一种boots电路模拟负载单元的模糊PI控制方法与流程

本发明涉及能馈型直流电子负载控制技术领域，尤其是指一种boots电路模拟负载单元的模糊pi控制方法。

背景技术：

基于boost电路的模拟负载控制，在不同的恒定模式控制下，可以通过设置相应的控制量参考值并通过计算转化为相应的boost电路的驱动pwm波形的占空比，即控制变量为设定的参考值。但是在多种模拟负载模式下，比如恒功率模式、恒阻模式与恒流模式下，不同的控制对象使得控制模式切换以及反馈闭环设计程序变得冗杂，因此，将不同模式的不同控制变量控制转化为多模式下的同一变量控制显得十分重要与高效。

但是单一的输入电流与占空比之间的关系，通过计算给定输入电流平均值参考值与boost电路pwm占空比之间的关系，虽然系统的相位裕度与穿越频率满足系统稳定的要求，但是在动态响应与静态误差上缺乏良好的性能，因此系统需要引入比例积分进行补偿，得到更大的相位裕度。与此同时，相位裕度的增大意味着系统越稳定，然而同时也牺牲了系统的响应速度，在动态响应性能上，也无法对响应速度与电流超调过冲进行控制，电流过冲容易导致触发系统的过流保护功能甚至是对系统的应力冲击以及系统损耗。boost电路是一种非线性的、参数时变的电路系统，高效能馈型直流电子负载的工作模式众多，输入参数变化范围大，因此开环传递函数也随着不同工况发生改变。传统pi整定方法得到的pi参数为固定值，无法适应复杂的负载模拟工况。因此，设计合适的模糊控制规则，在pi控制器中引入模糊控制进行改进，以此来提高系统的动态响应性能与减小系统的稳态误差是目前待解决的问题。

技术实现要素：

本发明针对现有技术的问题提供一种boots电路模拟负载单元的模糊pi控制方法，以输入电流平均值为单一控制变量，简化控制算法，而后采用pi控制和模糊控制算法，使得系统具有良好的动态响应性能与静态误差要求。

为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：一种boots电路模拟负载单元的模糊pi控制方法，包括以下步骤：

a.系统的电路负载模拟单元采用恒定功率、恒定电阻以及恒定电流三种模式；

b.设置输入电流的平均值iin_ref为步骤a中三种模式的控制变量；

c.控制模块通过ad采样与计算，得到boots电路系统输入电流iin与输入电流的平均值iin_ref之间的误差e及其变化率ec的精确值，输入到模糊控制器；

d.模糊控制器先将误差e及误差变化率ec模糊化得到模糊量e和ec，再通过设计模糊控制规则，得出比例系数变化量δp和积分系数变化量δi的模糊量，最后通过解模糊得出相应的pi参数增量的精确值δkp和δki；

e.pi参数增量的精确值δkp和δki分别加上基于相位裕度整定得到的pi参数的初始值，作为新的pi参数kp和ki输入到传统的pi控制器；

f.通过传统的pi控制器的计算，得到作用于负载模拟单元的boots驱动占空比；

g.设置反馈控制回路，通过采样输入电流iin并通过ad转换处理输入至反馈控制回路，实现输入电流采样值对参考值的实时跟踪。

进一步的，步骤e中，误差e及误差变化率ec通过乘以各自的量化因子映射到对应的模糊论域，进而变成模糊论域的模糊量e和ec。

进一步的，模糊控制器的输入量的模糊论域均选用离散型模糊论域，输出量的模糊论域均采用连续型模糊论域。

进一步的，模糊控制器输入量e、ec的隶属函数选用三角形函数，输出量δp、δi的隶属函数选用正态分布型函数。

进一步的，模糊量误差e及误差变化率ec采用的模糊论域为21级的离散型模糊论域，即其模糊论域为{-10，-9，...，0，...，9，10}；比例系数变化量δp和积分系数变化量δi采用连续型模糊论域[-1,1]。

进一步的，模糊控制规则为：先设置一个系统的误差参考值，接着识别当前系统的响应状态，在误差大于误差参考值时，增强比例环节作用，使输入电流iin迅速向输入电流平均值iin_ref靠近，同时减少积分环节作用，避免出现积分饱和现象；系统误差小于误差参考值时，减少比例环节作用，解决输入电流过冲的问题；同时增强积分环节作用，有利于减少系统的稳态误差，提高输入电流跟踪算法的控制精度。

