1引言
在DC/DC" title="DC/DC">DC/DC變換器" title="變換器">變換器中，電壓反饋控制" title="反饋控制">反饋控制因具有設計分析較簡單、低阻抗功率輸出、負載調整率較好等優點,而被廣泛應用于DC/DC變換器中。其缺點是任何輸入電壓" title="輸入電壓">輸入電壓或輸出負載的變化必須首先轉化為輸出電壓的變化，然后再經反饋環采樣控制調節，這意味著動態反應速度慢。輸入電壓變化帶來的問題，一般可采用電壓前饋技術解決。而要獲得系統的快速性，主要有以下方案可供選擇： 1）引入電流負反饋；
2）在主電路中增加阻尼極點或補償極點；
3）提高開關頻率以減小低通濾波器電感或電容
值；
4）采用PID調節。
其中唯有4）采用PID調節是較為可行的方法[1]。但單純的PID調節對于處理DC/DC變換器的非線性等問題不夠理想。模糊控制正好可以彌補這方面的不足。
近年來，隨著芯片技術的不斷發展，特別是DSP芯片價格的下降和速度的提高，DC/DC變換器控制技術正向著數字化、智能化控制方向發展。這是開關穩壓電源高精度控制發展的必然趨勢，也是21世紀開關穩壓電源研究的一個重要課題。
考慮到以上各種因素，本文以Buck電路為例，介紹電壓反饋控制模式下,DC/DC變換器系統數字模糊PID控制的原理、方法與實現。
2Buck電路動態小信號分析
考慮實際電感和電容存在電阻值，設分別為RL、RC(如圖1所示)。根據狀態空間平均法，可得到Buck電路的狀態平均方程為：=AX＋BUin（1）
Uout=CX（2）式中：X=；
圖1 Buck變換器電路拓撲圖
圖2Buck變換器開環控制方框圖
(b)PID控制系統" title="控制系統">控制系統的頻率特性
圖3系統開環及使用PID控制的頻率特性BODE圖
A=；B=；C=；
Uin為輸入直流電壓；
Uout為輸出電壓。引入小信號變量：x=X＋，uin=Uin＋，及d=D＋代入式（1）得：=A＋B＋E（3）式中：E=；
D為占空比。
式（3）即為Buck電路動態小信號狀態平均方程,將式（3）轉換到s域并解之，可得到電壓反饋控制下動態小信號模型的傳遞函數" title="傳遞函數">傳遞函數：=（4）
3模糊PID控制實現由式（4）可知，電壓反饋控制為二階系統，而二階系統是一個有條件的穩定系統，只有對控制電路進行精心設計和計算，滿足一定條件，才能使閉環系統穩定工作。考慮到輸入電壓變化量和占空比變化量(s)均對輸出有影響，變換器系統的開環控制框圖如圖2所示。
圖中N(s)為變換器輸出對d(s)而言的系統開環傳遞函數，G1(s)可由（4）得出：G1(s)=
在電壓負反饋控制中，如果引入輸入電壓前饋校正控制環，就能消除輸入電壓波動對系統的干擾，進而很好地改善系統的控制性能。為進一步提高控制性能與精度，控制電路采用具有微分和積分控制作用的數字PID控制。PID控制器中微分控制能預測事物的變化趨勢，可以補償由低通濾波器引起的時間滯后；積分控制能消除系統靜態誤差。從而采用PID控制，能增加系統的快速性和有效抑制超調，使系統動態性能和控制精度得以改善。由系統的BODE圖（圖3）可以看
(a)開環系統的頻率特性
()開關電源
(a)系統輸入電壓階躍變化(b)受擾動電壓負反饋控制波動圖
(c)受擾動PID控制波動圖(d)受擾動模糊PID控制波動圖
圖6仿真結果
Buck變換器的數字模糊PID控制
圖4Buck變換器模糊PID閉環控制框圖
