一種節(jié)省硬件資源的數(shù)字電源模糊自適應(yīng)pid控制器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種節(jié)省硬件資源的數(shù)字電源模糊自適應(yīng)PID控制器，包括模糊控制模塊和PID控制模塊；所述模糊控制模塊根據(jù)行索引值和列索引值在范圍縮小的模糊控制查找表中查找出PID控制模塊需要的比例因子，模糊控制模塊包括誤差信號(hào)預(yù)處理模塊和模糊控制查找表模塊：所述誤差信號(hào)預(yù)處理模塊根據(jù)輸入量確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塊存儲(chǔ)范圍縮小的模糊控制查找表，根據(jù)輸入量的論域范圍和量化因子縮小模糊控制查找表的范圍。本發(fā)明根據(jù)模糊控制的輸入量化因子及輸入語(yǔ)言變量的論域范圍縮減了模糊控制查找表的大小，在不影響模糊控制效果的同時(shí)可以大大減小控制查找表的大小，節(jié)省硬件資源。
【專利說(shuō)明】
一種節(jié)省硬件資源的數(shù)字電源模糊自適應(yīng)PID控制器
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及一種節(jié)省硬件資源的數(shù)字電源模糊自適應(yīng)PID控制器，屬于數(shù)字電源控制器技術(shù)。
【背景技術(shù)】
[0002]數(shù)字電源具有體積小、易于集成、穩(wěn)定性高、抗干擾能力強(qiáng)和控制方式靈活等優(yōu)點(diǎn)，是近年來(lái)電源領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。而控制器作為數(shù)字電源的關(guān)鍵模塊，負(fù)責(zé)產(chǎn)生數(shù)字控制信號(hào)，其性能直接影響數(shù)字電源的穩(wěn)定性和動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度，因此設(shè)計(jì)高性能的控制器具有重要意義。
[0003]如圖1所示為常見(jiàn)的基于模糊自適應(yīng)PID控制器的數(shù)字電源系統(tǒng)框圖，在該圖中V。是Buck功率級(jí)的輸出電壓，Vraf是參考電壓(即輸出電壓的設(shè)定值)，e(t)是輸出電壓的誤差信號(hào)(即參考電壓Vre3f與輸出電壓V。的差值)，e(k)為離散誤差信號(hào)，d(k)為模糊自適應(yīng)PID控制器輸出的離散控制補(bǔ)償信號(hào)。模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC將誤差信號(hào)e(t)轉(zhuǎn)換成離散誤差信號(hào)e(k)，然后模糊自適應(yīng)PID控制器根據(jù)離散誤差信號(hào)e(k)的大小計(jì)算出相應(yīng)的離散控制補(bǔ)償信號(hào)d(k)，數(shù)字脈沖寬度調(diào)制器DPffM則根據(jù)離散控制補(bǔ)償信號(hào)d(k)產(chǎn)生相應(yīng)的占空比信號(hào)使得Buck功率級(jí)輸出電壓穩(wěn)定在參考電壓附近。
[0004]如果模糊系統(tǒng)的模糊化和清晰化等組成部分都用HDL代碼實(shí)現(xiàn)，這樣模糊控制器的運(yùn)算處理時(shí)間將會(huì)比較長(zhǎng)，影響控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。以加權(quán)平均法清晰化運(yùn)算為例，如果用HDL代碼實(shí)現(xiàn)該運(yùn)算需要使用多個(gè)加法器、乘法器和一個(gè)除法器，這將會(huì)占用較多芯片資源，而且計(jì)算比較耗時(shí)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]發(fā)明目的:為了克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，本發(fā)明提供一種節(jié)省硬件資源的數(shù)字電源模糊自適應(yīng)PID控制器，在不影響控制器控制效果的同時(shí)減少模糊自適應(yīng)PID控制器所占用的硬件資源。
[0006]技術(shù)方案:為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為:
[0007]—種節(jié)省硬件資源的數(shù)字電源模糊自適應(yīng)PID控制器，包括模糊控制模塊和PID控制模塊;所述模糊控制模塊根據(jù)行索引值和列索引值在范圍縮小的模糊控制查找表中查找出PID控制模塊需要的比例因子，模糊控制模塊包括誤差信號(hào)預(yù)處理模塊和模糊控制查找表模塊:所述誤差信號(hào)預(yù)處理模塊根據(jù)輸入量確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塊存儲(chǔ)范圍縮小的模糊控制查找表，根據(jù)輸入量的論域范圍和量化因子縮小模糊控制查找表的范圍。
