CN101738936A - 一种应用于ups中的自适应数字闭环的控制策略 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种应用于UPS中的自适应数字闭环的控制策略，在不同的额定功率和负载状态的逆变器，PID闭环参数设计与选择采用自适应模糊PID控制器，可以满足不同时刻的PID参数自整定的要求。本发明技术方案提高了***的动态响应速度和稳定精度，避免了应用工程中需要对闭环设计的试凑，工作繁琐，误差较大等不足，实现了UPS调试的智能化。

Description

一种应用于UPS中的自适应数字闭环的控制策略

技术领域

本发明涉及的是对工业过程进行控制的领域，特别是一种应用于UPS中的自适应数字闭环的模糊控制策略。

背景技术

目前，在现有的绝大多数的生产过程的自动控制***装置，不论是气动的、电动的、液动的，他们其中的各量化因子通常采用试凑法或采用先验知识来确定，因此在实际控制中其控制效果也未必理想。为了获得良好的控制效果，要求模糊控制***具有较完善的控制规则和自适应能力。如何有效、准确的获得控制规则的参数，也是工业过程控制领域尚未很好解决的一个重要问题。对于一些比较复杂的控制对象参数，仅仅凭试凑法和先验知识的归纳总结来确定是远远不够的，控制过程的参数确定将变得十分困难，甚至是办不到的。

在工业过程控制技术领域中，有一种不需要控制对象的精确数学模型，而直接采用语言型控制规则实现过程控制的模糊控制方法及其相应的控制***。因此，如何综合运用控制过程中获得的有效信息，构造适于复杂对象的控制规则，是目前基于规则的控制***设计中存在的另一个重要问题，也是目前应用UPS中的自适应数字闭环参数设计中的一个重要问题。

发明内容

有鉴于此，本实发明所要解决的技术问题是提供一种应用于UPS中的自适应数字闭环的控制策略，它能克服现有技术的不足，摆脱对闭环参数设计的试凑，使UPS不间断电源提高了动态响应速度和稳定精度，并保证UPS中数字闭环良好的自适应能力。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案包括模糊推理应用于电压电流双闭环控PID控制结构。

作为本发明的一种优选方案，所述电压外环和电流内环的数字双闭环PID控制结构包括由软件实现的数字双环控制和逆变器的硬件电路本身属性。

作为本发明的另一种优选方案，所述模糊推理实质上是一个模糊控制器。

作为本发明的进一步优选方案，所述模糊推理包括PID参数自整定规则和模糊控制规则。

UPS采用了电感电流模式的数字双环PID控制方法，分别由软件实现的数字双环和逆变器的硬件电路本身属性组成，K_uf为输出电压反馈系数，K_if为电容电流反馈系数。DSP给定电压环的基准信号量U_ref，滤波电容两端的交流输出电压经信号调理电路处理经DSP采样得到U_i，U_i与参考电压U_ref比较得到误差信号，经过数字PID调节之后的输出作为电流环的指令I_ref，电流误差信号再经过比例调节得到电流环输出I_out电流环输出与定时器产生的三角波比较产生PWM驱动信号来驱动全桥功率模块，其中K_pwm为开关频率足够高的情况下逆变桥的等效增益。

由模糊控制***结构可以看出，此误差***是以误差e和误差变化率e_c对不同偏差e和偏差变化率e_c为输入语言变量，以K_p，K_i，K_d为输出语言变量的二输入三输出的模糊控制。用误差和误差变化量完全可以表述整个***的的响应过程。针对不同的误差e和误差变化率e_c，对PID控制参数K_p，K_i，K_d的整定规律：

(1)当|e|较大时，为***有较好的跟踪性能，应取较大的的K_p和较小的K_d，同时为避免***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；

(2)当|e|和|e_c|中等大小时，为使***具有较小的超调，K_p应取小些，在这种情况下，K_d取值对***影响较大，应取小一些，K_i的取值要适当。

(3)当|e|较小时，为使***具有良好的稳定性能，K_p和K_i应取大一些，同时为避免***在设定值出现振荡，并考虑***抗干扰性能，当|e_c|较大时，K_d可以取得小一些，|e_c|较小时，K_d可以取的大一些。

由此可见，***在不同偏差时应有其相应的PID参数，这就要求PID能够自我整定。模糊PID就是以此为目标，在常规调节PID的基础之上，采用模糊推理的思想，根据不同的e和e_c，对参数K_p，K_i，K_d进行在线自整定的模糊控制，其结构有两部分组成：常规PID控制部分和模糊推理参数校正部分。

