pid和fuzzy在boost中的应用与MATLAB仿真.docx

利用pid和fuzzy控制boost电路在matlab中的仿真一、仿真目的：1、学习使用matlab，并在matlab中建立电力电子仿真电路模型2、仿真boost的pid控制，调整参数，更深入理解pid控制3、仿真boost的fuzzy控制，并对fuzzy的工作原理和方式更好理解二、仿真指标：1、输入电压vin=5v10%；2、输出电压vo=12v；3、纹波水平vripple70mv;4、输出功率po=30w；5、效率85%；6、超调10%vo；7、由半载切满载（或由满载切半载）的电压调整率小于10%；8、由空载切满载（或由满载切空载）的电压调整率小于15%；9、mosfet的开关频率fs=100khz.三、仿真步骤及结果：（一）pid控制boost的仿真1、boost主电路参数计算（1）boost主电路拓扑图1 boost电路拓扑（2）电感的计算只要iocio则输出电流处于连续状态，则可得电感：（3）输出滤波电容c的计算2、boost闭环pid的matlab仿真（1）在simulink中搭建好buck电路的仿真模型，使用开关器件是mosfet，其开关频率用100khz，电感电容分别由上述公式计算得到，电路临界电感为2.3uh，临界电容为223.2uf，如图2所示。图2 boost闭环pid模型（2）boost电路闭环pid参数的设计过程i、boost电路的pid闭环系统框图如图3所示。图3 boost电路的pid闭环系统框图其中：gc(s)：补偿器的传递函数； gm(s) ：三角波的传递函数； gvd(s) ：boost主电路由mosfet的输入到输出的传递函数； h(s) ：反馈回路的传递函数； gvs(s) ：boost主电路由输入vin到输出vo的传递函数；zo：负载阻抗ii、各传递函数的表达式（1） 在matlab仿真中，直接把输出电压作为输出电压，所以反馈回路的传递函数为：（2） gm(s)：在matlab仿真模型中，选用的三角波幅值为1v，频率为100khz，则：（3） gvd(s)：由精通开关电源书中的介绍，在不考虑电路中电感电阻，和电容的内阻的情况下，boost主电路由占空比输入到输出电压的传递函数可以表达为：其中：； r：负载电阻阻值； c：是输出滤波电容的容值； ；将l=6uh,c=1mf,r=4.8,d=0.583带入gvd(s)公式中：（4） 设计pid补偿器的传递函数由上面得出的gvd(s)，在matlab中绘出开环bode图如下图所示：图4 开环gvd的bode图由bode图可以得出如下参数：1在相位180时的幅值h0=-29.1db;2令校正后的截止频率fc=(1/5)fs=20khz，其幅值为mr=-9.511db；3截止频率时的相位设pid补偿器的传递函数为则其频率响应为假设校正后的频率fc=1/5fs=20khz在fc处微分环节补偿mr的裕度，即有等式： （1）在180处补偿器提供的hc满足如下不等式：且在将上式进行化简可得等式： （2）补偿器要补偿的相角为 （3）综上（1）、（2）和（3）式可解出kp、ki和kd三个值：最后可求得校正器的传递函数为：iii、 pid闭环仿真1、matlab建立boost的pid闭环模型图如图5所示：图5 boost的pid闭环模型（1） 将上面算出的pid参数带入模型中pid控制器可得出如下输出波形：图6 满载r=4.8时的电压波形由波形可以看出几乎无超调，且纹波也很小，满载输出电压纹波的细节图如下：图7 满载r=4.8时的电压纹波由图可以观察到其纹波大致在70mv左右，满足指标要求。输出电流波形如下：图8 满载r=4.8时的输入电流波形由图可以看出电流（2）半载情况将负载电阻提高一倍即r=9.6后输出电压如下：图9 半载时的输出电压电压纹波图如下：图10 半载时的纹波电压可以看到此时的输出电压为（3）空载情况空载输出电压波形如下：图11 空载时的电压细节图如下：图12 空载时的电压细节图由细节图可以看出空载电压（4）数据分析满载切半载的负载调整率为：满载切空载的负载调整率为：满载时的效率为：由以上数据分析，仿真的结果均满足指标要求。（二）fuzzy控制的boost仿真在pid仿真模型主电路的基础上，搭建fuzzy控制闭环如图13所示：图13 fuzzy控制的boost仿真模型1、 建立fuzzy文件，选择两个输入分别为e和ed，一个输出，且对他们都用了7个隶属函数，每个函数的变化范围是-1到1，其中e如图下所示。图14(1) fuzzy文件图14(2) fuzzy文件然后，对该函数添加了规则库，如图15所示：图15 fuzzy的规则库2、 电路原理：测得电压信号经过与参考电压比较后得到一个差值信号e，e经过差分和比例放大后会形成，他们送入fuzzy模块中，经过模糊推理会给出控制信号，然后和三角波比较后形成门极脉冲，控制mosfet的通断，进而控制输出电压大小。3、 仿真过程中主要调节了差分环节前的增益k和下面的gain值，只是调节这两个数值fuzzy并不能达到很好的输出，再调节限幅值，便可以在满载的情况下输出较稳定的12v左右的电压。4、 输出电压的波形如图16所示：图16 fuzzy控制下boost的输出电压波形由输出电压的波形可以看出其输出电压的超调很小，电压较稳定。由满载切半载或切空