CN106094507A - 一种节省硬件资源的数字电源模糊自适应pid控制器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种节省硬件资源的数字电源模糊自适应PID控制器，包括模糊控制模块和PID控制模块；所述模糊控制模块根据行索引值和列索引值在范围缩小的模糊控制查找表中查找出PID控制模块需要的比例因子，模糊控制模块包括误差信号预处理模块和模糊控制查找表模块：所述误差信号预处理模块根据输入量确定模糊控制查找表的行索引值和列索引值；所述模糊控制查找表模块存储范围缩小的模糊控制查找表，根据输入量的论域范围和量化因子缩小模糊控制查找表的范围。本发明根据模糊控制的输入量化因子及输入语言变量的论域范围缩减了模糊控制查找表的大小，在不影响模糊控制效果的同时可以大大减小控制查找表的大小，节省硬件资源。

Description

一种节省硬件资源的数字电源模糊自适应PID控制器

技术领域

本发明涉及一种节省硬件资源的数字电源模糊自适应PID控制器，属于数字电源控制器技术。

背景技术

数字电源具有体积小、易于集成、稳定性高、抗干扰能力强和控制方式灵活等优点，是近年来电源领域的研究热点。而控制器作为数字电源的关键模块，负责产生数字控制信号，其性能直接影响数字电源的稳定性和动态响应速度，因此设计高性能的控制器具有重要意义。

如图1所示为常见的基于模糊自适应PID控制器的数字电源系统框图，在该图中V_o是Buck功率级的输出电压，V_ref是参考电压(即输出电压的设定值)，e(t)是输出电压的误差信号(即参考电压V_ref与输出电压V_o的差值)，e(k)为离散误差信号，d(k)为模糊自适应PID控制器输出的离散控制补偿信号。模数转换器ADC将误差信号e(t)转换成离散误差信号e(k)，然后模糊自适应PID控制器根据离散误差信号e(k)的大小计算出相应的离散控制补偿信号d(k)，数字脉冲宽度调制器DPWM则根据离散控制补偿信号d(k)产生相应的占空比信号使得Buck功率级输出电压稳定在参考电压附近。

如果模糊系统的模糊化和清晰化等组成部分都用HDL代码实现，这样模糊控制器的运算处理时间将会比较长，影响控制系统的实时性。以加权平均法清晰化运算为例，如果用HDL代码实现该运算需要使用多个加法器、乘法器和一个除法器，这将会占用较多芯片资源，而且计算比较耗时。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种节省硬件资源的数字电源模糊自适应PID控制器，在不影响控制器控制效果的同时减少模糊自适应PID控制器所占用的硬件资源。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种节省硬件资源的数字电源模糊自适应PID控制器，包括模糊控制模块和PID控制模块；所述模糊控制模块根据行索引值和列索引值在范围缩小的模糊控制查找表中查找出PID控制模块需要的比例因子，模糊控制模块包括误差信号预处理模块和模糊控制查找表模块：所述误差信号预处理模块根据输入量确定模糊控制查找表的行索引值和列索引值；所述模糊控制查找表模块存储范围缩小的模糊控制查找表，根据输入量的论域范围和量化因子缩小模糊控制查找表的范围。

具体的，所述输入量包括误差信号和误差信号的变化，误差信号预处理模块根据误差信号确定模糊控制查找表的行索引值，根据误差信号的变化确定模糊控制查找表的列索引值；所述误差信号的变化是连续两次误差信号的差值。

具体的，对于一个N位的数字电源系统，其离散误差信号的范围为[-2^N-1,2^N-1-1]，离散误差信号的变化的范围为[-2^N-1+1,2^N-1-1]；据此建立的模糊控制查找表行索引值的范围为[-2^N-1,2^N-1-1]，列索引值的范围为[-2^N-1+1,2^N-1-1]；

设定输入量的论域范围为[A,B]，误差信号的量化因子为α，误差信号的变化的量化因子为β，计算误差信号的不饱和范围为[H₁,H₂]，计算误差信号的变化的不饱和范围为[L₁,L₂]；则范围缩小的模糊控制查找表在模糊控制查找表的如下区域：行索引值的范围为[H₁,H₂]，列索引值的范围为[L₁,L₂]；其中H₁、H₂、L₁和L₂分别为A/α、B/α、A/β和B/β所得结果取整后的数值。

有益效果：本发明提供的节省硬件资源的数字电源模糊自适应PID控制器，根据模糊控制的输入量化因子及输入语言变量的论域范围缩减了模糊控制查找表的大小，在不影响模糊控制效果的同时可以大大减小控制查找表的大小，节省硬件资源。

附图说明

图1为现有的基于模糊自适应PID控制器的数字电源系统框图；

图2为现有的模糊自适应PID控制器Simulink模型图；

图3为用于生成模糊控制查找表的Simulink模型；

图4为本发明的节省硬件资源的数字电源模糊自适应PID控制器系统框图；

图5为本发明的节省硬件资源的数字电源模糊自适应PID控制器Simulink模型图；

图6为基于本发明的数字电源系统的启动及负载阶跃仿真结果。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