进一步的，步骤e中，经过模糊控制规则推理得到的比例系数变化量δp和积分系数变化量δi为模糊的输出量，利用重心法解模糊，将输出模糊量转化成模糊论域上的特定值，同时乘以对应的比例因子变成精确值输出δkp和δki。

本发明的有益效果：

本发明提供的一种boots电路模拟负载单元的模糊pi控制方法，选择控制变量归一化，选择同一种控制变量即输入电流平均值iin_ref，来控制多种模拟负载模式，相对于采用多种控制变量，单一的控制变量控制不仅使系统的动态响应变快，而且可以实现逐个周期电流峰值限制；另外采用反馈控制回路并设计模糊pi控制器，在非线性的boost电路中，对输入电流进行更加精准的跟踪，达到更加良好的动态响应速度与静态误差要求，同时减小电流过冲，保护电路系统。

附图说明

图1能馈型直流电子负载与被测设备连接示意图。

图2能馈型直流电子负载与被测设备连接的等效电路图。

图3负载模拟单元boost电路示意图。

图4基于输入电流跟踪的负载模拟算法框图。

图5基于模糊控制的输入电流跟踪的负载模拟算法框图。

图6模糊控制输入量e、ec的隶属函数。

图7模糊控制输出量δp、δi的隶属函数。

图8基于模糊控制的负载模拟算法流程图。

具体实施方式

为了便于本领域技术人员的理解，下面结合实施例与附图对本发明作进一步的说明，实施方式提及的内容并非对本发明的限定。以下结合附图对本发明进行详细的描述。

本实施例提供的一种boots电路模拟负载单元的模糊pi控制方法，包括以下步骤：

a.系统的电路负载模拟单元采用恒定功率、恒定电阻以及恒定电流三种模式；

b.设置输入电流的平均值iin_ref为步骤a中三种模式的控制变量；

c.系统的控制模块通过ad采样与计算，得到系统输入电流iin与输入电流的平均值iin_ref之间的误差e及其变化率ec的精确值，输入到模糊控制器；

d.模糊控制器先将误差e及误差变化率ec模糊化得到模糊量e和ec，再通过设计模糊控制规则，得出比例系数变化量δp和积分系数变化量δi的模糊量，最后通过解模糊得出相应的pi参数增量的精确值δkp和δki；

e.pi参数增量的精确值δkp和δki分别加上基于相位裕度整定得到的pi参数的初始值，作为新的pi参数kp和ki输入到传统的pi控制器；

f.通过传统的pi控制器的计算，得到作用于负载模拟单元的boots驱动占空比；

g.设置反馈控制回路，通过采样输入电流iin并通过ad转换处理输入至反馈控制回路，实现输入电流采样值对参考值的实时跟踪。

具体地，本发明采用三种基本模式，即恒功率模式、恒阻模式以及恒流模式，工作在三种模式中的任一模式，均选择同一种控制变量即输入电流平均值iin_ref作为参考值，相对于采用多种控制对象，单一电流控制不仅动态响应快，而且可以实现逐个周期电流峰值限制，因此选择控制对象归一化，统一使用对输入电流的跟踪。不同负载模拟控制模式的计算公式为：

式中，iin_ref为高效能馈型直流电子负载输入电流跟踪指令参考值。pset、rset以及iset分别为恒功率模式、恒电阻模式、恒电流模式的设定值，通过上述公式转换为对输入电流iin的设置；

如图1和图2，直流被测设备的正、负极分别与直流电子负载的输入正、负极端口相连，如图1所示；与传统负载一样，能馈型直流电子负载和能耗型直流电子负载在放电测试中均模拟纯阻性负载，所以当系统稳定运行时，直流被测设备可等效为理想电压源us和等效内阻rs串联而成，而能馈型直流电子负载可以等效为可调负载电阻rl，测试系统等效电路图如图2所示。

由等效电路图可得:

uin＝us-rsiin＝rliin

如图3，为负载模拟单元boost电路，在pwm波的高电平阶段，即开关管q1开通时，输入电感l充电，输出电容c为负载r供电，当开关管q1关断时，电源与输入电感l为输出电容c与负载r供电，根据此电路模型分析boost的小信号建模，并得出电感电流对占空比的传递函数为

