雙閉環Buck變換器系統模糊PID控制

楊航,劉凌,閻治安,楊嫻

(1.西安交通大學電氣工程學院, 710049, 西安;2.國網安徽省電力公司電力科學研究院, 230061, 合肥)

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雙閉環Buck變換器系統模糊PID控制

楊航1,劉凌1,閻治安1,楊嫻2

(1.西安交通大學電氣工程學院, 710049, 西安;2.國網安徽省電力公司電力科學研究院, 230061, 合肥)

針對傳統線性PID控制對復雜控制對象難以建模及人工整定經驗缺乏等問題,提出了一種雙閉環Buck變換器系統的模糊PID控制策略。首先,設計了電壓外環和電流內環結構以同時提高系統的抗擾性和跟隨性;其次選擇高斯函數和三角形函數相結合的隸屬度函數以使控制器對小誤差的靈敏度得以增強;接著,針對PID參數分別設計了3個子推理器并通過基于專家經驗的規則庫制定出Buck變換器的模糊規則,可以使控制器不依賴于Buck變換器系統精確的數學模型,從而克服傳統PID控制導致的輸出電壓高超調、振蕩等缺點;最后,設計了一套新型雙閉環Buck變換器硬件系統,利用STM32單片機將模糊PID算法首次用于控制變化速度快、時滯小的被控量。實驗結果表明:模糊PID控制策略不僅能夠提高輸出電壓跟蹤精度,還能有效抑制負載擾動及參數攝動,在階躍啟動下,系統輸出電壓超調量低于10%,調節時間低于3 ms;與傳統PID單環系統相比,其輸出電壓紋波、擾動下的最大動態壓降和恢復時間均減小了一個數量級以上。

Buck變換器;雙閉環;模糊PID控制;參數自整定

嚴峻的開關電源抗擾性能形勢迫切要求研究開關電源控制器的參數自整定,而Buck型DC-DC變換器是開關電源的核心,其面臨的抗擾問題更為突出,必須得到有效解決。目前,主要存在以下3點問題:①當前對Buck變換器的控制大多采用傳統線性PID控制,其魯棒性和抗擾性的矛盾,零超調和快速性的矛盾導致控制性能低下[1];②由于Buck變換器非線性的特征,因此通過假設推導的數學模型或由辨識得到的估計模型的適用范圍有限;③傳統人工整定的固定參數無法使系統獲得期望抗擾性能[2]。

近年來,國內越來越多的科技人員開始研究智能控制策略來提高抗擾性能。文獻[1]給出了一種基于模糊自適應PID的控制方案,但僅指出了該方案相比傳統PID控制有更好的動靜態性能而未制作硬件實現。文獻[3]針對溫室環境的多變量、非線性和難建模等特性,運用模糊控制實現了對溫室環境參數的有效控制,但被控量變化緩慢,沒有實現對變化速度快的被控量的實時控制。文獻[4]針對液位控制過程中存在大滯后、時變和非線性的特點,運用模糊控制使系統響應加快,但僅停留在仿真而未付諸實踐。文獻[5]采用模糊算法實現了對智能車速度的控制,使賽車對賽道的適應性和控制穩定性都得到了較大的提高,然而其結構為單環且模糊算法直接獲得控制量,控制精度低。

本文克服了以上各文獻的不足,提出一種雙閉環Buck變換器系統模糊PID控制策略,特別針對變化速度快且時滯小的電壓、電流被控量,應用3個子模糊推理器對比例、積分、微分參數分別推理它們各自增益的增量,再通過運算獲得最后的實際控制量,以提高控制器輸出控制量的平滑性。本文制作了一個以STM32單片機為控制核心、可在線自整定參數的雙閉環Buck變換器控制系統。它在穩定段之內用傳統PID精細調節,在穩定段之外運用模糊控制輔助調節[6]。利用軟件編程,將專家知識及經驗,即制定好的模糊規則表轉化為相應算法并存入微控制器中,通過微控制器表達和模擬熟練工人和專家的知識和經驗,實現判斷、推理和決策,從而避免了需要導出廣義對象數學模型的困難。當系統啟動、輕載或受到擾動時,控制器可通過在線自整定參數,使系統保持良好的動穩態特性,解決了傳統PID控制器性能不佳、控制對象復雜多變和人工整定經驗不足等問題。

