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2021-04-13
英雄孤寂
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1 引言
DC/DC变换器是一种强非线性电路，电路的电气参数存在不确定性，负载性质也是多变的，主电路的性能必须满足负载大范围的变化，同时它还具有离散和变结构的特点，所有这些使DC/DC变换器控制器的设计较为复杂。由于传统的控制方法是基于线性系统理论，所以，应用于DC/DC变换器中并不能获得理想的动态性能。
有两种途径可以不利用线性系统理论。一种是建立一种精确的非线性模型，但是，这种方法需要复杂的数学推导，经常导致复杂的控制算法，而不适合实际应用。另一种方法是把的启发式推理规则用于学习控制系统，即智能控制，它不需要建立精确的数学模型，并且对于电路参数变化具有良好的鲁棒性。
2 智能控制
智能控制是控制理论发展的高级阶段，它的建立和发展是以众多新兴学科为基础的。智能控制的基本出发点是仿人的智能实现对复杂不确定性系统进行有效的控制。目前智能控制设计的途径有：
1）基于专家系统的专家智能控制；
2）基于模糊推理和计算的模糊控制；
3）基于人工神经网络的神经网络控制；
4）基于信息论，遗传算法和以上三种算法的集成型智能控制。
本文将重点讨论模糊控制，神经网络控制以及模糊神经网络控制在DC/DC变换器中的应用。
3 模糊控制在DC/DC变换器中的应用
模糊控制是应用模糊集合理论的控制方法，提供一种实现基于知识（规则）的，甚至语言描述的控制规律的新机理，例如：如果输出电压误差是正的，并且它的变化率是负的，那么轻微减少占空比等等。所以，模糊控制设计方法比较简单。虽然，相对于传统控制器，模糊控制通常不能提供更好的小信号响应，但是，它是基于启发式推理规则的，在非线性的DC/DC变换器中应用是非常容易的。
模糊控制的基本思想是基于专家经验和领域知识，总结出若干条以IF（条件）THEN（作用）形式表示的模糊控制规则，构成描述具有不确定性复杂对象的模糊关系，通过被控系统输出误差及误差变化和模糊关系的推理合成获得控制量，从而对系统进行控制。
模糊控制采用带修正因子的模糊控制器，其控制规则为
μ（k）=ε（k）＋（1－α）εc（k）
式中：μ（k）为输出与测量值之差；
εc（k）为给定值与测量值之差，εc（k）=ε（k）－ε（k－1）为误差变化率；
α为加权修正因子，在0～1之间取值。
通过调整加权系数，就可对控制规则进行修正。以α作为调整参数是很方便的，因为，α取值大小直接影响着被控量误差和误差变化率的加权程度，当被控对象数学模型的阶次较高时，对误差变化率的加权应大于误差的加权值，因而α可取较小值，反之亦然。
模糊控制框图如图1所示。模糊控制器被分为4个部分：
1）模糊化，即将输入值转化为模糊量；
2）知识库，通常由数据库和模糊控制规则库组成；
3）模糊推理，它是模糊控制器的核心，具有模拟人的，基于模糊概念的推理能力，该推理过程是基于模糊逻辑中的蕴涵关系及推理规则来进行的；
4）非模糊化，即将模糊推理得到的模糊量变换为实际用于控制的精确量。
图1 模糊控制框图
3.1 模糊控制在DC/DC变换器反馈控制中的应用
DC/DC变换器的模糊控制框图如图2所示。
图2 DC/DC变换器的模糊控制框图
图中DC/DC变换器用一个黑箱表示，其上有四个端子，分别接输入电压us，输出电压uo，电感电流iL和控制开关S。其中只有输出电压和电感电流送入了模糊控制器。
模糊控制规则基于以下几条标准：
1）当变换器的输出远离设置点时，大幅度调整占空比，以使输出快速回到设置点；
2）当变换器的输出接近设置点时，可以稍微调整一下占空比；
3）当变换器的输出在设置点附近并且快速接近它时，应当保持占空比不变，以防止有超调量；
4）当变换器的输出到达了设置点并且仍在变化时，稍微变化占空比以防止输出远离设置点；
5）当输出到达了设置点并保持稳定时，占空比保持不变；
6）当输出超过了设置点，应减小占空比，反之亦然。
通常同样的模糊控制规则可以应用在几种不同类型的DC/DC变换器中，只是一些比例因子要根据变换器的不同拓扑和参数做相应的调整。
文献［1］把模糊控制应用于Cuk变换器的电压反馈中，但只利用了输出电压和它的变化率，没有考虑电感电流，虽然与PID控制相比其输出电压波动小于PID控制，并且具有较快的瞬态响应，但是，动态性能还是不够理想。
文献［2］分别把模糊控制应用于Buck-Boost和Sepic变换器中，模糊控制器利用了三个输入变量：输出电压误差εu；电感电流误差εi；电感电流iL。相对于只利用输出电压变量的模糊控制器来说，动态性能更令人满意。同时，通过仿真证明了模糊控制与传统控制方法具有同样快和稳定的小信号响应，并且改进了大信号响应性能。
3.2 模糊控制在主从均流控制的并联DC/DC变换器中的应用
利用主从控制方法并联工作的变换器具有大量的控制环，所以，很难得到系统的实际模型。传统的控制方法是基于简单平均化的线性模型，在负载大范围变化和存在干扰的情况下，则得不到很好的动态响应。模糊控制方法克服了建立复杂模型的困难，因此，可以应用于实际工程中，并且用数字和模拟方法都可以实现。
文献［3］把模糊控制引入到均流环中，可以得到快速且鲁棒性强的瞬态响应。把经过PD控制的均流误差送入模糊控制器，利用PID控制的结果得出模糊推理规则，仿真结果表明负载分别为额定负载的50％和90％时，瞬态响应良好。
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