为了使系统具有更加快速且平稳的动态响应性能，减小系统的静态误差，系统引入pi控制环节进行补偿，如图4，是基于输入电流跟踪的负载模拟算法框图，当高效能馈型直流电子负载工作在正常负载模拟模式时，系统的主控dsp将当前运行参数如输入电流、输入电压等，以及需要模拟的负载模式与参数代入相应模式下iin_ref的计算公式，计算得到能馈型直流电子负载输入电流的参考值iin_ref，接着主控dsp芯片运行算法切换至输入电流pi控制，在模拟保护内环无故障发生的情况下，得到boost电路的驱动占空比，使负载模拟单元的输入电流跟踪其参考值iin_ref；其中串联pi控制器后系统的开环传递函数为

通过串联pi控制器进行校正后，系统开环传递函数伯德图的穿越频率fc应远小于boost开关频率的1/5；串联pi校正后系统应具有更高的低频增益，并且穿越0db线时的斜率应为-20db/dec，相位裕度作为衡量系统稳定度的另一重要指标，随着相位裕度的增大，系统越稳定，但是系统的响应速度却随之变慢；

boost电路是一种非线性的，参数时变的电路系统，高效能馈型直流电子负载的工作模式众多，输入参数变化范围大，因此开环传递函数也随着不同工况发生改变，上述传统pi调节整定方法得到的pi参数为固定值，无法适应复杂的负载模拟工况；因此，为提高系统的动态响应性能与减小系统的稳态误差，在系统中加入了模糊控制器；

如图5基于模糊控制的输入电流跟踪的负载模拟算法框图和图8的算法流程图，选取输入电流的误差e及误差的变化率ec作为模糊控制器的输入，模糊控制器输出量为pi参数的增量δkp和δki，系统控制模块通过ad采样与计算得到输入电流iin与电流参考值iin_ref之间的误差e及其变化率ec的精确量，再模糊化得到误差e及误差变化率ec的模糊量e和ec，再通过设计模糊控制规则，得出比例系数变化量δp和积分系数变化量δi的模糊量，最后通过解模糊得出相应的pi参数增量的精确值δkp和δki，δkp和δki分别再加上基于相位裕度整定得到的pi参数初始值，作为新的pi参数输入到传统pi控制器，最终得到作用于负载模拟单元的boost驱动占空比，同时dsp采样输入电流iin并通过ad转换处理输入至反馈控制回路，完成一次基于模糊控制的输入电流跟踪控制算法的执行。

本实施例提供的一种boots电路模拟负载单元的模糊pi控制方法，步骤e中，误差e及误差变化率ec通过乘以各自的量化因子映射到对应的模糊论域，进而变成模糊论域的模糊量e和ec。

本实施例提供的一种boots电路模拟负载单元的模糊pi控制方法，模糊控制器的输入量的模糊论域均选用离散型模糊论域，输出量的模糊论域均采用连续型模糊论域。

本实施例提供的一种boots电路模拟负载单元的模糊pi控制方法，模糊控制器输入量e、ec的隶属函数选用三角形函数，输出量δp、δi的隶属函数选用正态分布型函数。

本实施例提供的一种boots电路模拟负载单元的模糊pi控制方法，模糊量误差e及误差变化率ec采用的模糊论域为21级的离散型模糊论域，即其模糊论域为{-10，-9，...，0，...，9，10}；比例系数变化量δp和积分系数变化量δi采用连续型模糊论域[-1,1]。

具体地，如图6和图7为模糊控制器的输入量与输出量的隶属函数，为了减少dsp软件的计算量，模糊控制器输入量的模糊论域均选用离散型模糊论域，模糊控制器输入量e、ec的隶属函数选用三角形函数，如图6所示，其具有分辨率较高的特点，有利于提高控制的灵敏度；同时为了使控制输出更加平稳，输出量的模糊论域均选用连续型模糊论域，输出量δp、δi的隶属函数选用正态分布型函数，如图7所示，其变化平滑的特性使得输出量抖动幅度减小，输出控制更为平缓，具有更高的系统稳定性；模糊量误差e和误差变化率ec的模糊论域为21级的离散型论域，即其模糊论域为{-10，-9，...，0，...，9，10}；比例系数变化量δp和积分系数变化量δi的连续型模糊论域为[-1,1]；而其中模糊论域的模糊子集均分为7级，用nl、nm、ns、z、ps、pm、pl表示，对应的含义为负大、负中、负小、零、正小、正中、正大；在误差e和误差变化率ec分别乘以各自的量化因子映射到模糊论域之上的模糊值后，系统控制模块判断模糊值所属模糊子集并计算其隶属度，通过查询模糊控制规则表进行推理，得到符合条件的模糊控制输出结果，接着合并相同的模糊控制输出结果，并且记录所合并结果的隶属度最大值，再通过重心法解模糊。