[0008]具體的，所述輸入量包括誤差信號(hào)和誤差信號(hào)的變化，誤差信號(hào)預(yù)處理模塊根據(jù)誤差信號(hào)確定模糊控制查找表的行索引值，根據(jù)誤差信號(hào)的變化確定模糊控制查找表的列索引值;所述誤差信號(hào)的變化是連續(xù)兩次誤差信號(hào)的差值。
[0009]具體的，對(duì)于一個(gè)N位的數(shù)字電源系統(tǒng)，其離散誤差信號(hào)的范圍為[-2^,2^1]，離散誤差信號(hào)的變化的范圍為[-2^+1，2N—Il];據(jù)此建立的模糊控制查找表行索引值的范圍為[-2^,2^1]，列索引值的范圍為[_2n—41,2^-1];
[0010]設(shè)定輸入量的論域范圍為[A，B]，誤差信號(hào)的量化因子為α，誤差信號(hào)的變化的量化因子為β，計(jì)算誤差信號(hào)的不飽和范圍為[H1, H2],計(jì)算誤差信號(hào)的變化的不飽和范圍為[Li1L2];則范圍縮小的模糊控制查找表在模糊控制查找表的如下區(qū)域:行索引值的范圍為[H1，H2 ]，列索引值的范圍為[L1，L2 ];其中H1、H2、LjPL2分另Ij為Α/α、Β/α、Α/β和Β/β所得結(jié)果取整后的數(shù)值。
[0011]有益效果:本發(fā)明提供的節(jié)省硬件資源的數(shù)字電源模糊自適應(yīng)PID控制器，根據(jù)模糊控制的輸入量化因子及輸入語(yǔ)言變量的論域范圍縮減了模糊控制查找表的大小，在不影響模糊控制效果的同時(shí)可以大大減小控制查找表的大小，節(jié)省硬件資源。
【附圖說(shuō)明】
[0012]圖1為現(xiàn)有的基于模糊自適應(yīng)PID控制器的數(shù)字電源系統(tǒng)框圖；
[0013]圖2為現(xiàn)有的模糊自適應(yīng)PID控制器Simulink模型圖；
[0014]圖3為用于生成模糊控制查找表的Simulink模型；
[0015]圖4為本發(fā)明的節(jié)省硬件資源的數(shù)字電源模糊自適應(yīng)PID控制器系統(tǒng)框圖；
[0016]圖5為本發(fā)明的節(jié)省硬件資源的數(shù)字電源模糊自適應(yīng)PID控制器Simulink模型圖；
[0017]圖6為基于本發(fā)明的數(shù)字電源系統(tǒng)的啟動(dòng)及負(fù)載階躍仿真結(jié)果。
【具體實(shí)施方式】
[0018]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作更進(jìn)一步的說(shuō)明。
[0019]如圖2所示為現(xiàn)有的模糊自適應(yīng)PID控制器Simulink模型圖，其中Ke和Kec是輸入量的量化因子，K △ Kp、K △ Ki和K Δ Kd是輸出的比例因子。在數(shù)字電源系統(tǒng)中，由于模擬誤差信號(hào)經(jīng)過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC采樣量化編碼后變成了離散值，假設(shè)模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC位數(shù)為N位，這樣離散誤差信號(hào)的范圍為[_2n—\2N—IlK—共有21巾離散值)，相應(yīng)的離散誤差信號(hào)的變化的范圍為[-2^+1，2N—IlK—共有2Ν+1-1種離散值)，因此可以針對(duì)模糊控制模塊輸入誤差信號(hào)離散值和誤差信號(hào)的變化離散值的不同組合離線計(jì)算出相應(yīng)的控制量(即PID控制模塊的三個(gè)參數(shù)值)，從而將所有可能的控制量的結(jié)果組成模糊控制查找表，在數(shù)字電源系統(tǒng)實(shí)際工作中只需要直接查詢這張模糊控制查找表即可，減少了在線運(yùn)算量，比較容易滿足實(shí)時(shí)控制的要求。
[0020]以8位模數(shù)轉(zhuǎn)換器為例，如果按照整個(gè)誤差和誤差變化的范圍來(lái)生成模糊控制查找表，將會(huì)生成一個(gè)大小為256 X 511的控制查找表，該查找表耗費(fèi)資源比較多。假設(shè)模糊控制模塊輸入變量的論域?yàn)閇_3，3]，而誤差信號(hào)的量化因子Ke和誤差信號(hào)的變化的量化因子Kec分別為0.234和0.156，因此當(dāng)誤差信號(hào)和誤差信號(hào)的變化分別超過(guò)了 [_13，13]和[-20，20]的范圍時(shí)，模糊控制模塊的輸入就達(dá)到了飽和的狀態(tài)，這也意味著只需要生成一個(gè)大小為27 X 41的控制查找表即可，這樣在不影響模糊控制效果的同時(shí)可以大大減小控制查找表的大小，節(jié)省硬件資源。
[0021]如圖3所示是用于生成模糊控制查找表的Simulink模型，為了得到在不同輸入誤差e和誤差變化ec組合下的模糊控制輸出，在MATLAB中編寫M腳本，將輸入誤差e和誤差變化ec作為循環(huán)變量，在for循環(huán)中使用set_param命令改變Simul ink模型中誤差模塊e及誤差變化模塊ec的設(shè)置值，然后使用sim命令執(zhí)行3;[1]1111;[111^模型文件，將得到的\^]^_4、'\^1116_B和Va 1仙_(:輸出值存入相應(yīng)的Tab I e_A、Tab I e_B和Tab I e_C查找表中。這樣，通過(guò)執(zhí)行該M腳本文件，即可得到1&1316_4、1&1316_8和1&1316_(:模糊控制查找表，在這些查找表中誤差6均為行向量，誤差變化ec均為列向量。循環(huán)變量e從-13到13每次加I遞增，而循環(huán)變量ec從-20到20每次加I遞增，最后生成的是27 X 41模糊控制查找表。
