[发明专利]一种基于分层思想的模糊PI双环控制方法

权利要求书

1.一种基于分层的模糊PI双环控制方法，其特征在于，采用Boost升压变换器的电路拓扑结构和TMS320F2812DSP的软硬件控制方案，根据模糊控制理论，将模糊控制方法与传统线性PI的电压、电流双环控制方法结合形成闭环系统，而且对输入变量进行分层，能够增加少量计算的情况下最好地实现过流保护和输入涌流限制，最大限度地快速而不超过保护限值的控制设计。

2.如权利要求1所述的一种基于分层的模糊PI双环控制方法，其特征在于所述Boost升压变换器的电路拓扑结构(1)包括电感(L)、开关管(S)和二极管(D)，所述电感(L)的一端与直流输入源正极连接，电感(L)的另一端与开关管(S)的漏极连接，开关管(S)的源极与电感电流采样电阻(R₁)连接，开关管(S)的门极与脉冲驱动电路(6)的输出端连接；同时，电感(L)的另一端与二极管(D)阳极连接，二极管(D)的阴极与负载连接。

3.如权利要求1所述的一种基于分层的模糊PI双环控制方法，其特征在于根据模糊控制理论，将模糊控制方法与传统线性PI的电压、电流双环控制方法结合形成闭环系统，具体包括：

模糊控制器设计的首要步骤是选择输入变量，为了得到变换器内部能量存储的信息，需要同时采样电压和电流，为了在控制器中加入启动涌流控制和过流保护，把电压、电流信息各定义为两个输入模糊变量，即一共有四个输入变量：输出电压误差ε_u，为限制输入涌流而设定的输出电压u_rush、电感电流误差ε_i、为过流保护而设定的电感电流i_L。

当输入变量增多，规则数会呈指数增长，模糊控制变得非常复杂，运算量巨大。为此采用分层策略，对解耦或部分解耦的一些输入量划分层次，不在同一层次的变量互不相关，令算法的设计和执行得到较大的简化，从而可以给模糊控制器集成更多的智能功能。对四个输入变量分成并列的三个层次，输出电压误差ε_u，电感电流误差ε_i在同一层，其他两个各自成为一层；

模糊控制器的输出变量有两个，分别是模糊比例(P)控制器和模糊积分(I)控制器的输出；

其次必须对每个输入、输出变量单独定义模糊集，为输入变量ε_u和ε_i选了5个模糊子集：正大(PB)正小(PS)零(ZE)负小(NS)及负大(NB)；u_rush只有两个模糊子集：低(LOW)和中(MID)，因为只在启动涌流时起作用；i_L也只有两个模糊子集：正常运行(NORM)和电流限制(LIMIT)，因为只在过流保护时起作用；为输出变量δ_P和Δδ_I选择了七个模糊子集，以得到平滑的控制效果(PB，PM，PS，ZE，NS，NM，及NB)。选定隶属函数的分区数后，每个输入输出变量都要用适当的比例因子变换到[-1，1]区间。

隶属函数的形状选择也很关键。规则数会随输入个数而指数增长，两个输入分成5段，则有5*5个规则。图4选用三角形隶属函数的优点是，任何时候只有最多两个大于0的隶属度，而且两个隶属度之和为1，大大减少了运算量；输入分段数选择5个，可以表达成为2ⁿ+1的形式，后面运算中的除法可以用移位运算来做；

依照运行要求对模糊规则的设定是模糊控制器的关键：

升压电路的启动涌流控制是一个难题，涌流主要在输出电压低于输入电压情况下发生；一般解决方法是改变拓扑，在升压电路的输入和输出端加入一个功率整流管；经过分析，当输出电压低于输入电压时保持占空比为最小可以最大限度地抑制涌流；

当涌流得到抑制后，按照电感电流情况分为两个工作区域：正常工作和过流保护；

(1)正常工作时，按照输出电压与额定电压的误差分为两种情形：

误差较大时(ε_u为PB或NB)，控制作用必须足够强，即δ_P为PB或NB；Δδ_I应为ZE(取消积分作用)，以防止积分项的积累引起较大的过冲。此时控制主要由电压误差ε_u决定，电流误差ε_i不起作用；

误差较小时(ε_u为PB或NB)，此时电流误差也参与决定占空比，以保证稳定性和较快的动态响应。此时的控制规则可以依据能量平衡分为三种情形：

1)ε_u和ε_i都为ZE。

δ_P和Δδ_I都应为ZE，变换器的稳态特性主要由Δδ_I项决定。

2)ε_u和ε_i符号相同。

ε_u和ε_i同为正，δ_P和Δδ_I都应为正，系统能量增多；ε_u和ε_i同为负，δ_P和Δδ_I都应为负，系统能量减少。

3)ε_u和ε_i符号不同。

δ_P和Δδ_I都应保持为ZE，防止过冲或欠压，等待电感在输出电容上放电。

(2)过流保护情况下：

过流保护情况下禁止了积分，以避免输出电压出现过冲，因此Δδ_I应为ZE；δ_P依据输出电压误差取不同的值：当ε_u为PB，δ_P保持为ZE以限制电流值；相反地，当ε_u为ZE、NS、NB时，δ_P均应为NB；如果ε_u为PS，δ_P应为NS。

规则的执行依靠推理，推理的实质是条件判定，判定当前的输入变量情况符合哪条规则的前提条件，即可依据规则得到相应的输出。

单条规则的输出公式：

δ_nj＝α_j(ε_u+m_jε_i)，j＝P，I

本文应用中选择的模糊化方法是模糊单点法，Mamdani的最小模糊含义及最大最小推理方法，及选择用中心区域法进行去模糊，化模糊量为精确的输出控制量，因此模糊比例控制器的输出为：

δP=(Σj=1nαjDj)/(Σj=1nαj)]]>

其中D_j是模糊输出变量在第j条规则下的单点输出值，而α_j是用最小运算得到的第j条规则的满足度，可以写为：

α_j＝min{μA_j(ε_i)，μB_j(ε_u)，μC_j(i_L)}

模糊积分控制器的输出也同样采用这两个公式。模糊比例(P)控制器和模糊积分(I)控制器的输出的加和形成正比于占空比的控制信号，用来控制变换器的开关导通和关断。