一款基于DSP的逆變電源模糊PID控制

引言

由于逆變器傳遞函數(shù)不易得到，而且電壓輸出經(jīng)常波動，傳統(tǒng)的單純PID控制難以達到快速和穩(wěn)定的響應(yīng)，而模糊控制與PID相結(jié)合的控制方法，通過對誤差量的變化實時分析，調(diào)整PID參數(shù)，達到快速響應(yīng)和無差跟蹤，可實現(xiàn)逆變電源的高精度實時控制。

模糊控制系統(tǒng)原理

模糊PID控制器以電壓偏差e 和偏差變化量ec作為輸入，PID 參數(shù)模糊自整定是找出PID 三個參數(shù)與e 和ec 之間的模糊關(guān)系，在程序運行中通過不斷檢測e 和ec，根據(jù)模糊控制原理對三個參數(shù)進行在線修改，以滿足不同e 和ec 對控制參數(shù)的不同要求，從而使被控對象有良好的動、靜態(tài)性能。其在線自校正工作流程如圖1所示。

圖中：ki、kp、kd分別為積分增益系數(shù)、比例增益系數(shù)和微分增益系數(shù)。

1、PID調(diào)整控制器

圖1 中r 為給定參考電壓，u 是逆變器實際輸出電壓，e 是偏差信號，ec 是偏差變化率。模擬形式的PID控制算式為

本文采用TMSLF2407實現(xiàn)數(shù)字PID控制，對式(1)進行離散化，可得到式(2)PID 控制的離散形式，為了增加系統(tǒng)的可靠性，采用增量式PID控制算式，式(2)為第k 次PID控制器的輸出量，減去第k-1次PID 控制器的輸出量即可得到式(3)增量式PID 控制算式。

2、模糊PID的實現(xiàn)

DC轅AC逆變電源控制的主要是輸出電壓及頻率的準(zhǔn)確性。頻率的準(zhǔn)確性由PWM發(fā)生器決定(它是一個存貯在存儲器內(nèi)的一個正弦輸出表格)，只要觸發(fā)計算準(zhǔn)確就能達到設(shè)計要求。負載的變化使輸出電流產(chǎn)生變化，對于一定脈寬輸出的DC轅 AC電源來說，勢必導(dǎo)致輸出電壓的變化。因此采用模糊控制規(guī)則根據(jù)不同的渣e渣和渣ec渣，對PID控制器的參數(shù)kp、ki、kd進行在線自整定來調(diào)節(jié)輸出電壓。模糊控制器的輸入變量是偏差絕對值渣E渣、偏差變化率絕對值渣EC渣，模糊控制器的輸出是PID 控制器的比例增益系數(shù)KP、積分增益系數(shù)KI和微分增益系數(shù)KD。本文采用CRI(Compositional Rule of Inference)推理法設(shè)計模糊規(guī)則，為了在實時控制中避免關(guān)系矩陣的合成運算，先在脫機狀態(tài)下把所有可能的輸入和輸出情況計算出來，形成一張控制表去執(zhí)行控制，控制表是以整數(shù)形式表示的，為了能產(chǎn)生控制表，在CRI推理法中把語言變量的論域轉(zhuǎn)換成有限整數(shù)的論域，本質(zhì)上是把連續(xù)論域離散后產(chǎn)生離散論域。采用式(5)可以將連續(xù)域離散化到整數(shù)論域N。

本文中，各語言變量的擋數(shù)均為4 擋(零、小、中、大)，因此取整數(shù)論域N 為{0，1，2，3，4，5，6}。此時，如圖2所示，可取語言變量值4擋如下：