[0022]將執(zhí)行M腳本后所得到的三張模糊控制查找表數(shù)據(jù)作為Simulink中LookupTable模塊的Table data，即可得到如圖5所示的節(jié)省硬件資源的數(shù)字電源模糊自適應(yīng)PID控制器Simulink模型圖。在該圖所示的模型中，e_Limits飽和模塊將輸入誤差e做飽和處理，使誤差e的范圍為[-13，13]，然后將其與常數(shù)值14相加，相加結(jié)果作為查找表行向量的索引值；eC_Limits飽和模塊將輸入誤差變化ec做飽和處理，使誤差變化ec的范圍為[_20，20]，然后將其與常數(shù)值21相加，相加結(jié)果作為查找表列向量的索引值。這樣，在數(shù)字電源系統(tǒng)工作的過(guò)程中，在每一個(gè)開(kāi)關(guān)周期根據(jù)誤差e及誤差變化ec，就可以在模糊控制查找表Table_A、
中找到對(duì)應(yīng)的PID控制模塊的參數(shù)值，完成PID控制模塊參數(shù)的在線整定。
[0023]圖6為基于本發(fā)明的數(shù)字電源系統(tǒng)的啟動(dòng)及負(fù)載階躍仿真結(jié)果，從圖中可以看出系統(tǒng)穩(wěn)定工作，在電源啟動(dòng)階段過(guò)沖很小，當(dāng)負(fù)載從15A階躍到30A時(shí)，系統(tǒng)的瞬態(tài)響應(yīng)時(shí)間為15ys;穩(wěn)態(tài)時(shí)，數(shù)字電源的輸出電壓紋波為11.8mV。因此本發(fā)明的節(jié)省硬件資源的數(shù)字電源模糊自適應(yīng)PID控制器，在不影響模糊控制效果的同時(shí)可以大大減小控制查找表的大小，節(jié)省硬件資源。
[0024]以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出:對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤(rùn)飾，這些改進(jìn)和潤(rùn)飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種節(jié)省硬件資源的數(shù)字電源模糊自適應(yīng)PID控制器，其特征在于:包括模糊控制模塊和PID控制模塊;所述模糊控制模塊根據(jù)行索引值和列索引值在范圍縮小的模糊控制查找表中查找出PID控制模塊需要的比例因子，模糊控制模塊包括誤差信號(hào)預(yù)處理模塊和模糊控制查找表模塊:所述誤差信號(hào)預(yù)處理模塊根據(jù)輸入量確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塊存儲(chǔ)范圍縮小的模糊控制查找表，根據(jù)輸入量的論域范圍和量化因子縮小模糊控制查找表的范圍。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的節(jié)省硬件資源的數(shù)字電源模糊自適應(yīng)PID控制器，其特征在于:所述輸入量包括誤差信號(hào)和誤差信號(hào)的變化，誤差信號(hào)預(yù)處理模塊根據(jù)誤差信號(hào)確定模糊控制查找表的行索引值，根據(jù)誤差信號(hào)的變化確定模糊控制查找表的列索引值;所述誤差信號(hào)的變化是連續(xù)兩次誤差信號(hào)的差值。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的節(jié)省硬件資源的數(shù)字電源模糊自適應(yīng)PID控制器，其特征在于:對(duì)于一個(gè)N位的數(shù)字電源系統(tǒng)，其離散誤差信號(hào)的范圍為[-2^,2^1],離散誤差信號(hào)的變化的范圍為[-2^+1,2^-1];據(jù)此建立的模糊控制查找表行索引值的范圍為[In-1Jn—11 ]，列索引值的范圍為[-2^+1，2N—Il]; 設(shè)定輸入量的論域范圍為[A，B]，誤差信號(hào)的量化因子為α，誤差信號(hào)的變化的量化因子為β，計(jì)算誤差信號(hào)的不飽和范圍為[H1, H2],計(jì)算誤差信號(hào)的變化的不飽和范圍為[U，L2]；則范圍縮小的模糊控制查找表在模糊控制查找表的如下區(qū)域:行索引值的范圍為[H1，H2 ]，列索引值的范圍為[L1，L2 ];其中H1、H2、!^和“分別為Α/α、Β/α、Α/β和Β/β所得結(jié)果取整后的數(shù)值。
【文檔編號(hào)】G05B11/42GK106094507SQ201610367374
【公開(kāi)日】2016年11月9日
【申請(qǐng)日】2016年5月30日
【發(fā)明人】吳建輝, 孟楠, 鄒萌, 錢文明, 徐力, 陳超, 黃成 , 李紅
【申請(qǐng)人】東南大學(xué)