基于Pid Fuzzy控制Boost电路的设计以及MATLAB仿真

1、用Pid Fuzzy控制Boost电路 专业：电气工程 学号：11111111 姓名：11111111Boost升压电路的Pid及Fuzzy控制及仿真111111111摘要：随着现代科学技术的快速发展，电力电子技术在军事、工业、民用中都得到了广发的应用，尤其是依托于电力电子技术的开关电源更是突飞猛进；本文简单论述了用Pid Fuzzy控制Boost电路的方法，文中没有对信号模型的化简计算等做过于详尽的分析，主要是学会作为研究生遇到问题时，如何查找资料、整理思路解决问题，以及如何撰写论文，为以后的科学研究工作打下基础。关键词：Boost；Fuzzy；Pid；升压电路一、 作业目的1. 学习Boo

2、st电路的基本原理，学习MATLAB在电力电子技术中的应用。2. 掌握Pid控制及其调节机理，了解Fuzzy控制器的设计过程及基本工作原理。3. 掌握解决问题的基本步骤以及如何撰写论文。二、 仿真电路要求指标1. 输入电压Ui：20V95V；输出电压Uo：100V；满载输出电流Io=18A2. 纹波：Vripple1%Io=18A3. 效率：Ui=75V时954. 负载切换时输出电压Uo纹波要求：满载切半载、半载切1/10载时Vripple1%；满载切1/10载时Vripple5%5. 自定义参数：开关频率f=100KHz三、 参数计算、电路设计及仿真模拟1. 参数计算1) 电阻的计算由输出电

3、压Uo=100V，输出电流Io=18A得满载电阻=5.5562) 电感的计算由已知条件输入电压20V95V，输出电压Uo=100V得占空比：Boost升压电路的临界电感方程：对上式求导得处有最大值又0.05<D<0.8满足要求考虑到电感预量取L=10uH3) 电容C的计算由得考虑到电流连续电流和占空比均取最大值考虑到电感预量取C=500uF2. Boost主电路及Pid的设计1) 主电路图2-1图2-1 Boost主电路拓扑上图中各器件均的内阻都很小，可以看成是理想器件2) Pid控制Boost电路拓扑2 图2-2图2-2 Boost电路的Pid闭环控制系统模型3) Boost电路

4、的Pid闭环控制系统传递函数整定 图2-3Gvd（s）Gm（s）Gc（s）Vref E（s） V（s） 参考信号B（s）反馈信号 Vo（s）H（s） 图2-3 Boost电路的Pid闭环系统框图由上图得到传递函数的关系如下：上式子中：Boost电路开关MOSFET到书输出VO的传递函数：PWM脉宽调制器的传递函数：反馈回路的传递函数：为补偿网络的传递函数4) 传递函数的计算以下参数整定参考徐德红的电力电子建模及控制一书中的第四章节（DC/DC变换器反馈控制设计）i. ：为反馈传递函数，Boost的输出电压稳定在100V，所以用100V作为参考电压，计算式子为ii. ：为脉宽调制波形的传递函数，

5、本例中采用幅值为的三角波作为脉宽调制信号，三角波的频率为100kHz iii. ：所参考书目中，在不考虑电感电容电阻的情况下，即将Boost主电路模型做小信号分析处理得到Boost主电路由MOSFET开关的输入到输出的传递函数为式中：=5.556负载电阻的电阻值C=500uF输出电压滤波电容值（输入电压定位75V）将 带入公式中： 3. Pid控制器补偿函数的计算以及调节1) Boost的伯德图分析将输入MATLAB得到校正前系统的Bode图3-1图3-1 校正前系统Bode图对于闭环系统的特征方程式我们知道如果系统传递函数有极点在虚轴上或是在s平面的右半边，则系统为不稳定系统，而特征方程式中

6、包含了所有闭环极点的信息，因此可以通过分析的特征全面把握系统的稳定性，包含了从误差信号到反馈信号之间回路中各个环节的全部传递函数，称为回路增益函数，。这里涉及两个概念，增益裕量GM和相位预量PM。增益裕量：指回路增益函数的相位为时，在满足系统稳定的前提下，回路增益函数所能所能容许增加的量（dB），称为相位交越频率。一般来说增益裕量大的系统比增益裕量小的系统稳定。相位裕量：就是当闭环系统达到不稳定之前，其回路内所能容许增加的相位，就是增益函数的幅值为0分贝时，回路增益函的相移与之差2。由系统的原始传递函数的图像可以看出，系统的低频段的幅值约为42dB，中频段以为斜率-40dB/dec穿越0dB线

