一种Buck型DC-DC变换器的单输入模糊PID控制方法技术

一种Buck型DC‑DC变换器的单输入模糊PID控制方法，首先建立补偿前系统的传递函数；然后采用频域法对PID控制器进行参数整定，并设计模糊逻辑输入输出变量的隶属函数；其次，通过分析变换器系统响应曲线及其在模糊规则表中的映射，建立具有快速响应和低超调特性的二维Toeplitz型模糊规则表，得到双输入模糊PID控制器；最后，采用符号距离法对双输入模糊PID控制器进行降维，得到单输入模糊PID控制器以降低算法的硬件资源占有率，同时运用遗传算法进行参数寻优，保证降维得到的单输入模糊PID控制器具有和双输入模糊PID控制器等价的控制性能。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及Buck型DC-DC变换器，尤其是一种Buck型DC-DC变换器的单输入模糊PID控制方法，属于开关电源

技术介绍
DC-DC开关变换器相对于线性稳压电源具有更高的转换效率，因而在便携式电子设备中得到了广泛的应用。随着半导体工艺和对产品性能需求的提升，大规模集成电路包含多种功能和工作模式，为保证其安全可靠地运行，变换器的动态性能显得尤为重要。采用有效的控制策略提升变换器的动态性能成为电力电子领域的研究热点，其中数字控制方式更容易实现先进、复杂和智能的控制策略使变换器获得优良的动态性能，并且允许设计者在线对算法进行修正而无需改动外围电路，具有很强的灵活性。常规模糊逻辑控制器需要检测DC-DC变换器输出电压相对于期望值的偏差以及偏差的变化率，将二者作为输入变量，根据事先设计好的模糊推理规则计算出在当前变换器工作条件下PID参数的改变量，从而对PID控制器进行自适应调节，使变换器的动态性能相对于采用传统线性控制策略得到显著提升。在模糊控制器的工程应用中，通常将各个输入变量分别划分为7个模糊子集，因此对于常规的双输入模糊控制器，需要有49条模糊规则来处理所有的输入组合。庞大的模糊规则库以及复杂的推理决策和解模糊操作需要占用大量的硬件资源，而DC-DC变换器要求控制器在一个开关周期内完成复杂的运算过程，这在高频开关电源领域对处理器的运算能力提出了挑战。常规的双输入模糊逻辑控制器需要两个输入信号，因此模糊规则数目与输入变量的模糊子集数目成平方关系，通过减少模糊子集的数目虽然可以减少模糊规则的数量，但同时会降低控制性能。这就要求对算法的模糊规则和推理过程进行简化，在不降低双输入模糊PID算法控制性能的前提下有效减少其硬件资源占有率和运算负荷。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种Buck型DC-DC变换器的单输入模糊PID控制方法，以较小的硬件资源占有率使变换器获得优良的动态性能。本专利技术采取的技术方案如下：一种Buck型DC-DC变换器的单输入模糊PID控制方法，基于包括依次连接的模数转换器ADC、数字控制器、数字脉宽调制器DPWM和驱动模块Driver构成的控制系统，该控制系统与Buck型DC/DC变换器的主拓扑串联构成闭环，其特征在于：数字控制器采用单输入模糊PID控制器，运用一维单输入模糊PID控制算法替代二维双输入模糊PID控制算法，包括模糊化模块、降维模块、单输入模糊逻辑控制器模块和PID控制模块；模数转换器ADC采样不同周期时刻的主拓扑输出电压后与参考电压Vref相减后经延迟、加法器后产生数字化偏差信号e[n]和数字化偏差变化量信号ec[n]，接着在模糊化模块中将数字化偏差信号e[n]及数字化偏差变化量信号ec[n]进行模糊化处理，模糊化处理后的结果通过降维模块进行降维处理，将二维的双输入输入变量转化为一维的单输入变量ds，之后，通过单输入模糊逻辑控制器模块对一维的单输入变量进行模糊推理和解模糊后得到Kp、Ki和Kd三个参数值输出给PID控制模块，PID控制模块根据Kp、Ki和Kd三个参数计算得到相应的占空比命令信号送至数字脉冲宽度调制模块，再经驱动模块后输出占空比可变的方波信号，用来控制变换器主拓扑中两个互补的MOS功率管M1、M2的导通和关断时间，从而调节DC/DC变换器的输出电压值；然后再次对主拓扑的输出电压进行ADC采样转换，重复上述过程进行循环控制直至系统稳定，使之趋近于期望参考电压值。