1 Buck變換器數學模型

Buck變換器作為單管非隔離直流變換器,其拓撲如圖1所示。

Uin為Buck變換器輸入電壓;Uout為Buck變換器輸出電壓;G為金屬-氧化物半導體場效應晶體管的柵極;D為續流二極管;L為濾波電感;C為濾波電容;R為電阻負載;iL為電感電流圖1 Buck變換器拓撲圖

(1)

式中:α為半導體場效應晶體管(MOSFET)的占空比。設置系統工作在電感電流連續模式下,取Uin=24 V,Uout=5 V,R=10 Ω,開關頻率fs=100 kHz,由電感電流連續條件可得濾波電感的最小值

(2)

同時還要使紋波電流符合要求,根據下式可得濾波電感臨界值

(3)

式中:ΔIL為電流紋波值。聯立式(2)和式(3)并考慮裕量,選取濾波電感為1 mH。通過式(4)可算得濾波電容的最小值

(4)

式中:ΔUout為輸出電壓紋波值?？紤]裕量,選取濾波電容為100 μF。好的環路結構才能得到良好的動穩態性能,本文所設計的雙閉環系統框圖如圖2所示。

e為當前Uout的誤差為當前Uout的誤差變化率;ΔKp、ΔKi、ΔKd為經去模糊化處理后的電壓PID控制器的比例、積分、微分參數增益的變化量為給定電壓的數字量;Uv為Uout經模數轉換后的數字量;ΔUv為和Uv的差值為電壓PID控制器輸出電壓的數字量;Ui為iL經模數轉換后的數字量;ΔUi為和Ui的差值;Uc為電流PID控制器輸出電壓的數字量圖2 雙閉環模糊PID控制系統方框圖

雙閉環結構可顯著提高系統對二次擾動的抗擾能力,能減小對象的時間常數和相位滯后,從而提高系統的動態性能。電流內環能限制電感電流,這對系統可靠運行意義重大。

2 模糊PID控制器

圖3為本文使用的二維模糊推理器原理圖。

堤壩的基礎部位滲水也是堤壩在使用過程中出現的一種常見的滲水情況，并且堤壩的基礎部位如果出現滲水的情況，對于堤壩的使用會產生更加嚴重的影響，而且二次治理的難度也較大，經過分析可以發現，引起堤壩基礎部位滲水的主要原因是在堤壩的施工過程中忽視了對基礎土壤的處理，導致基礎部分使用的土壤防水性較差，水流極易滲進其中，經過長期的透水，就會引起堤壩的滲水。

A為誤差模糊集;B為誤差變化率模糊集;C為輸出模糊集[8]圖3 二維模糊推理器原理圖

2.1 論域及隸屬度函數

論域為連續取值的模擬量[9]。因額定輸出電壓為5 V,故設偏差的基本論域為[-5,5];設偏差變化率的基本論域為[-1 000,1 000]。模糊子集為{NB,NM,NS,Z,PS,PM,PB}[10]分別代表{負大,負中,負小,零,正小,正中,正大}。根據論域覆蓋程度、穩定度和靈敏度等來確定隸屬度函數[11]。本文選取高斯函數和三角函數相結合的隸屬度函數。當偏差大時用高斯函數,偏差小時用三角函數。

2.2 數據庫規則庫制定

數據庫存放所有變量模糊子集的隸屬度函數[12],在推理模糊關系方程中向推理機提供數據。對于非線性、時變及難用精確傳遞函數描述的系統,可以總結出PID參數的各種整定經驗和知識[13]。當偏差較大時,以盡快消除偏差為主;當偏差較小時,以防止超調,提高系統穩定性為主。根據控制經驗和大量實驗,制定出模糊規則如表1及表2所示。

表1 比例增益變化量模糊規則表

表2 積分增益變化量模糊規則表

模糊推理選用馬丹尼(Mardani)型,整定好的電壓PID控制器比例、積分、微分增益分別為

(5)