7、，相频图像在提前穿越-180o线，可知系统是不稳定的。2) 补偿函数的计算由徐德红的电力电子建模及控制一书中的第四章节知道：根绝最小相位系统原理，最小相位系统的幅频特性和相频特性之间存在一一的对应关系，幅频特性的水平线对应相频图中相移为0°；幅频图中-20dB/dec的折线对应相频图中的相移为-90°；-40dB/dec对应的相移为-180°；+20dB/dec的折线对应相移为90°，其他的同理。综上所述可以增加补偿网络，使得Pid控制Boost的回路增益函数 的幅频图在增益交越频率处的斜率为-20dB/dec因为根据最小相位系统的性质，当幅频图的斜率为

8、-20dB/dec的折线对应的相移为-90°，这样一般可以使得的相频图在增益交越频率的相移大约-180°，也就是说系统的相位裕量PM>0；还需保证在相位交越频率处，的增益小于零即增益裕量大于零，但是为了保证系统的稳定性，通常系统的bode图要以-20dB/dec穿过0dB线，系统的相位预量在45°左右，增益裕量在10dB左右3。系统的原传递函数补偿后回路函数的增益交越频率的确定：在此处增益为0dB，幅频特性的bode图以-20dB/dec穿越0dB线0dB线，理论上补偿后的回路增益交越频率可以设定为开关频率的1/2，但是为了抑制开关的纹波，推荐增益交越频率小

9、于1/5的较为恰当，这里为了取整采用零点的确定：原函数有两个相近的极点，极点频率，由经验公式可使得补偿函数的两个零点设为极点的确定：原函数为升压变换器的传递函数，在坐标平面的右半部分存在零点，我们可以用的极点来补偿的零点。综上得到补偿网络的传递函数得到3) Pid的调节但是在实际求解后得到的MATLAB仿真中出现了一个问题那就是Boost的纹波过大，升压效果不好，实际绘制传递函数发现由于补偿传递函数的两个零点选在为，出现的较晚，使得系统bode图的相频特性曲线没有足够的时间上升，出现了相频特性曲线相角裕度偏小的情况。针对上面问题将系统的补偿零点再次提前取 得到并且理论计算得到的k值偏大，实际测

10、试发现k=20效果较好，得到绘制矫正后的系统bode图如图3-2 图3-2 矫正后系统bode图4. 仿真模拟结果图1) 输入电压20V时输出电压波形图4-1及纹图4-2 图4-1 输入电压20V输出电压波形图4-2 输入电压20V时输出电压纹波 由上图可知输入为20v电压纹波符合要求，且2) 输入电压42.5V输出电压波形4-3及纹波图4-4图4-3 输入电压42.5V输出电压波形图图4-4 输入电压42.5V输出电压纹波图 由上图可知输入为20v电压纹波符合要求，且3) 输入电压75V输出电压波形图4-5纹波图4-6图4-5 输入75V时输出电压波形图图4-6 输入电压75V输出电压纹波图

11、由上图可知输入为75v电压纹波符合要求，且4) 输入电压95V输出电压波形图4-7纹波图4-8图4-7 输入电压95V时输出电压波形图 图4-8 输入电压95V时输出电压纹波图 由上图可知输入为95v电压纹波符合要求，且5) 满载切半载时电压波动图4-9图4-9 满载切半载电压纹波图由图可知满载切半载时电压纹波符合要求，且6) 由满载切十分之一载电压波动图4-10图4-10 由满载切十分之一载电压波动图由上图可知电压纹波符合要求，且7) 由半载切十分之一载波形图4-11图4-11 由半载切十分之一载波形图由上图可知电压纹波符合要求，且8) 数据分析5. 效率曲线的测量及绘制1) 测量电路的MA

12、TLAB仿真图如图5-1图5-1 测量电路的MATLAB仿真图输入功率为：输出功率为：效率： 2) 效率曲线绘制负载电阻R5.55611.11222.224304050机械效率0.99750.99580.99240.99130.98990.9897利用MATLAB作图如图5-2图5-2 输入电压75V时输出负载效率曲线(指标表格在作业最后一页！)四、 小结随着现代科学技术的不断发展，在自动控制领域出现了许多更加复杂的控制系统，比如模糊控制、神经网络控制、遗传算法等，这些方法适用于那些系统结构复杂、不能简化为线性系统的控制领域，但是传统的控制方式Pid控制依然被应用与大多数的控制系统当中，因为它

