boost的PID和FUZZY调节电路

PID 和 FUZZY 对 BOOST 电路的控制及仿真 目 录 第一章 绪 论 1 第二章 PID 对 BOOST 电路的控制及仿真 2 2 1 设计要求 2 2 2 设计思路 3 2 3 设计过程 3 2 4 调制过程 7 2 5 仿真结果及分析 9 第三章 FUZZY 对 BOOST 电路的控制及仿真 13 3 1 设计要求 13 3 2 设计思路 13 3 3 设计过程 13 3 3 调试及仿真结果 15 附录 参考文献 PID 和 FUZZY 对 BOOST 电路的控制及仿真 1 第一章第一章 绪绪 论论 本文采用的 boost 电路是一种开关直流升压电路 即可以使输出电压比输入电压 高它 主要通过调节占空比的大小控制输出电压的大小 是一种简单常用的拓扑结构 应用范围广 本文采用 PID 控制和模糊控制两种方法控制 boost 电路 使其达到一定 的标准 PID 比例 积分 微分 控制器作为最早实用化的控制器已有 70 多年历史 现在 仍然是应用最广泛的工业控制器 PID 控制器简单易懂 使用中不需精确的系统模型 等先决条件 因而成为应用最为广泛的控制器 PID 控制 实际中也有 PI 和 PD 控制 PID 控制器就是根据系统的误差 利用比例 积分 微分计算出控制量进行控制的 比例控制是一种最简单的控制方式 其控制器的输出与输入误差信号成比例关系 当 仅有比例控制时系统输出存在稳态误差 为了消除稳态误差 在控制器中必须引入 积分项 积分项对误差取决于时间的积分 随着时间的增加 积分项会增大 这 样 即便误差很小 积分项也会随着时间的增加而加大 它推动控制器的输出增大使 稳态误差进一步减小 直到等于零 因此 比例 积分 PI 控制器 可以使系统在 进入稳态后无稳态误差 微分项能预测误差变化的趋势 具有抑制误差的作用 可以 避免被控量的严重超调 本文利用这个原理通过给系统添加补偿函数实现对系统的控 制 模糊控制是采用由模糊数学语言描述的控制律 控制规则 来操纵系统工作的控 制方式 按照模糊控制律组成的控制装置称为模糊控制器 模糊控制的特点是不需要 考虑控制对象的数学模型和复杂情况 而仅依据由操作人员经验所制订的控制规则就 可构成 凡是可用手动方式控制的系统 一般都可通过模糊控制方法设计出由计算机 执行的模糊控制器 模糊控制所依据的控制律不是精确定量的 其模糊关系的运算法 则 各模糊集的隶属度函数 以及从输出量模糊集到实际的控制量的转换方法等 都 带有相当大的任意性 对于模糊控制器的性能和稳定性 常常难以从理论上作出确定 的估计 只能根据实际效果评价其优劣 我们本次仿真的目的是学习使用 MATLAB 并在 MATLAB 中建立电力电子仿真电路 模型 通过仿真 BOOST 的 PID 控制 调整参数 更深入理解 PID 控制 对 BOOST 电路 进行 FUZZY 控制的仿真 对 FUZZY 的工作原理和方式更好理解 PID 和 FUZZY 对 BOOST 电路的控制及仿真 2 第二章第二章 PID 对对 BOOST 电路的控制及仿真电路的控制及仿真 2 1 设计要求 1 设计一个升压电路 使输入电压在 20V 到 95V 输出电压为 100V 且输出电流不超 过 18A 2 稳定时输出电压波动 1 3 切载时波动 5 4 在输入为 75V 时效率 95 5 给出典型波形及效率曲线 2 2 设计思路 PID 对 BOOST 电路的闭环控制框图如下 ref V c G s m Gs vd Gs H s 电源扰动 负载扰动 vs Gs o Z o V 图 1 1 PID 对 BOOST 电路的闭环控制框图 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 与之相比较的给定电压值 Vref PID 和 FUZZY 对 BOOST 电路的控制及仿真 3 2 3 设计过程 开环 boost 电路 Boost 电路是一种升压型电路 其输出电压与输入电压之比为 1 1 D 其中 D 是占空 比 本设计将输入电压设定在 75 伏 输出电压为 100 伏 根据各项要求指标计算 2 1 D U U in o 1 1 根据要求 输入设定为 60 伏 D 取 0 4 2 2 I U o o R 输出电流不超过 18A 令 R 6 为了使电路电流连续 即的最大值 IIoco IIoco 2 3 1 2 2 D U I D L T o oc 当 D 1 3 时 取最大值 计算可得 L 4 12 H 本设计中 L 取值 10 H Ioc 根据要求 纹波要小于 1U 2 4 o o DT C I U C 取 500 F 根据 电力电子系统建模及控制 利用小波分析方法 BOOST 电路开环传递函数 2 5 2 2 2 1 1 s s 1 1 D o vd L D R L LCS R U D G S 将 D R L C 带入公式可以得到传递函数 4 926 2 77860 s 51 6670 36 10 1010 vd s s G s 在 MATLAB 仿真模型中 选用的三角波幅值为 1V 频率为 100kHz 则 PID 和 FUZZY 对 BOOST 电路的控制及仿真 4 1 1 m m Gs V 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 