一种模糊PID数字控制DC-DC变换器的控制方法技术

本发明专利技术公开了一种模糊PID数字控制DC-DC变换器的控制方法，基于包括ADC单元、比较器、设有模糊控制单元和PID控制单元的模糊PID补偿器、数字脉宽调制器和驱动单元的控制系统，该控制系统与Buck型DC/DC变换器的主拓扑串联构成闭环，变换器的模拟输出电压经A/D转换后输入比较器与数字参考电压信号比较，计算输出电压误差值和误差偏差值，模糊控制单元根据输出电压误差值和误差偏差值确定开关周期的占空比值，数字脉宽调制器和驱动单元根据占空比值输出相应的PWM来控制功率管的导通关断来调节输出电压值。克服了变换器的非线性效应，加快了系统响应，减小了超调，具有很好的抗输入扰动和负载扰动的能力。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及数字开关变换器，尤其是应用于数字控制开关变换器的一种模糊PID数字控制DC-DC变换器的控制方法，能够根据输出电压误差及误差偏差量动态调节常规PID控制参数，有效提高变换器的瞬态响应性能。
技术介绍
DC-DC变换器作为直流电压供应设备广泛应用于各种便携式电子产品。早期DC-DC变换器通常采用模拟控制，因为它具有控制简单、精度高、技术成熟等优点，但受模拟电路本身结构的限制，以及工艺技术、产品开发周期、多电源管理系统及高端产品附加功能等要求的提高，促使了数字控制电源的产生与发展。数字控制相比模拟控制有诸多优点，如数字器件不易受老化及环境变量影响，对噪声不敏感，可重构性好，容易实现复杂控制算法等。目前绝大多数控制策略仍然基于状态空间平均模型或线性化小信号模型，这较好地解决了DC-DC变换器的稳态和动态低频小信号分析问题。但是由于DC-DC变换器系统的非线性本质，基于小信号模型设计的控制器，不能保证系统在输入和负载大范围变化下的稳定性，因此这种模型的适用范围受到了很大的限制，因而传统的控制策略很难进一步提高系统性能。为此，需要建立更精确的非线性模型或运用非线性控制策略，然而研究更精确的非线性模型比较困难，因此考虑运用非线性控制策略。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种模糊PID数字控制DC-DC变换器的控制方法，可以降低DC-DC变换器的非线性效应对变换器瞬态响应性能影响，响应速度快，超调量小。本专利技术采取的技术方案如下：一种模糊PID数字控制DC-DC变换器的控制方法，其特征在于：基于包括ADC单元、比较器、设有模糊控制单元和PID控制单元的模糊PID补偿器、数字脉宽调制器和驱动单元的控制系统，该控制系统与Buck型DC/DC变换器的主拓扑串联构成闭环，当输入电压或负载电流外部环境发生变化时，变换器主拓扑的输出电压会随之出现波动；ADC单元采样变换器主拓扑的模拟输出电压Vo[t]并转换为数字输出电压Vo[n]进入比较器，比较器将数字输出电压值Vo[n]与数字参考电压Vref比较，得到输出电压误差值e[n]和输出电压误差偏差值ec[n]进入模糊控制单元；模糊控制单元执行模糊推理运算，将输出电压误差值e[n]和输出电压误差偏差值ec[n]进行模糊化，根据输入变量e[n]和ec[n]的范围，采用三角形隶属函数方法得到e[n]和ec[n]的模糊子集分布，根据当前e[n]和ec[n]的值判断出e[n]和ec[n]所属的模糊子集合和相应的隶属度，然后根据变换器的典型输出响应曲线制定模糊规则，判断模糊控制单元的输出变量PID比例控制系数变化量ΔKp、积分控制系数变化量ΔKi、微分控制系数变化量ΔKd所属的模糊子集合和相应的隶属度；最后根据输出变量ΔKp、ΔKi、ΔKd的范围，采用孤立型隶属函数方法得到ΔKp、ΔKi、ΔKd的模糊子集分布，用最大隶属度法进行解模糊，即从输出ΔKp、ΔKi、ΔKd的模糊子集合中找出隶属度最大的一个模糊子集和相应的ΔKp、ΔKi、ΔKd精确值，在线调整ΔKp、ΔKi、ΔKd的数值输出至PID控制单元；PID控制单元执行PID控制算法，输出离散占空比信号d[n]至数字脉宽调制器，数字脉宽调制器输出连续的占空比信号d[t]至驱动单元，驱动单元输出两路互补的PWM信号控制变换器中功率管Q1、Q2的开关从而稳定主拓扑的输出电压；重复上述过程进行循环控制直至系统稳定。