13、技术成熟、结构简单、运行可靠，并且容易被技术人员掌握，尤其在航天科技以及军工等领域，大多数控制系统依然采用经典控制作为控制系统，本文中的Pid控制Boost的作业基本达到了老师的要求，所有纹波均在要求范围内，但是系统超调有些过大，此为不足之处，在以后的设计过程中一定会多加改进。参考文献：1 林飞.杜欣.电力电子应用技术的MATLAB仿真M.北京：中国电力出版 社，2009.42-51.63.71.97-1132 夏德钤.翁贻方.自动控制原理M.北京：机械工业出版社，2007.23- 29.189-190.2203 徐德鸿.电力电子系统建模及控制M.北京：机械工业出版社， 2005.95-106

14、Boost升压电路的Fuzzy控制及仿真一、 作业目标1. 学习Boost电路的基本原理，学习Fuzzy在MATLAB在电力电子技术中的应用。2. 掌握Fuzzy控制及其调节机理，了解Fuzzy控制器的设计过程及基本工作原理。3. 掌握解决问题的基本步骤以及如何撰写论文。二、 仿真电路要求指标1. 输入电压Ui：20V95V时输出电压Uo：100V；满载输出电流Io=18A2. 纹波：Vripple1%Io=18A3. 测试输入电压为20V、42.5V、75V、95V时候的输出电压纹波4. 负载切换时输出电压Uo纹波要求：满载切半载、半载切1/10载时Vripple1%；满载切1/10载时Vr

15、ipple5%三、 Fuzzy控制器的设计及MATLAB仿真1. Fuzzy控制Boost的仿真模型1如图1-1图1-1 Fuzzy控制Boost的仿真模型Fuzzy的文件图1-2图1-2 Fuzzy的文件图2. Fuzzy控制器的设计步骤图2-1为模糊控制器的组成图，他包含有模糊化接口、规则库、模糊推理、清晰化接口等部分。输入变量是过程实测变量与系统设定值之差值。输出变量是系统的实时控制修正变量。模糊控制的核心部分是包含语言规则的规则库和模糊推理。迷糊推理就是一种模糊变换，他将输入量的模糊集变为输出量的模糊集，实现论域的转换。图2-1 模糊控制器的组成图1) 模糊化（Fuzzificatio

16、n）将模糊控制器输入量的确定值转换为相应的模糊语言变量值的过程，此相应的语言变量值均由对应的隶属度来定义；所涉及的模糊概念的论域有三个：偏差E、偏差变化率CE、输出量OUT2。偏差E：为输出电压与参考电压的差值，此后还要增加放大环节Gain，和限幅环节saturation；放大环节可以调节Fuzzy的控制性能，限幅环节将输出值迅速对应到Fuzzy的论域内。偏差变化率CE：只有偏差一个量时，Fuzzy的矫正速度比较慢，所以加入偏差的导数环节，即得到偏差变化率CE，E与EC均有七组模糊语言变量2偏差模糊子集偏差变化率模糊子集E与EC在MATLAB中的隶属度函数如图2-1图2-2图2-1 E隶属函数

17、的设定图2-2 CE隶属函数的设定模糊化将输入值匹配成语言值。同时，输入值对于相应语言变量语言值的隶属度也被确定。2) 模糊推理模糊推理包括三部分：大前提、小前提和结论。打前提是多个多维模糊条件语句，构成规则库；小前提是一个模糊判断句。以已知的规则库和输入变量为依据，基于模糊变换推出新的模糊命题，作为结论的过程叫做模糊推理。此处采用马达尼法则。规则库· 1. If (E is NB) and (EC is NB) then (OUT is PB) (1) · 2. If (E is NB) and (EC is NM) then (OUT is PB) (1) ·

18、 3. If (E is NB) and (EC is NS) then (OUT is PM) (1) · 4. If (E is NB) and (EC is ZE) then (OUT is PM) (1) · 5. If (E is NB) and (EC is PS) then (OUT is PM) (1) · 6. If (E is NB) and (EC is PM) then (OUT is ZE) (1) · 7. If (E is NB) and (EC is PB) then (OUT is ZE) (1) · 8. I