100 1 100 ref o V H s V 图 2 2 boost 电路仿真图 利用 MATLAB 画出开环电路的波特图 PID 和 FUZZY 对 BOOST 电路的控制及仿真 5 图 2 3 开环电路的波特图 补偿函数的计算 设超前滞后补偿网络的传递函数形式如下 2 6 2 2 s 1 1 C z S p s f G s f 函数中 分母中的 s 的作用是使波特图中低频段贴近 0 使响应更加稳定 zp ff 分子可以使波特图相角裕度升高 分母的平方相是为了将波特图高频段压低减小高频 的干扰 原始回路函数存在两个相近的极点 其频率约为 1 2 可以将补偿函数LC 的两个零点频率设计为原始回路函数的两个相近极点的 1 2 即 2 7 1212 1 2 zzpp fff 代入数值可取得补偿函数的零点频率为 1125 4Hz 令补偿函数的极点频率与原始回路函数的零点相同 取值约 23pp f ZESR f 34377 5Hz 将各数值代入补偿函数中得 2 2 s 1 7071 1 1 216000 C S s G s 利用 MATLAB 画出其波特图如下 PID 和 FUZZY 对 BOOST 电路的控制及仿真 6 图 2 4 初步补偿后的波特图 2 4 调制过程 首先利用比例常数 K 将曲线抬高 设 K 50 此时的波特图如下 可以看到 相角裕度小于 45 度 此时我们将补偿函数的零点缩小 使相角得以 充分升高后下降 令补偿函数为 PID 和 FUZZY 对 BOOST 电路的控制及仿真 7 2 2 s 50 2 1 7071 1 1 216000 C S s G s 此时的波特图如下 为是低频段的曲线靠近 0 又不小于 0 将 K 适当减小 此时会平移截止频率 相 角裕度也会稍有增加 经不断尝试 在 K 取 12 时 效果很好 此时的波特图如下 PID 和 FUZZY 对 BOOST 电路的控制及仿真 8 2 5 仿真结果及分析 图 2 5 PID 对 BOOST 电路控制仿真图 图 2 6 当输入为 75V 时的输出电压波形 图 2 7 输入为 75V 时切载纹波 PID 和 FUZZY 对 BOOST 电路的控制及仿真 9 图 2 8 当输入为 20V 时的输出电压波形 图 2 9 输入为 20V 时切载纹波 图 2 10 当输入为 50V 时的输出电压波形 PID 和 FUZZY 对 BOOST 电路的控制及仿真 10 图 2 11 输入为 50V 时切载纹波 图 2 12 当输入为 95V 时的输出电压波形 图 2 13 输入为 95V 时切载纹波 仿真结果基本符合各项要求指标 仿真中的切载是切半载 在切轻载时 如将负 载设为 1000 时 电压会稳定在 110V 这是因为在一个周期内电容没有充分放电 积累的电压加在负载两端 是输出电压高于 100V PID 和 FUZZY 对 BOOST 电路的控制及仿真 11 效率曲线如下 PID 和 FUZZY 对 BOOST 电路的控制及仿真 12 第第 3 章章 FUZZY 对对 BOOST 电路的控制及仿真电路的控制及仿真 3 1 设计要求 1 设计一个升压电路 使输入电压在 20V 到 95V 输出电压为 100V 且输出电流不超 过 18 安 2 稳定时输出电压波动 1 3 切载时波动 5 4 在输入为 75V 时效率 95 5 给出典型波形及效率曲线 3 2 设计思路 将测得电压信号与参考电压比较后 得到一个误差信号 E E 经过差分和比例放 大后会形成 将他们送入 FUZZY 模块中 经过模糊推理后会给出控制信号 与记E 忆器中的信息累加起来然后与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 3 设计过程 建立 FUZZY 文件 选择两个输入分别为 E 和 EC 一个输出 U 如图所示 PID 和 FUZZY 对 BOOST 电路的控制及仿真 13 图 3 1 建立 FUZZY 文件 对输入和输出都用了 7 个隶属函数 E 和 EC 变化范围是 10 到 10 输出的变化范围 是 1 到 1 其中 E 如图下所示 图 3 2 对输入 E 的设置 对于另外一个输入和输出的设置是类似的 添加规则库 根据输入量的程度推理输出量 列表如下 根据表格对函数添加了规则库 EC ENBNMNSZEPSPMPB NBNBNBNBNBNMNSZE NMNBNBNBNMNSZEPS NSNBNBNMNSZEPSPM ZENBNMNSZEPSPMPB PSNMNSZEPSPMPBPB PMNSZEPSPMPBPBPB PBZEPSPMPBPBPBPB PID 和 FUZZY 对 BOOST 电路的控制及仿真 14 规则库如下 搭建 MATLAB 仿真模型 图 3 3 fuzzy 对 boost 电路的控制仿真图 3 3 调试及仿真结果 根据模糊控制器的输入输出范围确定了限幅范围以及三角波幅值为 1 到 1 主要 PID 和 FUZZY 对 BOOST 电路的控制及仿真 15 调试的参数是作为控制器输入的两个变量 E 和 EC 前面的系数 使误差及误差变化率 可以映射到控制器中 经过不断调试 最终将误差前的系数确定为 1 6 误差变化率 前的系数为 150 仿真图如下 图 3 4 输入为 20V 时输出电压波形 图 3 5 输入 20V 时电压纹波 图 3 6 输入为 50V