上述单输入模糊PID控制方法包括以下步骤：(1)变换器的输出电压uo(t)经模数转换器ADC得到模拟输出电压Vo[t]并将其转换为数字电压信号Vo[n]，将数字电压信号Vo[n]与参考电压Vref相减后经延迟、加法器后得到当前采样周期的数字化偏差信号即电压误差值e[n]并予以记录，同时将当前误差记录与上一次误差记录相减得到数字化偏差变化量信号即误差偏差值ec[n]，将e[n]及ec[n]两个信号输出至数字控制器中的模糊化模块，模糊化模块中将e[n]及ec[n]进行模糊化，把模糊化的数字化偏差信号和数字化偏差变化量信号输出至降维模块；(2)降维模块采用符号距离法对(1)中所得到的两个输入变量(e，ec)进行降维处理，用单输入变量ds代替，其中单输入变量ds代表二维模糊规则表中任何一条对角线到主对角线LZO的距离，用遗传算法算出参数λ的最优解，从而算得ds的取值；包括以下步骤：1)设二维模糊主对角线LZO的直线方程为ec+λe＝0，其中λ表示主对角线的斜率，则任一条对角线到主对角线的距离为：2)采用MATLAB实现遗传算法的参数λ寻优a)确定参数λ的解空间与编解码方式基于双输入模糊PID和单输入模糊PID控制算法的变换器响应曲线相互偏离较为严重，参数λ的取值空间确定为[0,16]，采用长度为10的二进制编码串来表示参数λ，记为λBi，其中高四位代表整数部分，低六位表示小数部分，则从0000000000到1111111111之间的离散二进制编码串依次对应于0到15.984375之间的十进制数值，构成了染色体编码方式，解码时需要将10位长的二进制编码串λBi转换为对应的解空间内的十进制数λi，根据个体编码方式和解空间的定义得到解码公式为：λi=Σj=110λBi(j)×24-j---(2)]]>b)确定个体评价适配函数参数λ的选取原则是使基于单输入模糊PID和双输入模糊PID控制算法的DC-DC变换器具有等价的性能，即两条系统响应曲线应尽可能重合，将同一时刻下两种算法控制的变换器输出电压进行比较得到偏差信号vd，选取偏差信号vd绝对值的最大值Md和时间偏差绝对值的积分值ITAE作为指标构成评价个体优劣的适配函数F(λ)，式(5)中参数选取为ω1＝1，ω2＝1000，对参数λ的寻优即为求目标函数J(λ)的最小值；Md＝max|vd(t)|(3)ITAE＝∫t|vd(t)|dt(4)F(λ)=1ω1Md+ω2ITAE---(5)]]>J(λ)=1F(λ)---(6)]]>c)设定遗传算子使用单点交叉算子作为交叉运算方式，在交换点将双亲的染色体截断并互换尾部，交叉概率Pc决定下一代种群中新个体的产生速度，取为0.4～0.99，变异运算决定种群在进化过程中的多样性，从而影响解的质量，为了在尽可能大的空间中获得质量较高的优化解，而又不使得算法收敛速度过慢，变异概率Pm取为0.0001～0.1；为了保证初始种群的个体在解空间内均匀分布，采用随机方式生成染色体的每一位基因，如果初始种群过大，会影响算法的收敛速度，反之，会降低个体的多样性及寻优结果的质量，选择初始种群大小M＝20，终止进化代数G决定优化算法的迭代终点，当种群的进化代数达到G时，将当前种群中的最优个体输出作为优化解，为了兼顾算法的收敛速度和优化解的质量，终止代数取为100～500；(3)将单输入变量ds划分为7个模糊子集：LNB，LNM，LNS，LZO，LPS，LPM，LPB，其隶属函数拐点参数与e、es保持一致。这样就将二维Toeplitz型模糊规则表简化为一维向量，为进一步降低得到的单输入模糊PID控制器的运算复杂本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种Buck型DC‑DC变换器的单输入模糊PID控制方法，基于包括依次连接的模数转换器ADC、数字控制器、数字脉宽调制器DPWM和驱动模块Driver构成的控制系统，该控制系统与Buck型DC/DC变换器的主拓扑串联构成闭环，其特征在于：数字控制器采用单输入模糊PID控制器，运用一维单输入模糊PID控制算法替代二维双输入模糊PID控制算法，包括模糊化模块、降维模块、单输入模糊逻辑控制器模块和PID控制模块；模数转换器ADC采样不同周期时刻的主拓扑输出电压后与参考电压Vref相减后经延迟、加法器后产生数字化偏差信号e[n]和数字化偏差变化量信号ec[n]，接着在模糊化模块中将数字化偏差信号e[n]及数字化偏差变化量信号ec[n]进行模糊化处理，模糊化处理后的结果通过降维模块进行降维处理，将二维的双输入输入变量转化为一维的单输入变量ds，之后，通过单输入模糊逻辑控制器模块对一维的单输入变量进行模糊推理和解模糊后得到Kp、Ki和Kd三个参数值输出给PID控制模块，PID控制模块根据Kp、Ki和Kd三个参数计算得到相应的占空比命令信号送至数字脉冲宽度调制模块，再经驱动模块后输出占空比可变的方波信号，用来控制变换器主拓扑中两个互补的MOS功率管M1、M2的导通和关断时间，从而调节DC/DC变换器的输出电压值；然后再次对主拓扑的输出电压进行ADC采样转换，重复上述过程进行循环控制直至系统稳定，使之趋近于期望参考电压值。...