如图2所示为现有的模糊自适应PID控制器Simulink模型图，其中Ke和Kec是输入量的量化因子，KΔKp、KΔKi和KΔKd是输出的比例因子。在数字电源系统中，由于模拟误差信号经过模数转换器ADC采样量化编码后变成了离散值，假设模数转换器ADC位数为N位，这样离散误差信号的范围为[-2^N-1,2^N-1-1](一共有2^N种离散值)，相应的离散误差信号的变化的范围为[-2^N-1+1,2^N-1-1](一共有2^N+1-1种离散值)，因此可以针对模糊控制模块输入误差信号离散值和误差信号的变化离散值的不同组合离线计算出相应的控制量(即PID控制模块的三个参数值)，从而将所有可能的控制量的结果组成模糊控制查找表，在数字电源系统实际工作中只需要直接查询这张模糊控制查找表即可，减少了在线运算量，比较容易满足实时控制的要求。

以8位模数转换器为例，如果按照整个误差和误差变化的范围来生成模糊控制查找表，将会生成一个大小为256×511的控制查找表，该查找表耗费资源比较多。假设模糊控制模块输入变量的论域为[-3,3]，而误差信号的量化因子Ke和误差信号的变化的量化因子Kec分别为0.234和0.156，因此当误差信号和误差信号的变化分别超过了[-13,13]和[-20,20]的范围时，模糊控制模块的输入就达到了饱和的状态，这也意味着只需要生成一个大小为27×41的控制查找表即可，这样在不影响模糊控制效果的同时可以大大减小控制查找表的大小，节省硬件资源。

如图3所示是用于生成模糊控制查找表的Simulink模型，为了得到在不同输入误差e和误差变化ec组合下的模糊控制输出，在MATLAB中编写M脚本，将输入误差e和误差变化ec作为循环变量，在for循环中使用set_param命令改变Simulink模型中误差模块e及误差变化模块ec的设置值，然后使用sim命令执行Simulink模型文件，将得到的Valve_A、Value_B和Value_C输出值存入相应的Table_A、Table_B和Table_C查找表中。这样，通过执行该M脚本文件，即可得到Table_A、Table_B和Table_C模糊控制查找表，在这些查找表中误差e均为行向量，误差变化ec均为列向量。循环变量e从-13到13每次加1递增，而循环变量ec从-20到20每次加1递增，最后生成的是27×41模糊控制查找表。

将执行M脚本后所得到的三张模糊控制查找表数据作为Simulink中Lookup Table模块的Table data，即可得到如图5所示的节省硬件资源的数字电源模糊自适应PID控制器Simulink模型图。在该图所示的模型中，e_Limits饱和模块将输入误差e做饱和处 理，使误差e的范围为[-13,13]，然后将其与常数值14相加，相加结果作为查找表行向量的索引值；ec_Limits饱和模块将输入误差变化ec做饱和处理，使误差变化ec的范围为[-20,20]，然后将其与常数值21相加，相加结果作为查找表列向量的索引值。这样，在数字电源系统工作的过程中，在每一个开关周期根据误差e及误差变化ec，就可以在模糊控制查找表Table_A、Table_B和Table_C中找到对应的PID控制模块的参数值，完成PID控制模块参数的在线整定。

图6为基于本发明的数字电源系统的启动及负载阶跃仿真结果，从图中可以看出系统稳定工作，在电源启动阶段过冲很小，当负载从15A阶跃到30A时，系统的瞬态响应时间为15μs；稳态时，数字电源的输出电压纹波为11.8mV。因此本发明的节省硬件资源的数字电源模糊自适应PID控制器，在不影响模糊控制效果的同时可以大大减小控制查找表的大小，节省硬件资源。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种节省硬件资源的数字电源模糊自适应PID控制器，其特征在于：包括模糊控制模块和PID控制模块；所述模糊控制模块根据行索引值和列索引值在范围缩小的模糊控制查找表中查找出PID控制模块需要的比例因子，模糊控制模块包括误差信号预处理模块和模糊控制查找表模块：所述误差信号预处理模块根据输入量确定模糊控制查找表的行索引值和列索引值；所述模糊控制查找表模块存储范围缩小的模糊控制查找表，根据输入量的论域范围和量化因子缩小模糊控制查找表的范围。

2.根据权利要求1所述的节省硬件资源的数字电源模糊自适应PID控制器，其特征在于：所述输入量包括误差信号和误差信号的变化，误差信号预处理模块根据误差信号确定模糊控制查找表的行索引值，根据误差信号的变化确定模糊控制查找表的列索引值；所述误差信号的变化是连续两次误差信号的差值。

3.根据权利要求1所述的节省硬件资源的数字电源模糊自适应PID控制器，其特征在于：对于一个N位的数字电源系统，其离散误差信号的范围为[-2^N-1,2^N-1-1]，离散误差信号的变化的范围为[-2^N-1+1,2^N-1-1]；据此建立的模糊控制查找表行索引值的范围为[-2^N-1,2^{N -1}-1]，列索引值的范围为[-2^N-1+1,2^N-1-1]；

设定输入量的论域范围为[A,B]，误差信号的量化因子为α，误差信号的变化的量化因子为β，计算误差信号的不饱和范围为[H₁,H₂]，计算误差信号的变化的不饱和范围为[L₁,L₂]；则范围缩小的模糊控制查找表在模糊控制查找表的如下区域：行索引值的范围为[H₁,H₂]，列索引值的范围为[L₁,L₂]；其中H₁、H₂、L₁和L₂分别为A/α、B/α、A/β和B/β所得结果取整后的数值。