基于DSP 的逆变电源模糊 PID 控制

1、基于DSP 的逆变电源模糊PID 控制荣雅君 李进兵 董 杰 安刚虎燕山大学电气工程学院 河北秦皇岛 066004摘 要 介绍了逆变电源电压控制原理，给出了采用模糊PID 控制方法来提高逆变电源输出电压质量的控制策略，并详细地介绍了这种策略的实现方法，用DSP实现软件算法，给出了程序流程图、部分DSP 程序和实验结果。关键词 模糊控制，PID ，DSP ，逆变电源1引言由于逆变器传递函数不易得到，而且电压输出经常波动，传统的单纯PID 控制难以达到快速和稳定的响应，而模糊控制与PID 相结合的控制方法,通过对误差量的变化实时分析,调整PID 参数，达到快速响应和无差跟踪，可实现逆变电源的高精度

2、实时控制。控制算式为u =k p e +k p T i0edt +k p t dtde(1 dt本文采用TMSLF2407实现数字PID 控制，对式（1）进行离散化，可得到(2式PID 控制的离散形式，式中T s 为采样周期。为了增加系统的可靠性，采用增量式PID 控制算式，（2）式为第K 次PID 控制器的输出量，减去第K 1次PID 控制器的输出量即可得到(3式增量式PID 控制算式。2模糊控制系统原理模糊PID 控制器以电压偏差e 和偏差变化量ec 作为输入，PID 参数模糊自整定是找出PID 三个参数与e 和ec 之间的模糊关系，在程序运行中通过不断检测e 和ec ，根据模糊控制原理对

3、三个参数进行在线修改，以满足不同e 和ec 对控制参数的不同要求，从而使被控对象有良好的动、静态性能。其在线自校正工作流程如图1所示。 u (k =k p e (k +k p T s T ie (i +k p T di =0ke (k e (k 1(2T su (k =u (k u (k 1=k p e (k e (k 1+k p T dk p T s T ie (k e (k 2e (k 1+e (k 2T s=Ae (k +(B e (k 1+Ce (k 2 (3其中(3式中：图1 逆变电源模糊PID 控制原理图2.1 PID调整控制器图1中r 为给定参考电压，u 是逆变器实际输出电 压，

4、e 是偏差信号，ec 是偏差变化率。模拟形式的PID 国家自然科学基金项目（资助号：50237020）A =k p +k i +k d ，B =(k p +2k d ，C =k d最后结果形式如(4式所示：u (k =Ae (k Be (k 1+Ce (k 2 (4 u (k =u (k 1+u (k 2.2 模糊PID 的实现DC AC 逆变电源控制的主要是输出电压及频率的准确性。频率的准确性由SPWM发生器决定(它是一个存贮在存储器内的一个正弦输出表格，只要触发计算准确就能达到设计要求。负载的变化使输出电流产生变化，对于一定脉宽输出的DC AC 电源来说，势必导致输出电压的变化。因此采用模

5、糊控制规则根据不同的e 和ec ，对PID 控制器的参数k p 、k i 、k d 进行在线自整定来调节输出电压。模糊控制器的输入变量是偏差绝对值E 、偏差变化率绝对值EC ，模糊控制器的输出是PID 控制器的比例增益系数KP 、积分增益系数KI 和微分增益系数KD 。本文采用CRI 推理法(Compositional Rule of Inference设计模糊规则，为了在实时控制中避免关系矩阵的合成运算，先在脱机状态下把所有可能的输入和输出情况计算出来，形成一张控制表去执行控制，控制表是以整数形式表示的，为了能产生控制表，在CRI推理法中把语言变量的论域转换成有限整数的论域，本质上是把连续论

6、域离散后产生离散论域。采用式(5可以将连续域离散化到整数论域N。b =x L +x Hq a 2 (5q =2n x H x L其中a 为连续论域X=x L , x H 中的某个数，b 是与a 对应的整数论域中的某个数，q 为模糊控制中对精确量进行模糊化时所用的量化因子。本文中，各语言变量的档数均为4档(零、小、中、大，因此取整数论域N 为0,1,2,3,4,5,6。此时，如图2所示，可取语言变量值4档如下: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 附近图2 语言变量E、EC、KP、KI、KD在本文中，利用CRI 法推理时控制过程是用查控制表来产生控制量的

7、，在控制表中，模糊偏差量E 、模糊偏差变化率EC ，PID 控制器的模糊比例增益系数KP 、模糊积分增益系数KI 和模糊微分增益系数KD 都是用其对应整数论域的元素来表示的。对于单个时实精确量利用式(5，得到的结果再四舍五入，就求出了对应整数论域的相应元素，从而实现了输入量的模糊化。针对不同的e 和ec ，k p ，k i ，k d 的整定原则为： 当e 较大时，为使系统具有较好的跟踪性能，应取较大的k p 与较小k d 的，同时为避免系统响应出现较大的超调，应对积分作用加以限制，通常取k i =0。当e 和ec 中等大小时，为使系统具有较小的超调，k p 应取小一些，在这种情况下，k d 的

8、取值对系统的影响较大，应取小一些，K i 的取值要适当。当e 较小时，为使系统具有较好的稳定性能，k p 和k i 均应取大些，同时为避免系统在设定值时出现震荡，并考虑系统抗干扰的性能，当ec 较大时，k d 可取小些；ec 较小时k d 可取得较大些。根据以上整定原则和总结工程设计人员的技术知识和操作经验，建立如下模糊规则表:参数整定模糊PID 控制规则表 由模糊推理得到的控制表中的控制量是一个模糊量，当整数论域N=n , +n ,连续论域X=x L , x H ，可采用式(6进行反模糊化处理，式中k 为模糊控制中对模糊量进行反模糊化时的比例因子。a =k b +n (x L +x H x

9、H x L x x (6k =H L22.3 DSP软件算法实现为了保证模糊PID 控制的时实性和准确性，DSP 在A/D采样的中断子程序中就调用模糊PID 控制算法程序，立即计算出输出控制量并送到被控对象，根据TMSLF2407的性能，机器时钟周期和中断延时可以计算出本系统从采样当前实际输出值到输出控制量大约需要6.67 ,这对于1ms 一次的采样来说是足够的，完全满足时实性要求。程序流程图如图3所示。下面是部分程序执行PID 控制 PID_Control:SETC SXM SETC OVM SPM #O LDP #4LACL ADRESULTSACL PID_input DALL Fuzz

10、y_PID_table 反模糊变化程序 Fuzzy_PI_end:LT k1 MPY Fuzzy_KP PAC SACL Kp LT k2 MPY Fuzzy_KI PACSACL Ki LT k3 MPY Fuzzy_KD PAC SACL Kd RET 图3 DSP软件实现模糊PID控制原理图3实验结果图4为实验波形，其中(a、(b为PID控制时突减负载、突加负载时的电压波形。(c、(d为模糊PID 控制时突减负载、突加负载的电压波形，从实验结果可以看出采用模糊PID 控制的方法与一般的PID 控制方法相比具有动态响应速度快、超调小,输出稳定后其幅值变化很小,突加、减负载时电压变化幅值小的优点，因而能更有效地抑制负载突变或外界干扰对电压的影响。(a参考文献1 汪安民,程昱.DSP 应用开发实用子程序 人民邮电出版社.2005.2 欧阳名三,余世杰 户用光伏电源模糊自适应PID控制的研究 电工电能新技术 2003(2:35-37.3 刘和平 TMS320LF240XDSP 结构、原理及应用 北京航(b(c(d图4 实验波形 电压：5V /格 时间：10ms/格 空航天