[发明专利]一种基于分层思想的模糊PI双环控制方法

说明书

技术领域

本发明涉及开关电源领域的DC-DC升压电路。

背景技术

DC-DC变换器是一种时变的非线性系统，由于各种寄生参数和损耗的存在，其运行的精确模型很难建立。传统的线性PI控制方法是工程中采用最多的，其中的单电压环控制虽然设计方法简单成熟，但动态特性缓慢，已经极少采用；电压、电流双环PI控制具有较好的动态和稳态特性，但由于是在假定变换器为线性系统的基础上进行控制器设计，在性能要求较高的场合仍难达到要求。于是近年来研究者逐步引入基于非线性系统的控制方法来控制功率变换器，模糊控制就是其中的一种。

模糊控制属于智能控制的范畴，它是以模糊集理论、模糊语言变量和模糊逻辑推理为基础的控制方法，具有算法简单直观、易于软件实现、鲁棒性强等特点，在DC-DC变换器中已经有了一定的应用。

单纯的模糊控制的核心是规则表格，表格直接决定了变换器中开关的导通占空比。表格的制定需要较多的仿真或实验的经验积累，经验是模糊控制器的关键。

模糊控制和PI控制结合也是比较常见的思路，可以借鉴变换器小信号模型的一些理论成果，得到比单纯采用PI控制更好的运行特性。目前模糊控制和PI控制结合的形式有两种：(1)电压模糊PI控制，仅以输出电压作为输入控制量，比单电压环的PI控制有更好的动态特性，但响应仍不够好；(2)模糊PI双环控制，模糊控制与电流内环结合，缺点在于系统的动态复杂，难于进行小信号分析，给电压外环设计造成困难。

发明内容

本发明的目的是提供一种新的基于分层的模糊PI双环控制方法，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，变换器具有比传统线性PI双环控制下更好的动、静态性能，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。本发明通过以下技术方案实现：

一种基于分层的模糊PI双环控制方法，采用Boost升压变换器的电路拓扑结构，及用TMS320F2812DSP实现的软硬件方案，可以达成变换器在宽负载范围内的高性能。

上述的的模糊PI双环控制方法，所述Boost升压变换器的电路拓扑结构包括电感、开关管和二极管，所述电感的一端与直流输入源正极连接，电感的另一端与开关管的漏极连接，开关管的源极与电感电流采样电阻连接，开关管的门极与脉冲驱动电路的输出端连接；同时，电感的另一端与二极管阳极连接，二极管的阴极与负载连接。

上述的模糊PI双环控制方法，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：

模糊控制器定义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)；i_L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。