基于 DSP 的電子負(fù)載----電子負(fù)載控制器的設(shè)計(jì)

第4章電子負(fù)載控制器的設(shè)計(jì)

前面內(nèi)容論述了電子負(fù)載的整體框架和各部分的軟硬件功能，電子負(fù)載的核心控制電路是信號(hào)板上MOSFET負(fù)載電流環(huán)，其目的在于實(shí)時(shí)檢測(cè)輸入電壓，調(diào)整負(fù)載電流。因此，本章對(duì)電子負(fù)載的負(fù)載電流的控制技術(shù)來(lái)闡述。

首選工程上廣泛應(yīng)用的PI控制器作為電子負(fù)載的數(shù)字控制器，然后針對(duì)其不足，分別對(duì)積分分離PID控制器和抗積分飽和PID控制器，進(jìn)行了研究和仿真測(cè)試，為進(jìn)一步解決PI控制器的魯棒性差和精度不高的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了自適應(yīng)模糊PID控制器，運(yùn)用模糊數(shù)學(xué)的基本理論和方法，把模糊控制規(guī)則有關(guān)的信息（如評(píng)價(jià)指標(biāo)、初始實(shí)驗(yàn)PID參數(shù)等）存入知識(shí)庫(kù)中，使系統(tǒng)的能夠根據(jù)實(shí)際的響應(yīng)情況，運(yùn)用模糊推理，自動(dòng)實(shí)現(xiàn)對(duì)PID參數(shù)的最佳調(diào)。

4.1電子負(fù)載數(shù)字控制方案簡(jiǎn)介

電子負(fù)載的數(shù)字化與智能化的關(guān)鍵在于控制電路的模塊數(shù)字化和控制功能軟件化，性能強(qiáng)勁價(jià)格低廉的DSP的出現(xiàn)，數(shù)字化技術(shù)而得到飛速的發(fā)展，使得復(fù)雜的控制方法可以通過(guò)軟件的方式實(shí)現(xiàn)，數(shù)字控制也成為應(yīng)用控制理論的必然途徑，各式各樣的反饋控制方法也被相繼用于改善電子負(fù)載的瞬時(shí)和穩(wěn)態(tài)響應(yīng)，就目前應(yīng)用較多的數(shù)字控制方式介紹如下：

（1）PID控制，是最早發(fā)展起來(lái)的控制策略，由于其算法簡(jiǎn)單、魯棒性好及可靠性高，廣泛的用于過(guò)程控制和運(yùn)動(dòng)控制，尤其適用于建立精確數(shù)學(xué)模型的確定性系統(tǒng)。實(shí)際的非線性時(shí)變系統(tǒng)，使常規(guī)的PID控制器難以達(dá)到理想的控制效果，所以需要引進(jìn)先進(jìn)的PID控制，如數(shù)字PID控制、模糊PID控制、專家PID控制等等。

（2）遲滯控制，是一種以誤差比較為基礎(chǔ)的邊邊控制（band-band）系統(tǒng)，根據(jù)誤差的正負(fù)產(chǎn)生的最大修正信號(hào)。這種控制方法的優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單并不需要知道被控對(duì)象的動(dòng)態(tài)模型，缺點(diǎn)是開(kāi)關(guān)頻率難以掌握，且在相同頻率下漣波較大。

（3）死擊控制，數(shù)字系統(tǒng)也可以說(shuō)是取樣數(shù)據(jù)控制系統(tǒng)，也就是說(shuō)，每隔固定一段時(shí)間，控制系統(tǒng)就會(huì)根據(jù)命令與反饋計(jì)算出適當(dāng)?shù)目刂菩盘?hào)。死擊控制設(shè)計(jì)過(guò)程明確、方法簡(jiǎn)明，可以迅速減低誤差，但是必須掌握被控對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性，而且其控制能量會(huì)隨取樣的周期縮短而驟增。

（4）反復(fù)控制，利用控制器長(zhǎng)時(shí)間累積的誤差信息來(lái)抑制外界的干擾所產(chǎn)生的誤差的系統(tǒng)，該控制方法將反饋控制的立足點(diǎn)由瞬間變化量的抑制延伸到長(zhǎng)時(shí)間的穩(wěn)態(tài)誤差消除，可在系統(tǒng)在不可知的擾動(dòng)下，輸出值迅速平滑的保持在設(shè)定值附近，對(duì)控制精度的提高有很大的益處。缺點(diǎn)在于需要考慮系統(tǒng)的穩(wěn)定性和收斂速度，重復(fù)控制在消除劇烈的負(fù)載變化狀況時(shí)，容易造成系統(tǒng)的穩(wěn)定度減低。本課題的研究中主要采用了基于DSP的數(shù)字PID控制算法，其實(shí)現(xiàn)框圖如圖4.1所示。

