控制，它通过8位地址/数据总线与单片机实现接口，是可以和单片机并行工作的外围芯片，只有当运行参数需要改变时，才需要单片机的介入。这样，单片机就可分配更多的时间和资源进行模糊推理计算了。
三、SPWM控制器设计
（一）控制策略
在一般的模糊控制系统中，常采用二维模糊控制器结构形式，即以系统误差E和误差变化ΔE作为输入语句变量，它具有类似常规PD控制器的作用，因此采用该类模糊控制器的系统可能有良好的动态特性，而稳态性能不能令人满意。由线性控制理论知，积分控制作用能消除稳态误差。因此，把PID控制引入模糊控制器，构成Fuzzy-PID复合控制，是改善模糊控制器稳态性能的有效途径。
本控制器的控制思想是：在大偏差范围内采用Fuzzy控制，在小偏差范围内转换成数字PID控制，两者转换由单片机按事先给定的偏差范围k自动实现。这样受控制系统不仅具有较快的动态响应、更小的超调，并且具有较高的稳态精度。
（二）模糊PID控制器
常规模糊PID控制器的控制作用可用以下位置式来描述：
文中采用电压、电流双闭环，令PID控制器的控制作用描述如下：
图2 模糊PID控制器原理图
模糊PID控制器的原理框图如图2所示，其中ru为电压基准，ri为电源负载电流前次采样值，uo和io为电源当前电压电流值。系统采用电压、电流双闭环控制，实现方法采用常规查表法，其设计包括3步：输入精确量的模糊化，模糊推理和反模糊化。
对于输入量eu、ei、Δeu语言变量论域上全部元素的组合，经过上述3步后，求出其所对应的输出控制量的精确量u，并写成矩阵（uij）mn，由该矩阵构成的相应表格即为模糊控制器的控制表。
1．模糊化
模糊化将确定的物理量输入转换成模糊矢量，此过程借助输入量比例因子来实现。模糊控制器为三维输入eu、ei、Δeu，故选取3个比例因子k1、k2和k3。
Eu=euk1（3）
ΔEu=Δeuk2（4）
Ei=eik3（5）
式中Eu、ΔEu和Ei — eu、Δeu和ei映射到模糊子集所在的论域的值（2）数据库的建立数据库中存放所有输入输出量模糊子集的隶属矢量值。为简化工作量，选隶属函数为三角形，如图3所示，其论域归一化处理后均分[-6，+6]，分7个等级，用语言值表示为{负大、负中、负小，零，正小，正中，正大}，用符号表示为{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}。
图3 输入隶属函数曲线
图4 输出隶属函数曲线
2．规则库的建立
模糊PID的4个参数kpu、kpi、kI、kD的确定，其隶属度函数见图4。规则库中存放控制规则。控制规则是专家知识或手动操作人员长期经验的总结。本PID控制的模糊控制规则是根据经验、系统仿真及系统反复试验总结后所得。
3．模糊推理
模糊推理的目的是根据Eu、Ei和ΔEui确定kpu、kpi、kI、kD。文中采用Zadan正相推理。例如确定kpu的隶属度函数，由于选择了图3所示隶属函数曲线，因此对于电压的输入（eu、ΔEu）模糊化后得到的（Eu、ΔEu）对应4个控制规则，模糊推理的数学表达式为：μCi（kpu）=min[μAi（Eu），μBi（ΔEu）]，i=1，2，3，4。图5表明了这种推理过程。
4．解模糊
再乘以解模糊比例因子k5，得精确控制量kpu。
kpu=kpuk5（7）
可用同样方法求kpi，kI，kD，最终得到模糊控制量u。
图5 模糊推理
四、控制系统的软件设计
软件的基本功能包括初始化，数据采集，模糊PID控制，常规数字PID控制，SPWM信号的产生及模糊数据表等几部分。本软件采用80C196的纯汇编语言编制，在编制调制过程中，难度较大，但该软件运行速度较快，且不采用浮点运算法。具体流程图如图6所示。
（a） 主程序（b） 模糊控制子程序
图6 软件流程图
五、实验结果
为某飞机上的特殊用电设备设计的中频开关电源具体参数如下，输入电压三相200V/400Hz，输出电压为220V/50Hz，容量为15kVA。将所设计的SPWM模糊控制器运用在该电源控制系统中，实验波形如图7所示。图7a为电源稳压突加100%负载时输出电压波形，图7b为电源在突卸100%负载时输出电压波形。结果表明采用模糊PID与常规数字化PID相结合的控制方法，使得被控对象开关电源的电压调节不仅具有良好的稳态特性而且具有相当高的动态品质。
（a）突加负载输出电压波形（b）突卸负载输出电压波形
图7实验波形
(end)
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(9/29/2006) |
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