DC/ DC變換器自適應(yīng)模糊邏輯控制器設(shè)計

0 引 言

近年來， 隨著非線性控制策略研究的深入， 人們逐漸對采用模糊邏輯控制器( FLC) ， 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)( NN) ， 以及神經(jīng)模糊控制器( NFC) 等策略來改善DC/ DC 變換器的動態(tài)特性產(chǎn)生了興趣。模糊控制器的控制不依賴于被控模型的精確程度， 而是依賴于模糊控制規(guī)則的有效性。因此模糊控制器十分適用于對DC/ DC 變換器的控制。很多文獻(xiàn)已經(jīng)探討過模糊控制在電力電子電路中的可行性和有效性。但是模糊邏輯控制器設(shè)計在選擇最優(yōu)隸屬函數(shù)和模糊規(guī)則庫方面還存在一定困難。

筆者針對降壓、升壓和降壓- 升壓變換器， 設(shè)計了DC/ DC 變換器自適應(yīng)模糊邏輯控制器( AFLC ) 。

AFLC 優(yōu)化了隸屬度函數(shù)， FLC 的規(guī)則庫從模式文件的訓(xùn)練數(shù)據(jù)中獲得。

1 自適應(yīng)模糊邏輯控制器設(shè)計

DC/ DC 變換器的FLC 結(jié)構(gòu)如圖1 所示。模糊邏輯控制器由模糊化、模糊推理和反模糊化三部分組成。

圖1 中， Ui 是DC/ DC 變換器的輸入電壓， Uo 是DC/ DC 變換器第k 次采樣時間的實際輸出電壓， Uref為參考輸出電壓。

圖1 DC/ DC 變換器的FLC結(jié)構(gòu)圖

FLC 的輸入分別為誤差e 和誤差e 的差分d e， 其定義如下：

FLC 的輸出為占空比變化du( k ) 。

采用Mamdani 型FLC， 模糊規(guī)則的形式為Ri: IF e is A i and de is B i T HEN duk is Ci此處， A i 和Bi 是語言論域的模糊子集， Ci 是單元素*。每個語言論域被分為七個模糊子集: PB ( 正大) ， PM( 正中) ， PS( 正小) ， ZE ( 零) ， NS ( 負(fù)小) ， NM( 負(fù)中) ， NB( 負(fù)大) 。隸屬度函數(shù)采用梯形表示， 輸入輸出變量的隸屬度函數(shù)如圖2 所示， 將誤差量e， de 定義為模糊集的論域， e， de= [ - 3， - 2， - 1， 0， 1， 2， 3] ，以e， d e 為輸入的FLC 的控制規(guī)則表如表1 所示。

圖2 輸入輸出變量隸屬度函數(shù)

表1 FLC 的控制規(guī)則表

2 模糊邏輯控制器的自適應(yīng)算法

AFLC 是用自適應(yīng)算法的FLC。這樣， AFLC 自適應(yīng)隸屬函數(shù)并計算規(guī)則庫中的部分規(guī)則結(jié)果。

AFLC 的輸入是模式文件中的模型數(shù)據(jù)， 這些數(shù)據(jù)由一些期望輸出的數(shù)據(jù)產(chǎn)生。

A FLC 通過自適應(yīng)算法， 按照模式文件， 可以更新其隸屬度函數(shù)縮小因子為S e ， Sde ， 和Su 參數(shù)。A FLC中每個參數(shù)的更新結(jié)果可推論如下: 假設(shè)給定的訓(xùn)練數(shù)據(jù)集有P 條， 則第p ( 1<= p<=P) 條的訓(xùn)練數(shù)據(jù)誤差測量可定義如下:

式中， dk 是第p 個期望輸出矢量的第k 個分量， y k 是實際輸出矢量的第k 個分量。很明顯， 當(dāng)Ep 等于零或目標(biāo)誤差， 該網(wǎng)絡(luò)能夠正確再生出第p 條的訓(xùn)練數(shù)據(jù)對的期望輸出矢量。因此， 此處任務(wù)就是使整體誤差測量最小化， 整體誤差測量定義如下：