DSP在電子負(fù)載中充當(dāng)了PID控制器的角色，數(shù)字PID控制是通過(guò)DSP內(nèi)部的程序來(lái)實(shí)現(xiàn)的，因此它的靈活性很大，一些原來(lái)模擬PID控制器中無(wú)法實(shí)現(xiàn)的問(wèn)題，在DSP的軟件里都可以得到解決，于是可以產(chǎn)生一系列的改進(jìn)算法，形成非標(biāo)準(zhǔn)的控制算法，來(lái)改善系統(tǒng)的品質(zhì)，滿足控制系統(tǒng)的需要。

4.2基于PID控制策略研究

在工程實(shí)際中，應(yīng)用最為廣泛的比例、積分、微分控制簡(jiǎn)稱PID控制，又稱PID調(diào)節(jié)，它以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便而成為工業(yè)控制的主要技術(shù)之一。將偏差的比例（P）、積分（I）和微分（D）通過(guò)線性組合構(gòu)成控制量，用這一控制量對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行控制，這種控制器就是PID控制器。傳統(tǒng)的模擬PID控制都是應(yīng)用在連續(xù)時(shí)間控制系統(tǒng)，如下圖4.1所示。

圖4.2中r（t）是電流沒(méi)定值，y（t）電子負(fù)載的實(shí)際測(cè)量值，e（t）是輸入控制器的偏差信號(hào)，u（t）是控制器輸出的控制量，則PID控制算式如下式（1）所示：

其中：K_P是比例系數(shù)，T₁是積分時(shí)問(wèn)常數(shù)，T_D是微分時(shí)問(wèn)常數(shù)。

（1）增量式PID控制算法

上式是模擬形式的PID控制算式，現(xiàn)在采用TMSLF2812實(shí)現(xiàn)數(shù)字PID控制，DSP控制是一種采樣控制，它只能根據(jù)采樣使可得偏差計(jì)算控制量，而不能像模擬控制那樣連續(xù)的輸出控制量，進(jìn)行連續(xù)控制，上式中的積分和微分項(xiàng)不能直接使用，必須進(jìn)行離散化處理。離散化處理的方法為：以T作為采樣周期，K作為采樣序號(hào)，則離散采樣時(shí)間KT對(duì)應(yīng)連續(xù)時(shí)間t，用求和的形式代替積分，用增量的形式代替微分，可作如式4.2所示變化。

將上式代入4.1式中就可得離散的PID表達(dá)式：

如果采樣周期取的足夠小，則以上的近似計(jì)算可獲足夠的精確結(jié)果，離散控制過(guò)程與連續(xù)控制過(guò)程十分接近。為增加控制系統(tǒng)的可靠性，采用增量式PID控制算式，即讓TMSF2812只輸出控制量的增量△u（k）。式4.3是第k次PID控制器的輸出量，那么第k-1次PID控制器的輸出所以增量式PID控制算式如式4.4所示：

4.3式和4.4式相減得方程4.5就是本控制程序中用到的增量式PID控制算式：

由式4.5可以看出，如果基于DSP電子負(fù)載控制系統(tǒng)采用恒定的采樣周期T，一旦確定了A、B、C，只要前后三次測(cè)量的偏差，就可求出控制量。增量式PID控制與位置式PID控制相比僅是算法上有所改變，它只是改變輸出增量，而且控制的增量?jī)H與最近的采樣有關(guān)，這樣減少了DSP誤操作時(shí)對(duì)控制系統(tǒng)的影響，而且不會(huì)產(chǎn)生積分失控[29]。下圖4.3是數(shù)字PID控制Simulink模塊圖。

采用增量式數(shù)字PID算法的電子負(fù)載，階躍響應(yīng)，方波和正弦跟蹤如圖4.4所示

（2）積分分離PID控制算法

積分環(huán)節(jié)的應(yīng)用是為了消除靜差，提高控制精度。但是過(guò)程的啟動(dòng)、結(jié)束或大幅度的增減設(shè)定時(shí)，短時(shí)間內(nèi)系統(tǒng)輸出有很大的偏差，會(huì)造成PID運(yùn)算的積分積累，致使控制量超過(guò)電子負(fù)載執(zhí)行機(jī)構(gòu)可能允許的動(dòng)作范圍最大值，有可能引起系統(tǒng)較大的超調(diào)，甚至引起系統(tǒng)較大的振蕩，在調(diào)試過(guò)程是不允許的。