19、f (E is NM) and (EC is NB) then (OUT is PB) (1) · 9. If (E is NM) and (EC is NM) then (OUT is PB) (1) · 10. If (E is NM) and (EC is NS) then (OUT is PM) (1) · 11. If (E is NM) and (EC is ZE) then (OUT is PS) (1) · 12. If (E is NM) and (EC is PS) then (OUT is PS) (1) · 13. If

20、 (E is NM) and (EC is PM) then (OUT is ZE) (1) · 14. If (E is NM) and (EC is PB) then (OUT is ZE) (1) · 15. If (E is NS) and (EC is NB) then (OUT is PM) (1) · 16. If (E is NS) and (EC is NM) then (OUT is PM) (1)· 17. If (E is NS) and (EC is NS) then (OUT is PM) (1) · 18. If

21、(E is NS) and (EC is ZE) then (OUT is PS) (1) · 19. If (E is NS) and (EC is PS) then (OUT is PS) (1) · 20. If (E is NS) and (EC is PM) then (OUT is ZE) (1) · 21. If (E is NS) and (EC is PB) then (OUT is ZE) (1) · 22. If (E is ZE) and (EC is NB) then (OUT is PM) (1) · 23. If

22、(E is ZE) and (EC is NM) then (OUT is PM) (1) · 24. If (E is ZE) and (EC is NS) then (OUT is PS) (1) · 25. If (E is ZE) and (EC is ZE) then (OUT is ZE) (1) · 26. If (E is ZE) and (EC is PS) then (OUT is NS) (1) · 27. If (E is ZE) and (EC is PM) then (OUT is NM) (1) · 28. If

23、(E is ZE) and (EC is PB) then (OUT is NB) (1) · 29. If (E is PS) and (EC is NB) then (OUT is ZE) (1) · 30. If (E is PS) and (EC is NM) then (OUT is ZE) (1) · 31. If (E is PS) and (EC is NS) then (OUT is NS) (1) · 32. If (E is PS) and (EC is ZE) then (OUT is NS) (1) · 33. If

24、(E is PS) and (EC is PS) then (OUT is NM) (1) · 34. If (E is PS) and (EC is PM) then (OUT is NM) (1) · 35. If (E is PS) and (EC is PB) then (OUT is NM) (1) · 36. If (E is PM) and (EC is NB) then (OUT is ZE) (1) · 37. If (E is PM) and (EC is NM) then (OUT is ZE) (1) · 38. If

25、(E is PM) and (EC is NS) then (OUT is NS) (1) · 39. If (E is PM) and (EC is ZE) then (OUT is NS) (1) · 40. If (E is PM) and (EC is PS) then (OUT is NM) (1) · 41. If (E is PM) and (EC is PM) then (OUT is NB) (1) · 42. If (E is PM) and (EC is PB) then (OUT is NB) (1) · 43. If

26、(E is PB) and (EC is NB) then (OUT is ZE) (1) · 44. If (E is PB) and (EC is NM) then (OUT is ZE) (1) · 45. If (E is PB) and (EC is NS) then (OUT is NM) (1) · 46. If (E is PB) and (EC is ZE) then (OUT is NM) (1) · 47. If (E is PB) and (EC is PS) then (OUT is NM) (1) · 48. If

27、(E is PB) and (EC is PM) then (OUT is NB) (1) · 49. If (E is PB) and (EC is PB) then (OUT is NB) (1) 3) 清晰化模糊推理得到的结果是一个模糊集或者是他的隶属函数，不能直接用于作为控制量，因此还需要一次转换，将模糊量转换为清晰地数字量，此处清晰化采用最大隶属度法。清晰化隶属函数图2-3图2-3 清晰化隶属函数3. MATLAB仿真结果1) 输入电压20V输出电压图3-1纹波图3-2图3-1输入电压20V输出电压图3-2 输入电压20V输出电压纹波图由上图知输出电压纹波不满足要求；=100V满足要求。2) 输入电压42.5输出电压图3-3纹波图3-4图3-3 输入42.5V输出电压波形图3-4 输入42.5V输出电压纹波由上图知输出电压纹波满足要求；=98.5V满足要求。3) 输入电压75输出电压图3-5纹波图3-6图3-5 输入电压75V输出电压波形图3-6 输入75V输出电压纹波由上图知输出电压纹波不满足要求；=100V满足要求。4) 输入电压95