包括以下步骤：(1)ADC单元采样主拓扑的模拟输出电压Vo[t]并转换为数字信号Vo[n]输出给比较器，比较器将Vo[n]与给定的数字参考电压信号Vref比较Vref-Vo[n]，得到当前采样周期的电压误差值e[n]并予以记录，同时将当前误差记录e[n]与上一次误差记录e[n-1]相减得到误差偏差值ec[n]，比较器输出e[n]及ec[n]两个信号至模糊控制单元；(2)在模糊控制单元内将e[n]和ec[n]乘以相应的量化因子后转换为相应的模糊语言变量E和EC，采用三角形隶属函数定义7个模糊子集，分别为：负大NB、负中NM、负小NS、零ZO、正小PS、正中PM、正大PB七种情况，根据7个模糊子集分布，判断当前e[n]和ec[n]所属的模糊子集合和相应的隶属度；然后根据模糊规则推理出输出变量ΔKp、ΔKi、ΔKd所属的模糊子集合和相应的隶属度，其中模糊规则是根据变换器的典型输出响应曲线制定的：将变换器的典型输出响应曲线定义归类为4个阶段：①A0A1阶段，E>0，EC<0，输出电压小于且趋向参考电压，②A1A2阶段，E<0，EC<0，输出电压大于且偏离参考电压，③A2A3阶段，E<0，EC>0，输出电压大于且趋向参考电压，④A3A4阶段，E>0，EC>0，输出电压小于且偏离参考电压，分别制定4个阶段相应的模糊规则；A0A1阶段，一方面输出电压小于参考电压，当输出电压在A0点附近时，为了增大输出电压，需要大的占空比对电容充电，抬高输出电压，所以需要增大PID比例控制系数Kp、积分控制系数Ki，减小微分控制系数Kd，即ΔKp>0、ΔKi>0、ΔKd<0，加快响应速度；另一方面输出电压趋向参考电压，当输出电压接近A1点时，需要考虑减小超调，所以需要减小Kp、Ki，增大Kd，即ΔKp<0、ΔKi<0、ΔKd>0，减小超调，所以在A0到A1的过程中，ΔKp和ΔKi呈现减小的趋势，ΔKd呈现增大的趋势；A1A2阶段，输出电压大于参考电压，且偏离参考电压，所以在整个阶段都需要减小输出电压，需要小的占空比对电容放电，降低输出电压，所以需要增大Kp、Kd，减小Ki，即ΔKp>0、ΔKi<0、ΔKd>0；A2A3阶段，一方面输出电压大于参考电压，当输出电压在A2点附近时，为了减小输出电压，需要小的占空比对电容放电，降低输出电压，所以需要增大Kp，减小Ki、Kd，即ΔKp>0、ΔKd<0、ΔKi<0，加快响应速度；另一方面输出电压趋向参考电压，当输出电压接近A3点时，需要考虑减小超调，所以需要减小Kp，增大Ki、Kd，即ΔKp<0、ΔKd>0、ΔKi>0，减小超调，所以在A2到A3的过程中，ΔKp呈现减小的趋势，ΔKi和ΔKd呈现增大的趋势；A3A4阶段，输出电压小于参考电压，且偏离参考电压，所以在整个阶段都需要增大输出电压，需要大的占空比对电容充电，抬高输出电压，所以需要增大Kp、Ki和Kd，即ΔKp>0、ΔKd>0、ΔKi>0；最后根据输出变量ΔKp、ΔKi本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种模糊PID数字控制DC‑DC变换器的控制方法，其特征在于：基于包括ADC单元、比较器、设有模糊控制单元和PID控制单元的模糊PID补偿器、数字脉宽调制器和驱动单元的控制系统，该控制系统与Buck型DC/DC变换器的主拓扑串联构成闭环，当输入电压或负载电流外部环境发生变化时，变换器主拓扑的输出电压会随之出现波动；ADC单元采样变换器主拓扑的模拟输出电压Vo[t]并转换为数字输出电压Vo[n]进入比较器，比较器将数字输出电压值Vo[n]与数字参考电压Vref比较，得到输出电压误差值e[n]和输出电压误差偏差值ec[n]进入模糊控制单元；模糊控制单元执行模糊推理运算，将输出电压误差值e[n]和输出电压误差偏差值ec[n]进行模糊化，根据输入变量e[n]和ec[n]的范围，采用三角形隶属函数方法得到e[n]和ec[n]的模糊子集分布，根据当前e[n]和ec[n]的值判断出e[n]和ec[n]所属的模糊子集合和相应的隶属度，然后根据变换器的典型输出响应曲线制定模糊规则，判断模糊控制单元的输出变量PID比例控制系数变化量ΔKp、积分控制系数变化量ΔKi、微分控制系数变化量ΔKd所属的模糊子集合和相应的隶属度；最后根据输出变量ΔKp、ΔKi、ΔKd的范围，采用孤立型隶属函数方法得到ΔKp、ΔKi、ΔKd的模糊子集分布，用最大隶属度法进行解模糊，即从输出ΔKp、ΔKi、ΔKd的模糊子集合中找出隶属度最大的一个模糊子集和相应的ΔKp、ΔKi、ΔKd精确值，在线调整ΔKp、ΔKi、ΔKd的数值输出至PID控制单元；PID控制单元执行PID控制算法，输出离散占空比信号d[n]至数字脉宽调制器，数字脉宽调制器输出连续的占空比信号d[t]至驱动单元，驱动单元输出两路互补的PWM信号控制变换器中功率管Q1、Q2的开关从而稳定主拓扑的输出电压；重复上述过程进行循环控制直至系统稳定。...