積分分離的思路是，當(dāng)被控量與設(shè)定值偏差較大時(shí)，取消積分作用；當(dāng)被控量接近給定值時(shí)，引入積分控制。首先根據(jù)所設(shè)計(jì)電子負(fù)載實(shí)際情況，認(rèn)為設(shè)定個(gè)閾值，恒流模式下，設(shè)定閾值ε=0.4（低檔位）/3（高檔位）；恒壓模式下，設(shè)定閾值ε=4（低檔位）/15（高檔位）。其次，當(dāng)|error （ k ）|＞ε時(shí)，采用PD控制，可避免產(chǎn)生過(guò)大的超調(diào)量，又可使系統(tǒng)有較快的響應(yīng)。|當(dāng)error （ k ）|≤ε，采用PI控制，以保證系統(tǒng)的控制精度。

積分分離控制算法可表示為：

式子4.6中，T為電子負(fù)載控制環(huán)時(shí)間，β為積分項(xiàng)的開(kāi)關(guān)系數(shù)

采用積分分離PID處理的電子負(fù)載，在階躍響應(yīng)，方波和正弦跟蹤仿真如圖4.5所示。由由仿真結(jié)果可知，采用積分分離法，在階躍響應(yīng)大幅增減時(shí)，取消積分作用，消除了對(duì)偏差的積累，減少了不必要的振蕩，系統(tǒng)的穩(wěn)定性有了很大的提高。

（3）變積分PID控制算法

在普通的PID控制算法中，由于積分系數(shù)是常數(shù)，所以在整個(gè)控制過(guò)程中，積分增量不變。而系統(tǒng)對(duì)積分項(xiàng)的要求是，系統(tǒng)偏差大時(shí)積分作用應(yīng)減弱甚至全無(wú)，而在偏差小時(shí)則應(yīng)加強(qiáng)。積分系數(shù)取大了會(huì)產(chǎn)生超調(diào)，甚至積分飽和，取小了又遲遲不能消除靜差。因此，如何根據(jù)系統(tǒng)偏差大小改變積分速度，對(duì)于提高系統(tǒng)品質(zhì)是很重要。變速積分PID可較好的解決這一問(wèn)題。變速積分PID的基本思路是，設(shè)法改變積分項(xiàng)的累加速度，使其與偏差大小相對(duì)應(yīng)：偏差越大，積分越慢；反之則越快。

積分飽和是指系統(tǒng)存在一個(gè)方向的偏差，PID控制器的輸出由于積分作用的不斷累加而加大，從而使執(zhí)行機(jī)構(gòu)達(dá)到極限位置，若控制器輸出繼續(xù)增大，系統(tǒng)的輸出超過(guò)正常運(yùn)行的范圍而進(jìn)入飽和區(qū)。進(jìn)入飽和區(qū)越深則退出飽和區(qū)所需的時(shí)間愈長(zhǎng)。此時(shí)若執(zhí)行機(jī)構(gòu)不能隨偏差反向做出相應(yīng)的改變，系統(tǒng)就會(huì)像失去控制一樣。

是變積分PID算法同樣可以防止積分飽和的方法。在電子負(fù)載系統(tǒng)計(jì)算輸出量時(shí)。計(jì)算u（k）時(shí)，首先考慮上一時(shí)刻的輸出控制量是否已經(jīng)超過(guò)了限制的范圍。

若超過(guò)執(zhí)行機(jī)構(gòu)最大值若u（k-1）＞ u_max，則只累積負(fù)偏差，若沒(méi)有超出最大值，u（k-1）＜ u_max則積累正偏差，從而避免控制量長(zhǎng)時(shí)間停留在飽和區(qū)。

采用變積分PID算法處理的電子負(fù)載，階躍響應(yīng)，方波跟蹤如圖4.6所示。

（4）參數(shù)的整定

概括起來(lái)有兩大類：一是理論計(jì)算法，依據(jù)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，經(jīng)過(guò)理論計(jì)算確定控制器參數(shù)。建立模型不僅困難，其中的大量簡(jiǎn)化也使模型失真，脫離實(shí)際情況，即使得到模型，這種方法所得到的計(jì)算數(shù)據(jù)未必可用。二是工程整定方法，它主要依賴工程經(jīng)驗(yàn)，直接在控制系統(tǒng)的試驗(yàn)中進(jìn)行，且方法簡(jiǎn)單、易于掌握，工程應(yīng)用中被廣泛采用。

PID控制器參數(shù)的工程整定方法，主要有臨界比例法、反應(yīng)曲線法和衰減法。三種方法各有其特點(diǎn)，其共同點(diǎn)都是通過(guò)試驗(yàn)，通過(guò)閉環(huán)運(yùn)行或模擬，觀察系統(tǒng)的響應(yīng)曲線，然后根據(jù)各參數(shù)對(duì)系統(tǒng)的影響，湊試不同的參數(shù)直至出現(xiàn)理想的響應(yīng)曲線。