3 AFLC 的微控制器實現(xiàn)

本文AFLC 采用ST52T420 微控制器實現(xiàn)。

ST52T420 是8 位微機控制器和可擦寫存儲器版本， 存儲器為4 字節(jié)可編程EPROM， 它能有效地實現(xiàn)布爾和模糊算法。降壓變換器的控制電路原理圖如圖3 所示。

圖3 控制電路原理圖

該微控制器允許使用語言模型來代替數(shù)學(xué)模型描述問題。圖3 中， 微控器包括一個8 位采樣模擬/ 數(shù)字( A/ D) 轉(zhuǎn)換器， 該A / D 轉(zhuǎn)換器有一個8 通道模擬多路復(fù)用器和2. 5 快速重構(gòu)數(shù)字端口。它的3 個獨立的PWM/ 定時器負(fù)責(zé)管理直接功率器件和高頻PWM 控制。工作時鐘頻率為20 MHz 以驅(qū)動芯片時鐘振蕩器， 開關(guān)頻率選為19. 6 kHz 。AIN1 模擬輸入連接的參考電壓為5 V。通過4. 7 kΩ微調(diào)電位器來調(diào)節(jié)參考電壓。另一個ANI0 的模擬輸入連接到DC/ DC 變換器的輸出端， 調(diào)節(jié)DC/ DC 變換器的輸出級。該控制器用于降壓， 升壓和降壓- 升壓變換器， 而不需做任何改變。DC/ DC 變換器主電路參數(shù)如表2 所示。[!--empirenews.page--]

表2 降壓、升壓和降壓- 升壓變換器參數(shù)

4 實驗結(jié)果

降壓變換器的輸出電壓啟動響應(yīng)和負(fù)載響應(yīng)分別如圖4( a)、( b) 所示， 啟動響應(yīng)約8 ms， 負(fù)載開始為4Ω， 負(fù)載阻降到2 后， 輸出電壓幾乎為相同的值( 約5. 082 V) ， 負(fù)載響應(yīng)約需0. 1 ms。

升壓變換器的輸出電壓啟動響應(yīng)和負(fù)載響應(yīng)分別如圖4( c)、( d) 所示， 啟動響應(yīng)約13 ms， 負(fù)載響應(yīng)約0. 1 ms。

降壓- 升壓變換器的輸出啟動響應(yīng)和負(fù)載響應(yīng)分別如圖4( e)、( f) 所示， 啟動響應(yīng)約13 ms， 負(fù)載響應(yīng)立即形成。

降壓、升壓、降壓- 升壓變換器的實驗結(jié)果表明用AFLC 可獲得響應(yīng)， 在不同的輸入干擾和負(fù)荷變化情況下， 變換器穩(wěn)定且具有好的可調(diào)性能。研究結(jié)果還表明該AFLC 具有通用性， 可以適用于任何DC/ DC變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。因此， 同樣的微控制器軟件可用來控制任何開關(guān)模式變換器， 而不需做任何修改。

圖4􀀁? DC/ D變變換器的輸出電Ñ

¡¡5結(jié)½論Â

本文設(shè)計ÁDC/ DC變變換器輸出電壓調(diào)節(jié)的自適應(yīng)模糊邏輯控制器£并并Ó8位位微控制器實現(xiàn)。在負(fù)荷改變的情況下£ AFLC能能夠?qū)⒔祲?、升壓、?Ntilde;-升升壓變換器的輸出電壓調(diào)節(jié)至期望值。降壓、升壓、降Ñ升升壓變換器的控制使用相同µAFLC算算法£沒沒有做任何程序修改¡

降壓、升壓、降Ñ-升升壓變換器的實驗結(jié)果表明ÁAFLC的的有效性£在在沒有重構(gòu)任何專家規(guī)則的情況下得到了令人滿意的結(jié)果。結(jié)果表明£ AFLC很很通用，可用于任ºDC/ DC變變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)¡