3 系統實驗

3.1 系統硬件平臺

Buck變換器控制系統示意圖如圖4所示。

圖4 Buck變換器控制系統示意圖

所設計系統采用STM32F105微控制器,通過電流傳感器替代功率電阻測量電流,以提高精度。所設計系統由單片機最小系統、Buck變換器、A/D轉換電路、PWM及驅動、輔助電源、故障保護及外圍電路等7個模塊組成。所設計系統的印制電路板如圖5所示。

圖5 Buck變換器雙閉環控制系統硬件圖

3.2 測試結果

3.2.1 突加階躍給定啟動測試 在20 ms時給定電壓設為5 V,圖6為使用安捷倫DSO7014B示波器測得的在階躍啟動時4種控制結構及策略下系統的輸出電壓波形。測得的4種控制結構及策略下系統的階躍啟動性能指標數據如表3所示。

表3 4種控制結構及策略下系統的階躍啟動實測數據表

(a)單環傳統PID (b)單環模糊PID

(c)雙環傳統PI (d)雙環模糊PI圖6 階躍啟動時4種控制結構及策略下系統的輸出電壓波形

(1)單閉環及雙閉環結構下的模糊PID控制系統因其具有參數自適應性,可在線實時整定PID參數,從而明顯減小了超調量和調節時間,也減小了輸出電壓紋波,增強了系統的魯棒性。模糊PID算法對系統性能有明顯改善。

(2)雙閉環系統因電流環而限制了啟動電流,故而犧牲了一定的快速性,相比單閉環系統,其上升時間略長,但通過電流環減小了輸出電壓超調且使調節時間縮短,使系統具有更小的輸出電壓紋波。

3.2.2 負載擾動測試 突加負載電流,即調整負載電阻為10～5 Ω,突減負載電流,即調整負載電阻為5～10 Ω。圖7為使用安捷倫DSO7014B示波器測得的在負載擾動時4種控制結構及策略下系統的輸出電壓波形。測得的4種控制結構及策略下系統的擾動性能指標數據如表4所示。

表4 4種控制結構及策略下系統負載擾動實測數據表

(a)單環傳統PID負載擾動 (b)單環模糊PID負載擾動

(c)雙環傳統PI加載擾動 (d)雙環傳統PI減載擾動

加載時,雙閉環模糊PI控制系統輸出電壓動態壓降最小,恢復時間也很短;減載時,雙閉環模糊PI控制系統比傳統PI雙閉環系統性能要好。控制效果與參數調整關系很大,對復雜的被控對象,參數調整是非常繁瑣的。傳統PID控制器由于參數固定,當負載擾動引起工作點變化并導致系統模型及其頻率特性改變時,固定的參數無法相應改變,導致系統動態性能變差,而采用模糊PID控制后,參數能夠分別通過3個子推理器推理得出,實現參數在線自整定,使得系統輸出電壓的精度更高,提高了系統的動態性能。

3.2.3 輸入電壓擾動測試 突增輸入電壓設為24～34 V,突減輸入電壓設為24～14 V。圖8為使用安捷倫DSO7014B示波器測得的輸入電壓擾動下4種控制結構及策略下系統的輸出電壓波形。測得的4種控制結構及策略下系統的擾動性能指標數據如表5所示。

表5 4種控制結構及策略下系統輸入電壓擾動實測數據表

圖8 輸入電壓擾動時4種控制結構及策略下系統的輸出電壓波形

輸入電壓突變情況下,單閉環模糊PID控制系統輸出電壓動態壓降減小,恢復時間縮短;雙閉環模糊PI控制系統輸出電壓動態壓降最小,恢復時間也最短。實驗結果說明因輸入電壓改變,傳統PID因仍采用固定PID參數,無法兼顧在所有工作點處的控制性能,導致控制器性能惡化。雙閉環系統通過增加電流內環,使輸入電壓波動可以通過電流反饋得到及時調節,不必再像單閉環系統需影響到輸出電壓后才能反饋回來,因而系統的抗擾性能得到改善。在雙閉環結構基礎上再采用模糊PID控制后,參數能夠在線自整定且分別通過子推理器推理出的PID參數增量合成的控制量使得系統輸出電壓的精度更高,進一步提高了系統的動態性能。根據3種類型的實驗測試,可得到雙閉環模糊PID控制策略的優越性,4種控制結構及策略下系統的各項性能指標比較如表6所示。

