基于 DSP 的电子负载----电子负载控制器的设计

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第4章电子负载控制器的设计
          前面内容论述了电子负载的整体框架和各部分的软硬件功能，电子负载的核心控制电路是信号板上MOSFET负载电流环，其目的在于实时检测输入电压，调整负载电流。因此，本章对电子负载的负载电流的控制技术来阐述。
       
        首选工程上广泛应用的PI控制器作为电子负载的数字控制器，然后针对其不足，分别对积分分离PID控制器和抗积分饱和PID控制器，进行了研究和仿真测试，为进一步解决PI控制器的鲁棒性差和精度不高的问题，设计了自适应模糊PID控制器，运用模糊数学的基本理论和方法，把模糊控制规则有关的信息（如评价指标、初始实验PID参数等）存入知识库中，使系统的能够根据实际的响应情况，运用模糊推理，自动实现对PID参数的最佳调。
       
        4.1电子负载数字控制方案简介
          电子负载的数字化与智能化的关键在于控制电路的模块数字化和控制功能软件化，性能强劲价格低廉的DSP的出现，数字化技术而得到飞速的发展，使得复杂的控制方法可以通过软件的方式实现，数字控制也成为应用控制理论的必然途径，各式各样的反馈控制方法也被相继用于改善电子负载的瞬时和稳态响应，就目前应用较多的数字控制方式介绍如下：
          （1）PID控制，是最早发展起来的控制策略，由于其算法简单、鲁棒性好及可靠性高，广泛的用于过程控制和运动控制，尤其适用于建立精确数学模型的确定性系统。实际的非线性时变系统，使常规的PID控制器难以达到理想的控制效果，所以需要引进先进的PID控制，如数字PID控制、模糊PID控制、专家PID控制等等。
       
        （2）迟滞控制，是一种以误差比较为基础的边边控制（band-band）系统，根据误差的正负产生的最大修正信号。这种控制方法的优点是简单并不需要知道被控对象的动态模型，缺点是开关频率难以掌握，且在相同频率下涟波较大。
       
        （3）死击控制，数字系统也可以说是取样数据控制系统，也就是说，每隔固定一段时间，控制系统就会根据命令与反馈计算出适当的控制信号。死击控制设计过程明确、方法简明，可以迅速减低误差，但是必须掌握被控对象的动态特性，而且其控制能量会随取样的周期缩短而骤增。
       
        （4）反复控制，利用控制器长时间累积的误差信息来抑制外界的干扰所产生的误差的系统，该控制方法将反馈控制的立足点由瞬间变化量的抑制延伸到长时间的稳态误差消除，可在系统在不可知的扰动下，输出值迅速平滑的保持在设定值附近，对控制精度的提高有很大的益处。缺点在于需要考虑系统的稳定性和收敛速度，重复控制在消除剧烈的负载变化状况时，容易造成系统的稳定度减低。本课题的研究中主要采用了基于DSP的数字PID控制算法，其实现框图如图4.1所示。
         
          DSP在电子负载中充当了PID控制器的角色，数字PID控制是通过DSP内部的程序来实现的，因此它的灵活性很大，一些原来模拟PID控制器中无法实现的问题，在DSP的软件里都可以得到解决，于是可以产生一系列的改进算法，形成非标准的控制算法，来改善系统的品质，满足控制系统的需要。
       
        4.2基于PID控制策略研究
          在工程实际中，应用最为广泛的比例、积分、微分控制简称PID控制，又称PID调节，它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。将偏差的比例（P）、积分（I）和微分（D）通过线性组合构成控制量，用这一控制量对被控对象进行控制，这种控制器就是PID控制器。传统的模拟PID控制都是应用在连续时间控制系统，如下图4.1所示。
         
       
        图4.2中r（t）是电流没定值，y（t）电子负载的实际测量值，e（t）是输入控制器的偏差信号，u（t）是控制器输出的控制量，则PID控制算式如下式（1）所示：
       
        其中：KP是比例系数，T1是积分时问常数，TD是微分时问常数。
       
        （1）增量式PID控制算法
          上式是模拟形式的PID控制算式，现在采用TMSLF2812实现数字PID控制，DSP控制是一种采样控制，它只能根据采样使可得偏差计算控制量，而不能像模拟控制那样连续的输出控制量，进行连续控制，上式中的积分和微分项不能直接使用，必须进行离散化处理。离散化处理的方法为：以T作为采样周期，K作为采样序号，则离散采样时间KT对应连续时间t，用求和的形式代替积分，用增量的形式代替微分，可作如式4.2所示变化。
         
