第4章電子負載控制器的設計

前面內容論述了電子負載的整體框架和各部分的軟硬件功能，電子負載的核心控制電路是信號板上MOSFET負載電流環，其目的在于實時檢測輸入電壓，調整負載電流。因此，本章對電子負載的負載電流的控制技術來闡述。

首選工程上廣泛應用的PI控制器作為電子負載的數字控制器，然后針對其不足，分別對積分分離PID控制器和抗積分飽和PID控制器，進行了研究和仿真測試，為進一步解決PI控制器的魯棒性差和精度不高的問題，設計了自適應模糊PID控制器，運用模糊數學的基本理論和方法，把模糊控制規則有關的信息（如評價指標、初始實驗PID參數等）存入知識庫中，使系統的能夠根據實際的響應情況，運用模糊推理，自動實現對PID參數的最佳調。

4.1電子負載數字控制方案簡介

電子負載的數字化與智能化的關鍵在于控制電路的模塊數字化和控制功能軟件化，性能強勁價格低廉的DSP的出現，數字化技術而得到飛速的發展，使得復雜的控制方法可以通過軟件的方式實現，數字控制也成為應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載的瞬時和穩態響應，就目前應用較多的數字控制方式介紹如下：

（1）PID控制，是最早發展起來的控制策略，由于其算法簡單、魯棒性好及可靠性高，廣泛的用于過程控制和運動控制，尤其適用于建立精確數學模型的確定性系統。實際的非線性時變系統，使常規的PID控制器難以達到理想的控制效果，所以需要引進先進的PID控制，如數字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的邊邊控制（band-band）系統，根據誤差的正負產生的最大修正信號。這種控制方法的優點是簡單并不需要知道被控對象的動態模型，缺點是開關頻率難以掌握，且在相同頻率下漣波較大。

（3）死擊控制，數字系統也可以說是取樣數據控制系統，也就是說，每隔固定一段時間，控制系統就會根據命令與反饋計算出適當的控制信號。死擊控制設計過程明確、方法簡明，可以迅速減低誤差，但是必須掌握被控對象的動態特性，而且其控制能量會隨取樣的周期縮短而驟增。

（4）反復控制，利用控制器長時間累積的誤差信息來抑制外界的干擾所產生的誤差的系統，該控制方法將反饋控制的立足點由瞬間變化量的抑制延伸到長時間的穩態誤差消除，可在系統在不可知的擾動下，輸出值迅速平滑的保持在設定值附近，對控制精度的提高有很大的益處。缺點在于需要考慮系統的穩定性和收斂速度，重復控制在消除劇烈的負載變化狀況時，容易造成系統的穩定度減低。本課題的研究中主要采用了基于DSP的數字PID控制算法，其實現框圖如圖4.1所示。

DSP在電子負載中充當了PID控制器的角色，數字PID控制是通過DSP內部的程序來實現的，因此它的靈活性很大，一些原來模擬PID控制器中無法實現的問題，在DSP的軟件里都可以得到解決，于是可以產生一系列的改進算法，形成非標準的控制算法，來改善系統的品質，滿足控制系統的需要。

4.2基于PID控制策略研究

在工程實際中，應用最為廣泛的比例、積分、微分控制簡稱PID控制，又稱PID調節，它以其結構簡單、穩定性好、工作可靠、調整方便而成為工業控制的主要技術之一。將偏差的比例（P）、積分（I）和微分（D）通過線性組合構成控制量，用這一控制量對被控對象進行控制，這種控制器就是PID控制器。傳統的模擬PID控制都是應用在連續時間控制系統，如下圖4.1所示。

圖4.2中r（t）是電流沒定值，y（t）電子負載的實際測量值，e（t）是輸入控制器的偏差信號，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，T₁是積分時問常數，T_D是微分時問常數。

（1）增量式PID控制算法

上式是模擬形式的PID控制算式，現在采用TMSLF2812實現數字PID控制，DSP控制是一種采樣控制，它只能根據采樣使可得偏差計算控制量，而不能像模擬控制那樣連續的輸出控制量，進行連續控制，上式中的積分和微分項不能直接使用，必須進行離散化處理。離散化處理的方法為：以T作為采樣周期，K作為采樣序號，則離散采樣時間KT對應連續時間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表達式：