(1)響應速度:模糊PID控制為減小電壓超調,會犧牲一定快速性,但增加的上升時間很少。

(2)輸出電壓紋波:雙閉環系統輸出電壓紋波很小,加上模糊PID控制后,電壓紋波進一步減小。

(3)抑制擾動:雙閉環系統可及時克服輸入電壓擾動,但不能有效抑制負載擾動。模糊PID控制則能通過對PID參數的在線整定,同時克服負載擾動和輸入電壓擾動,從而獲得滿意的控制效果。

(4)穩定性:雙閉環系統因其對電流的控制,使其比單閉環系統的魯棒性更強;模糊控制系統由于其對參數的自適應性,使其魯棒性最強。

(5)自適應性:傳統PID控制器在非線性系統中的性能是易變的,不能適應系統工作點的變化。當對象特性變化大時,采用模糊PID控制器可實現參數最佳調整,使系統具有更強的自適應能力。

表6 4種控制結構及策略下系統的各項性能指標比較

4 結 論

本文提出了模糊PID控制策略,設計了一套新型的具有專家控制特點的雙環Buck型DC-DC變換器控制系統。特別針對變化速度快、時滯小的被控量,通過微控制器和應用子模糊推理器表達和模擬熟練工和專家的知識和經驗,進行判斷、推理和決策,實現了參數的在線自整定。由于不使用數值而用語言式的模糊變量來描述系統,故本文所設計的控制器是一種容易控制的非線性控制器,具有較佳適應性、強健性和容錯性。

當參數攝動或負載擾動時,本文所設計的控制器不依賴系統數學模型,能保持良好的動穩態特性,具有控制靈活、響應快和適應性強的優點,很適合于過程控制,即使針對復雜的控制對象也能克服傳統PID控制器的缺點,實現高精度、高魯棒性控制。本文所設計的控制器具有自適應能力和一定的智能水平,解決了傳統PID控制器性能不佳、控制對象復雜多變和人工整定經驗不足等問題。

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(編輯 劉楊)

A Fuzzy PID Control Strategy for Buck Converter System of Double Closed Loop Circuits

YANG Hang1,LIU Ling1,YAN Zhi’an1,YANG Xian2

(1. School of Electrical Engineering, Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049, China; 2. Institute of Electric Power Research, State Grid Anhui Electric Power Company, Hefei 230061, China)

A novel fuzzy PID control strategy of Buck converter system with double closed loop structures is proposed to solve problems that complex control objects are difficult of modeling and the artificial tuning experiences are lack, etc. The voltage and current loop structures are designed to improve both the anti-disturbance performance and the following performance of the system. A membership function that combines the Gauss function and the triangular function is selected to enhance the sensitivity of the controller to small error. Three sub inference devices are designed based on the PID parameters and the rule base of expert experiences, and the fuzzy rule of Buck converter is developed to make the designed controller independent of the precise mathematical model of Buck converter. So that it overcomes the high percent overshoot, oscillation and other shortcomings of the output voltage caused by traditional PID controls. A new Buck converter system of double closed loop circuits is designed, and the fuzzy PID control strategy is applied to control the quantities with rapid change and small time delay by making use of STM32. Experimental results show that the fuzzy PID control strategy not only improves the tracking accuracy of the output voltage, but also effectively suppresses the load disturbance and parameter perturbation, and that the overshoot of the output voltage is less than 10% and the adjustment time is less than 3 ms under the step to start. A comparison with the traditional PID system show that the designed system’s output voltage ripple, maximum dynamic voltage drop and recovery time under the disturbance are reduced by one order of magnitude.

buck converter; double loop circuit; fuzzy PID control; parameters self-tuning

2015-09-25。 作者簡介:楊航(1992—),男,碩士生;劉凌(通信作者),男,博士,講師,碩士生導師。 基金項目:國家自然科學基金資助項目(51307130,51477130);中央高校基本科研業務費專項資金資助項目(1191320056)。

時間:2016-01-13

10.7652/xjtuxb201604006

TP273.4

A

0253-987X(2016)04-0035-06

網絡出版地址:http:∥www.cnki.net/kcms/detail/61.1069.T.20160113.1959.008.html