本发明采用不依赖受控对象的精确数学模型，而是根据人工控制规则组织控制决策表，然后由该表决定控制量的大小。

PID参数自整定是找出PID三个参数和偏差e和偏差变化率e_c之间的模糊关系，在运行中通过不断检测e和e_c，根据模糊控制原理来对PID参数进行在线修改，找到最佳PID参数，以满足不同e和e_c时对控制参数的不同要求，从而使被控对象有良好的动、静性能。

模糊控制输入和输出变量都是精确量，模糊推理是针对模糊控制量进行的。因此，控制***首先要对输入量进行模糊化处理。本方案中的所设计的模糊自适应PID控制***中，输入、输出的语言值分为7个预言值：负大、负中、负小、O、正小、正中、正大，即NB、NM、NS、O、PS、PM、PB，隶属度函数采用灵敏性强的三角函数。误差e、误差变化率e_c及输出控制量的论域均取{-6 -5 -4-3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 6}

针对K_p、K_i、K_d三个参数的分别整定的模糊控制规则表见表1、表2、表3。

表1K_p的控制规则表

表2K_i的控制规则表

表3K_d的控制规则表

K_p、K_i、K_d的模糊控制规则表建立后，在在线运行过程中，控制***通过对模糊控制逻辑规则结果的处理、查表和计算，对K_p、K_i、K_d三者进行在线自调整及模糊自调整，计算公式如下：

K_p＝K_p ^*+{e_i，e_cj}q_p

K_i＝K_i ^*+{e_i，e_cj}q_i

K_d＝K_d ^*+{e_i，e_cj}q_d

其中，K_p ^*、K_i ^*、K_d ^*是自适应模糊PID控制***的是三个控制参数的初始值，K_p、K_i、K_d是调整后的PID控制参数，是PID的修正系数，{e_i，e_cj}是误差e和e_c误差变换率e_c对应于模糊控制规则表(1～3)中的输出值。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1是本发明的PID参数自调整模糊控制器***框图；

图2是本发明的数字双环PID控制方法框图；

图3是本发明的闭环控制流程图。

具体实施方式

图1是本发明的PID自调整模糊控制器***框图，该***框图包括电压外环和电流内环的数字闭环PID控制结构和模糊推理两部分。其中所述的电压内环和电流外环的数字双闭环PID结构和模糊推理。输出信号经反馈，得到一反馈量，与标准信号向比较得到误差信号，误差信号和误差信号变化率经模糊推理部分，PID参数不断的调整，得到最佳的K_p、K_i和K_d，以满足不同时刻的误差信号和误差信号变化率，最佳PID参数和误差信号经PID调节器，得到较为准确的调整后信号，这样可以保证数字闭环的自适应能力。

图2是本发明数字双闭环PID控制方法框图，该框图有软件实现的数字双环控制和逆变器的硬件电路本身属性组成。K_uf为输出电压反馈系数，K_if为电容电流反馈系数，DSP给定的电压环的基准信号量U_ref，滤波电容两端的交流输出电压经信号调理电路处理经DSP采样得到U_i，U_i与参考电压U_ref比较得到误差信号，经过数字PID调节之后的输出作为电流环的指令I_ref，电流误差信号再经过比例调节得到电流输出I_out电流环输出与定时器产生的三角波比较产生PWM驱动信号来驱动全桥功率模块，其中K_pwm为开关频率足够高的情况下逆变桥的等效增益，这样既保证了稳态特性，又可以提高***的动态性能。

图3是本发明闭环控制流程图，该流程图包括了电压内环与电流内环的PID数字双环PID控制过程和模糊推理过程。在某时刻的到标准量U_ref，采样取回实际测量值U_in，这样可以计算出信号偏差E_r＝U_ref-U_in，把得到的信号偏差量和信号偏差量变化率输入到模糊控制，经模糊控制在线自适应调整，得到最佳PID参数，计算出积分项W_I＝K_i*E_r，同时计算出比例项W_P＝K_p*(E_r-E_r-1)，然后保存信号偏差E_r＝E_r-1，若超调量在允许的范围内，则可不考虑微分环节(即K_d＝0)，所以比例、积分值累加PID＝W_I+W_P，其中PID的值不可超过限定的范围，把误差信号和PID参数输入到PID调节器，调节器输出端输出经调整的较准确的信号。

Claims (4)

1.一种应用于UPS中的自适应数字闭环的控制策略，其特征在于，包括：

模糊推理应用于电压外环与电流内环的数字双闭环PID控制结构。

2.根据权利要求1所述的应用于UPS中的自适应数字闭环的控制策略，其特征在于，所述电压外环与电流内环的双闭环控制结构包括电压电流双闭环控制原理。

3.根据权利要求1所述的应用于UPS中的自适应数字闭环的控制策略，其特征在于，所述的模糊推理包括PID参数自整定规则。

4.根据权利要求1所述的应用于UPS中的自适应数字闭环的控制策略，其特征在于，所述的模糊推理包括模糊控制规则。

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