【技术特征摘要】
1.一种模糊PID数字控制DC-DC变换器的控制方法，其特征在于：基于包括ADC
单元、比较器、设有模糊控制单元和PID控制单元的模糊PID补偿器、数字脉宽调制器
和驱动单元的控制系统，该控制系统与Buck型DC/DC变换器的主拓扑串联构成闭环，
当输入电压或负载电流外部环境发生变化时，变换器主拓扑的输出电压会随之出现波动；
ADC单元采样变换器主拓扑的模拟输出电压Vo[t]并转换为数字输出电压Vo[n]进入比较
器，比较器将数字输出电压值Vo[n]与数字参考电压Vref比较，得到输出电压误差值e[n]
和输出电压误差偏差值ec[n]进入模糊控制单元；模糊控制单元执行模糊推理运算，将输
出电压误差值e[n]和输出电压误差偏差值ec[n]进行模糊化，根据输入变量e[n]和ec[n]的
范围，采用三角形隶属函数方法得到e[n]和ec[n]的模糊子集分布，根据当前e[n]和ec[n]
的值判断出e[n]和ec[n]所属的模糊子集合和相应的隶属度，然后根据变换器的典型输出
响应曲线制定模糊规则，判断模糊控制单元的输出变量PID比例控制系数变化量ΔKp、积
分控制系数变化量ΔKi、微分控制系数变化量ΔKd所属的模糊子集合和相应的隶属度；最
后根据输出变量ΔKp、ΔKi、ΔKd的范围，采用孤立型隶属函数方法得到ΔKp、ΔKi、ΔKd
的模糊子集分布，用最大隶属度法进行解模糊，即从输出ΔKp、ΔKi、ΔKd的模糊子集合
中找出隶属度最大的一个模糊子集和相应的ΔKp、ΔKi、ΔKd精确值，在线调整ΔKp、ΔKi、
ΔKd的数值输出至PID控制单元；PID控制单元执行PID控制算法，输出离散占空比信
号d[n]至数字脉宽调制器，数字脉宽调制器输出连续的占空比信号d[t]至驱动单元，驱动
单元输出两路互补的PWM信号控制变换器中功率管Q1、Q2的开关从而稳定主拓扑的输
出电压；重复上述过程进行循环控制直至系统稳定。
2.根据权利要求1所述的模糊PID数字控制DC-DC变换器的控制方法，其特征在
于包括以下步骤：
(1)ADC单元采样主拓扑的模拟输出电压Vo[t]并转换为数字信号Vo[n]输出给比较
器，比较器将Vo[n]与给定的数字参考电压信号Vref比较Vref-Vo[n]，得到当前采样周期
的电压误差值e[n]并予以记录，同时将当前误差记录e[n]与上一次误差记录e[n-1]相减得
到误差偏差值ec[n]，比较器输出e[n]及ec[n]两个信号至模糊控制单元；
(2)在模糊控制单元内将e[n]和ec[n]乘以相应的量化因子后转换为相应的模糊语言
变量E和EC，采用三角形隶属函数定义7个模糊子集，分别为：负大NB、负中NM、
负小NS、零ZO、正小PS、正中PM、正大PB七种情况，根据7个模糊子集分布，判
断当前e[n]和ec[n]所属的模糊子集合和相应的隶属度；然后根据模糊规则推理出输出变
量ΔKp、ΔKi、ΔKd所属的模糊子集合和相应的隶属度，其中模糊规则是根据变换器的典

\t型输出响应曲线制定的：将变换器的典型输出响应曲...

【专利技术属性】
技术研发人员：常昌远，周志琪，赵欣，朱文文，黄晓敏，吴承恩，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32