【技术特征摘要】
1.一种Buck型DC-DC变换器的单输入模糊PID控制方法，基于包括依次连接的模数转换器ADC、数字控制器、数字脉宽调制器DPWM和驱动模块Driver构成的控制系统，该控制系统与Buck型DC/DC变换器的主拓扑串联构成闭环，其特征在于：数字控制器采用单输入模糊PID控制器，运用一维单输入模糊PID控制算法替代二维双输入模糊PID控制算法，包括模糊化模块、降维模块、单输入模糊逻辑控制器模块和PID控制模块；模数转换器ADC采样不同周期时刻的主拓扑输出电压后与参考电压Vref相减后经延迟、加法器后产生数字化偏差信号e[n]和数字化偏差变化量信号ec[n]，接着在模糊化模块中将数字化偏差信号e[n]及数字化偏差变化量信号ec[n]进行模糊化处理，模糊化处理后的结果通过降维模块进行降维处理，将二维的双输入输入变量转化为一维的单输入变量ds，之后，通过单输入模糊逻辑控制器模块对一维的单输入变量进行模糊推理和解模糊后得到Kp、Ki和Kd三个参数值输出给PID控制模块，PID控制模块根据Kp、Ki和Kd三个参数计算得到相应的占空比命令信号送至数字脉冲宽度调制模块，再经驱动模块后输出占空比可变的方波信号，用来控制变换器主拓扑中两个互补的MOS功率管M1、M2的导通和关断时间，从而调节DC/DC变换器的输出电压值；然后再次对主拓扑的输出电压进行ADC采样转换，重复上述过程进行循环控制直至系统稳定，使之趋近于期望参考电压值。2.根据权利要求1所述的Buck型DC-DC变换器的单输入模糊PID控制方法，包括以下步骤：(1)变换器的输出电压uo(t)经模数转换器ADC得到模拟输出电压Vo[t]并将其转换为数字电压信号Vo[n]，将数字电压信号Vo[n]与参考电压Vref相减后经延迟、加法器后得到当前采样周期的数字化偏差信号即电压误差值e[n]并予以记录，同时将当前误差记录与上一次误差记录相减得到数字化偏差变化量信号即误差偏差值ec[n]，将e[n]及ec[n]两个信号输出至数字控制器中的模糊化模块，模糊化模块中将e[n]及ec[n]进行模糊化，把模糊化的数字化偏差信号和数字化偏差变化量信号输出至降维模块；(2)降维模块采用符号距离法对(1)中所得到的两个输入变量(e，ec)进行降维处理，用单输入变量ds代替，其中单输入变量ds代表二维模糊规则表中任何一条对角线到主对角线LZO的距离，用遗传算法算出参数λ的最优解，从而算得ds的取值；包括以下步骤：1)设二维模糊主对角线LZO的直线方程为ec+λe＝0，其中λ表示主对角线的斜率，则任一条对角线到主对角线的距离为：2)采用MATLAB实现遗传算法的参数λ寻优a)确定参数λ的解空间与编解码方式基于双输入模糊PID和单输入模糊PID控制算法的变换器响应曲线相互偏离较为严重，参数λ的取值空间确定为[0,16]，采用长度为10的二进制编码串来表示参数λ，记为λBi，其中高四位代表整数部分，低六位表示小数部分，则从0000000000到1111111111之间的离散二进制编码串依次对应于0到15.984375之间的十进制数值，构成了染色体编码方式，解码时需要将10位长的二进制编码串λBi转换为对应的解空间内的十进制数λi，根据个体编码方式和解空间的定义得到解码公式为：λi=Σj=110λBi(j)×24-j---(2)]]>b)确定个体评价适配函数参数λ的选取原则是使基于单输入模糊PID和双输入模糊PID控制算法的DC...

【专利技术属性】
技术研发人员：常昌远，曹子轩，洪潮，唐瑞，李振，张治学，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32