圖5Buck變換器模糊PID控制框圖
出，系統開環的頻率特性較差，采用PID控制后，不僅改善了系統的相角裕度，同時也降低了系統在低頻時的增益。應用模糊控制對PID參數Kp、Ki、Kd實時地進行整定，則能改善PID的控制性能、自調整能力，從而可提高整個系統的控制精度和抗干擾能力。
3.1控制電路設計系統的閉環控制框圖如圖4所示。取輸出電壓的誤差和微分量，送入模糊控制器和PID控制器，由模糊控制器根據輸入控制量偏差實時給出PID的參數，再由PID控制器給出控制信號，從而實現對變換器的精確控制。取輸入電壓的誤差送入系統前饋校正電路中，輸出補償量加入到模糊PID控制輸出量，和一起組成變換器的占空比控制量d。圖中：Uref2、Uref1分別為輸入和輸出參考電壓；采用上一周期的輸出占空比值，而不用靜態值D，這樣可確保系統的平滑性和穩定性；M(s)為模糊PID控制器的傳遞函數；G2(s)為前饋補償函數。
3.2PID參數的整定
對于線性系統，PID參數的整定方法有多種，如：
1）ZieglerNichols頻率響應法[2]；
2）Cohencoon響應曲線法[3]；
3）基于積分平方準則ISE整定法[4]；
4）極點配置法；
5)根軌跡法；
6)工程整定法等等。
實際上，DC/DC變換器為一非線性系統，而PID控制只適用于線性系統或有限范圍波動的非線性系統，用一組事先整定好的PID參數，難以達到很好的控制效果，故其適用范圍有限。為提高PID控制系統的控制性能和適用范圍，必須根據偏差實時地改變Kp、Ki、Kd這三個參數，即實時調節PID控制器的增益。其控制框圖如圖5所示。
首先可由DC/DC變換器靜態模型，依據上述線性PID參數整定法，得到較優的Kp，Ki和Kd靜態PID參數值。模糊控制器依據偏差對應每一量化等級，都可得到相對應范圍內較優的Kp′，Ki′和Kd′瞬時值。
一般來說Kp′在偏差e絕對值較小時取較小值，反之取較大值，這樣有利于加快響應速度，同時保證有很好的穩定性；Ki′在偏差e絕對值較小時取較大值，反之取較小值，這樣既有利于保證穩態無靜差，又不會引起積分飽和而使超調增大、調節時間延長；微分系數Kd′在偏差e的絕對值較小時取較大值，反之取較小值，這樣有利于加快對小偏差的反應速度，提高控制器對干擾的靈敏度，在出現干擾時可及時調節。
4仿真及實驗結果
本控制系統實驗采用TMS320F240型DSP，輸入交流電壓為110～250V，輸出為直流10V，頻率為60kHz，L=120μH，C=960μF,帶電阻性負載。應用PSPICE對本系統進行了仿真，仿真結果如下圖6所示。實驗結果如圖7所示，在t=0.035s時，系統受到輸入電壓的階躍干擾。由仿真和試驗結果可知，模糊PID控制具有較滿意的控制效果和較快的動態性能。 5結語
本文通過狀態平均法，獲得了Buck電路電壓反饋控制下的動態小信號模型和傳遞函數，其控制系統采用數字模糊PID控制。通過使用對非線性、時滯系統具有較好控制效果的模糊控制，對PID參數進行監控，大大提高了PID控制系統的精度、響應速度和適用范圍。仿真與實驗結果表明，采用本控制方法，系統具有較高的電壓調整精度和較快的動態響應速度，適用范圍大，抗干擾能力強等特點，特別是抗輸入電壓干擾能力。由于采用數字控制，控制系統可調整性好，抗外界干擾能力也得到加強。另外，如果本控制方法與遺傳算法相結合，利用遺傳算法進行對模糊規則的設計和控制，則可彌補模糊控制器缺乏系統設計方法的缺點，從而實現對變換器的智能控制[5]。