大(L)———取在5、6附近

中(M)———取在3、4附近

小(S)———取在1、2附近

零(Z)———取在0附近

在本文中利用CRI法推理時，控制過程是用查控制表來產(chǎn)生控制量的，在控制表中，模糊偏差量渣E渣、模糊偏差變化率渣EC渣，PID控制器的模糊比例增益系數(shù)KP、模糊積分增益系數(shù)KI和模糊微分增益系數(shù)KD都是用其對應(yīng)整數(shù)論域的元素來表示的。對于單個實時精確量利用式(5)，得到的結(jié)果再四舍五入，就求出了對應(yīng)整數(shù)論域的相應(yīng)元素，從而實現(xiàn)了輸入量的模糊化。

針對不同的e 和ec，kp，ki，kd的整定原則為：

1)當(dāng)渣e渣較大時，為使系統(tǒng)具有較好的跟蹤性能，應(yīng)取較大的kp與較小的kd，同時為避免系統(tǒng)響應(yīng)出現(xiàn)較大的超調(diào)，應(yīng)對積分作用加以限制，通常取ki=0。

2)當(dāng)渣e渣和渣ec渣中等大小時，為使系統(tǒng)具有較小的超調(diào)，kp應(yīng)取小一些，在這種情況下，kd的取值對系統(tǒng)的影響較大，應(yīng)取小一些，ki的取值要適當(dāng)。

3)當(dāng)渣e渣較小時，為使系統(tǒng)具有較好的穩(wěn)定性能，kp和ki 均應(yīng)取大些，同時為避免系統(tǒng)在設(shè)定值時出現(xiàn)振蕩，并考慮系統(tǒng)抗干擾的性能，當(dāng)渣ec渣較大時，kd可取小些;渣ec渣較小時kd可取得較大些。

根據(jù)以上整定原則和總結(jié)工程設(shè)計人員的技術(shù)知識和操作經(jīng)驗，建立了表1所列的模糊規(guī)則表。

式中：k 為模糊控制中對模糊量進行反模糊化時的比例因子。 3、DSP 軟件算法實現(xiàn)

為了保證模糊PID控制的實時性和準(zhǔn)確性，DSP在A/D采樣的中斷子程序中就調(diào)用模糊PID控制算法程序，立即計算出輸出控制量并送到被控對象，根據(jù)TMSLF2407 的性能，機器時鐘周期和中斷延時可以計算出本系統(tǒng)從采樣當(dāng)前實際輸出值到輸出控制量大約需要6.67 滋s ，這對于1ms一次的采樣來說是足夠的，完全滿足實時性要求。程序流程圖如圖3所示。

下面是部分程序。

執(zhí)行PID控制

PID_Control：

SETC SXM

SETC OVM

SPM #O

LDP #4

LACL ADRESULTSACL PID_input

DALL Fuzzy_PID_table

反模糊變化程序

Fuzzy_PI_end：

LT k1

MPY Fuzzy_K

PAC

SACL Kp

LT k2

MPY Fuzzy_K

PAC

SACL Ki

LT k3

MPY Fuzzy_K

PAC

SACL K

RET

實驗結(jié)果

圖4為實驗波形，其中(a)、(b )為PID控制時突減負載、突加負載時的電壓波形。(c)、(d )為模糊PID控制時突減負載、突加負載的電壓波形，從實驗結(jié)果可以看出采用模糊PID控制的方法與一般的PID 控制方法相比具有動態(tài)響應(yīng)速度快、超調(diào)小，輸出穩(wěn)定后其幅值變化很小，突加、減負載時電壓變化幅值小的優(yōu)點，因而能更有效地抑制負載突變或外界干擾對電壓的影響。

1)模糊PID控制器既具有模糊控制的自適應(yīng)能力，又具有PID控制器靈活性的特點。

2)模糊控制作為一種智能控制方法，在逆變電源電壓控制應(yīng)用中獲得了較好的控制效果，具有控制精度高，實時性、穩(wěn)態(tài)輸出特性好等優(yōu)點。

3)采用DSP控制系統(tǒng)在滿足逆變電源控制的要求下，具有成本低、控制靈活、可靠性高的特點。