如果采樣周期取的足夠小，則以上的近似計算可獲足夠的精確結果，離散控制過程與連續控制過程十分接近。為增加控制系統的可靠性，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電子負載控制系統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，而且控制的增量僅與最近的采樣有關，這樣減少了DSP誤操作時對控制系統的影響，而且不會產生積分失控[29]。下圖4.3是數字PID控制Simulink模塊圖。

采用增量式數字PID算法的電子負載，階躍響應，方波和正弦跟蹤如圖4.4所示

（2）積分分離PID控制算法

積分環節的應用是為了消除靜差，提高控制精度。但是過程的啟動、結束或大幅度的增減設定時，短時間內系統輸出有很大的偏差，會造成PID運算的積分積累，致使控制量超過電子負載執行機構可能允許的動作范圍最大值，有可能引起系統較大的超調，甚至引起系統較大的振蕩，在調試過程是不允許的。

積分分離的思路是，當被控量與設定值偏差較大時，取消積分作用；當被控量接近給定值時，引入積分控制。首先根據所設計電子負載實際情況，認為設定個閾值，恒流模式下，設定閾值ε=0.4（低檔位）/3（高檔位）；恒壓模式下，設定閾值ε=4（低檔位）/15（高檔位）。其次，當|error （ k ）|＞ε時，采用PD控制，可避免產生過大的超調量，又可使系統有較快的響應。|當error （ k ）|≤ε，采用PI控制，以保證系統的控制精度。

積分分離控制算法可表示為：

式子4.6中，T為電子負載控制環時間，β為積分項的開關系數

采用積分分離PID處理的電子負載，在階躍響應，方波和正弦跟蹤仿真如圖4.5所示。由由仿真結果可知，采用積分分離法，在階躍響應大幅增減時，取消積分作用，消除了對偏差的積累，減少了不必要的振蕩，系統的穩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，由于積分系數是常數，所以在整個控制過程中，積分增量不變。而系統對積分項的要求是，系統偏差大時積分作用應減弱甚至全無，而在偏差小時則應加強。積分系數取大了會產生超調，甚至積分飽和，取小了又遲遲不能消除靜差。因此，如何根據系統偏差大小改變積分速度，對于提高系統品質是很重要。變速積分PID可較好的解決這一問題。變速積分PID的基本思路是，設法改變積分項的累加速度，使其與偏差大小相對應：偏差越大，積分越慢；反之則越快。

積分飽和是指系統存在一個方向的偏差，PID控制器的輸出由于積分作用的不斷累加而加大，從而使執行機構達到極限位置，若控制器輸出繼續增大，系統的輸出超過正常運行的范圍而進入飽和區。進入飽和區越深則退出飽和區所需的時間愈長。此時若執行機構不能隨偏差反向做出相應的改變，系統就會像失去控制一樣。

是變積分PID算法同樣可以防止積分飽和的方法。在電子負載系統計算輸出量時。計算u（k）時，首先考慮上一時刻的輸出控制量是否已經超過了限制的范圍。

若超過執行機構最大值若u（k-1）＞ u_max，則只累積負偏差，若沒有超出最大值，u（k-1）＜ u_max則積累正偏差，從而避免控制量長時間停留在飽和區。

采用變積分PID算法處理的電子負載，階躍響應，方波跟蹤如圖4.6所示。

（4）參數的整定

概括起來有兩大類：一是理論計算法，依據系統的數學模型，經過理論計算確定控制器參數。建立模型不僅困難，其中的大量簡化也使模型失真，脫離實際情況，即使得到模型，這種方法所得到的計算數據未必可用。二是工程整定方法，它主要依賴工程經驗，直接在控制系統的試驗中進行，且方法簡單、易于掌握，工程應用中被廣泛采用。

PID控制器參數的工程整定方法，主要有臨界比例法、反應曲線法和衰減法。三種方法各有其特點，其共同點都是通過試驗，通過閉環運行或模擬，觀察系統的響應曲線，然后根據各參數對系統的影響，湊試不同的參數直至出現理想的響應曲線。