本实施例提供的一种boots电路模拟负载单元的模糊pi控制方法，模糊控制规则为：先设置一个系统的误差参考值，接着识别当前系统的响应状态，在误差大于误差参考值时，增强比例环节作用，使输入电流iin迅速向输入电流平均值iin_ref靠近，同时减少积分环节作用，避免出现积分饱和现象；系统误差小于误差参考值时，减少比例环节作用，解决输入电流过冲的问题；同时增强积分环节作用，有利于减少系统的稳态误差，提高输入电流跟踪算法的控制精度。

具体地，如表1为比例系数变化量δp的模糊控制规则表和表2为积分系数变化量δi的模糊控制规则表，根据工程经验制定模糊控制器的控制规则，单条模糊控制规则ri可以表示为“if(条件1and条件2)，then(结论1and结论2)”，每一条规则之间通过“or”算子组织形成完整的模糊控制器规则；

模糊控制规则的设计思想是：模糊控制规则为：先设置一个系统的误差参考值，接着识别当前系统的响应状态，在误差大于误差参考值时，增强比例环节作用，使输入电流iin迅速向输入电流平均值iin_ref靠近，同时减少积分环节作用，避免出现积分饱和现象；系统误差小于误差参考值时，减少比例环节作用，解决输入电流过冲的问题；同时增强积分环节作用，有利于减少系统的稳态误差，提高输入电流跟踪算法的控制精度；所制定的比例系数变化量δp与积分系数变化量δi的模糊控制规则，如表1和表2所示；

表1

表2

为了使控制参数过渡更加平滑，在设计过程中，通过误差e及误差变化率ec的正负性将当前响应状态分成四种情况，再为其制定模糊控制规则，具体设计思路如下：

(1)当e为正，且ec为正时，此时误差e有变大的趋势，且误差变化率ec越大，误差变大趋势越明显，因此需要尽可能地增大控制输出，从而扭转误差变大的趋势。所以当误差越大，误差变化率越大时，更需要增强比例环节的控制，同时减小积分环节避免出现积分饱和。

(2)当e为正，且ec为负时，此时输入电流当前值小于参考值，同时误差有减小的趋势，并且误差变化率的绝对值|ec|越大，误差减小的趋势越明显。因此当误差e较大，但是误差变化率的绝对值|ec|较小时，可以适当地增强比例环节作用，弱化积分环节作用。当误差e较小，但是误差变化率绝对值|ec|较大时，应适当地减小比例环节作用，减少输入电流的超调量。

(3)当e为负，且ec为负时，此时输入电流当前值大于参考值，同时误差绝对值|e|有增大的趋势，并且误差变化率绝对值|ec|越大，误差绝对值|e|变大趋势越明显。因此这时需要适当地增强比例环节作用，同时避免出现积分饱和。在同一误差变化率ec情况下，若误差绝对值|e|变大，比例环节增强程度也应有所增加。

(4)当e为负，且ec为正时，输入电流当前值大于参考值，误差变化率ec越大，误差绝对值|e|变小趋势越明显。因此当误差绝对值|e|较大时，应当增强比例环节，同时减弱积分作用。

本实施例提供的一种boots电路模拟负载单元的模糊pi控制方法，步骤e中，经过模糊控制规则推理得到的比例系数变化量δp和积分系数变化量δi为模糊的输出量，利用重心法解模糊，将输出模糊量转化成模糊论域上的特定值，同时乘以对应的比例因子变成精确值输出δkp和δki。

具体地，两个输入量经过模糊规则推理得到的输出量δp、δi是模糊量，需要利用重心法进行解模糊，将输出模糊量转化成模糊论域上的特定值，同时乘以对应的比例因子变成精确值输出δkp和δki，接着δkp和δki分别加上基于相位裕度整定得到的pi参数初始值，作为新的pi参数输入到传统pi控制器，最终得到作用于负载模拟单元的boost驱动占空比。

以上所述，仅是本发明较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明以较佳实施例公开如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当利用上述揭示的技术内容作出些许变更或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明技术是指对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的范围内。