[发明专利]同时修正误差因子和PID控制系数的模糊-PID数字电压补偿器

说明书

本发明涉及一种同时修正误差因子和PID控制系数的模糊‑PID数字电压补偿器，属于电力电子领域。主要由两个模糊控制器、一个PID控制器、一个延迟单元组成。模糊控制器1修正PID控制系数，模糊控制器2对误差电压进行修正，PID控制器产生数字占空比，以调节输出电压。通过两个模糊控制器和PID控制器的协同工作，提高了数字电压补偿器的自适应能力，从而提高了数字电源的瞬态性能。通过采用两个模糊控制器和两个不同的模糊控制规则表，克服了常规模糊‑PID控制器由于只修正控制系数所导致的自适应能力弱、非线性特征不明显的问题。

技术领域

本发明属于电力电子领域，涉及一种同时修正误差因子和PID控制系数的模糊 -PID数字电压补偿器，尤其适用于数字控制DC-DC开关变换器。

背景技术

数字控制降压型DC-DC开关变换器(简称为数字电源)的结构原理图如附图7 所示。负载端的模拟输出电压v_o(t)经ADC转换为数字输出量v_o[n]，然后将v_o[n]与基准电压v_ref[n]之间的误差信号e[n]送入数字电压补偿器。在数字电压补偿器中，采用特定的数字控制算法(例如PID算法)计算数字占空比信号d[n]，然后经数字脉宽调制器(DPWM：DigitalPulse Width Modulation)将该数字占空比信号d[n]转换为模拟占空比信号d(t)，最后经驱动缓冲器(Gate driver)控制开关管S_p和S_n的导通或关闭，以调节输出电压v_o(t)使其稳定在基准电压值。

对于数字控制DC-DC开关变换器，为了减小系统的扰动恢复时间，提高变换器的瞬态性能，需要在线性PID控制的基础上，加入自适应或智能化的非线性控制。当负载或输入电压突然发生变化时，数字电压补偿器暂时脱离线性PID控制，而进入非线性控制模式，以提高瞬态响应速度；当变换器的输出电压接近稳态输出时，又回到线性PID控制模式，以减小稳态输出误差。

数字电压补偿器的控制方式包括传统的线性PID控制、模糊-PID控制和滑模控制等。传统的线性PID控制基于稳态时的小信号平均模型，具有稳态误差小的优点，缺点是瞬态响应速度慢。模糊控制和滑模控制都是非线性控制，具有瞬态响应速度快的优点。但是，模糊控制由于没有积分作用，稳态误差较大，且输出电压发生扰动后无法回到基准电压值；滑模控制在稳态时存在抖振现象，且无法彻底消除。

文献“Field programmable gate array implementation of a single-inputfuzzy proportional-integral-derivative controller for DC-DC buck converters，IET Power Electron., 2016,Vol.9,Iss.6,pp.1259–1266”中提出了一种应用于数字电源控制的模糊-PID数字电压补偿器，将线性PID控制与非线性模糊控制相结合，在减小变换器稳态误差的同时提高了其瞬态响应速度。但是，在该数字电压补偿器中，由于模糊控制算法仅限于对PID控制系数的修正，没有对误差因子本身进行修正，导致模糊控制子集区间的划分过于粗糙，影响瞬态响应速度的提升效果。

发明内容

要解决的技术问题

为了克服线性PID控制器和常规模糊PID控制器的自适应能力弱、瞬态响应特性差的问题。本发明提出一种同时修正误差因子和PID控制系数的模糊-PID数字电压补偿器。

技术方案