          将上式代入4.1式中就可得离散的PID表达式：
         
       
        如果采样周期取的足够小，则以上的近似计算可获足够的精确结果，离散控制过程与连续控制过程十分接近。为增加控制系统的可靠性，采用增量式PID控制算式，即让TMSF2812只输出控制量的增量△u（k）。式4.3是第k次PID控制器的输出量，那么第k-1次PID控制器的输出所以增量式PID控制算式如式4.4所示：
       
        4.3式和4.4式相减得方程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电子负载控制系统采用恒定的采样周期T，一旦确定了A、B、C，只要前后三次测量的偏差，就可求出控制量。增量式PID控制与位置式PID控制相比仅是算法上有所改变，它只是改变输出增量，而且控制的增量仅与最近的采样有关，这样减少了DSP误操作时对控制系统的影响，而且不会产生积分失控[29]。下图4.3是数字PID控制Simulink模块图。
       
        采用增量式数字PID算法的电子负载，阶跃响应，方波和正弦跟踪如图4.4所示
         
          （2）积分分离PID控制算法
          积分环节的应用是为了消除静差，提高控制精度。但是过程的启动、结束或大幅度的增减设定时，短时间内系统输出有很大的偏差，会造成PID运算的积分积累，致使控制量超过电子负载执行机构可能允许的动作范围最大值，有可能引起系统较大的超调，甚至引起系统较大的振荡，在调试过程是不允许的。
       
        积分分离的思路是，当被控量与设定值偏差较大时，取消积分作用；当被控量接近给定值时，引入积分控制。首先根据所设计电子负载实际情况，认为设定个阈值，恒流模式下，设定阈值ε=0.4（低档位）/3（高档位）；恒压模式下，设定阈值ε=4（低档位）/15（高档位）。其次，当|error （ k ）|＞ε时，采用PD控制，可避免产生过大的超调量，又可使系统有较快的响应。|当error （ k ）|≤ε，采用PI控制，以保证系统的控制精度。
       
        积分分离控制算法可表示为：
       
        式子4.6中，T为电子负载控制环时间，β为积分项的开关系数
       
        采用积分分离PID处理的电子负载，在阶跃响应，方波和正弦跟踪仿真如图4.5所示。由由仿真结果可知，采用积分分离法，在阶跃响应大幅增减时，取消积分作用，消除了对偏差的积累，减少了不必要的振荡，系统的稳定性有了很大的提高。
         
        （3）变积分PID控制算法
          在普通的PID控制算法中，由于积分系数是常数，所以在整个控制过程中，积分增量不变。而系统对积分项的要求是，系统偏差大时积分作用应减弱甚至全无，而在偏差小时则应加强。积分系数取大了会产生超调，甚至积分饱和，取小了又迟迟不能消除静差。因此，如何根据系统偏差大小改变积分速度，对于提高系统品质是很重要。变速积分PID可较好的解决这一问题。变速积分PID的基本思路是，设法改变积分项的累加速度，使其与偏差大小相对应：偏差越大，积分越慢；反之则越快。
       
        积分饱和是指系统存在一个方向的偏差，PID控制器的输出由于积分作用的不断累加而加大，从而使执行机构达到极限位置，若控制器输出继续增大，系统的输出超过正常运行的范围而进入饱和区。进入饱和区越深则退出饱和区所需的时间愈长。此时若执行机构不能随偏差反向做出相应的改变，系统就会像失去控制一样。
       
        是变积分PID算法同样可以防止积分饱和的方法。在电子负载系统计算输出量时。计算u（k）时，首先考虑上一时刻的输出控制量是否已经超过了限制的范围。
       
        若超过执行机构最大值若u（k-1）＞ umax，则只累积负偏差，若没有超出最大值，u（k-1）＜ umax则积累正偏差，从而避免控制量长时间停留在饱和区。
         
          采用变积分PID算法处理的电子负载，阶跃响应，方波跟踪如图4.6所示。
         
          （4）参数的整定
          概括起来有两大类：一是理论计算法，依据系统的数学模型，经过理论计算确定控制器参数。建立模型不仅困难，其中的大量简化也使模型失真，脱离实际情况，即使得到模型，这种方法所得到的计算数据未必可用。二是工程整定方法，它主要依赖工程经验，直接在控制系统的试验中进行，且方法简单、易于掌握，工程应用中被广泛采用。
       
        PID控制器参数的工程整定方法，主要有临界比例法、反应曲线法和衰减法。三种方法各有其特点，其共同点都是通过试验，通过闭环运行或模拟，观察系统的响应曲线，然后根据各参数对系统的影响，凑试不同的参数直至出现理想的响应曲线。