pid和fuzzy在boost中的应用与MATLAB仿真设计

1、利用PID和FUZZY控制BOOST电路在MATLAB的仿真一、仿真目的：1学习使用MATLAB并在MATLAB建立电力电子仿真电路模型2、 仿真BOOST勺PID控制，调整参数，更深入理解PID控制3、仿真BOOST勺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Vn=5V± 10%2、输出电压V0=12V;3、纹波水平 tipple <70mV;4、输出功率Po=30W5、效率 n> 85%6、超调 d <10%Vo7、 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%

2、9、MOSFET勺开关频率 fs=100kHz.三、仿真步骤及结果：（一） PID控制BOOST勺仿真1、BOOS主电路参数计算（1）BOOS主电路拓扑图1 BOOST电路拓扑VoD(1 D)iL（2）电感的计算LfocVoD(1 D)22Lf只要locWIo则输出电流处于连续状态，则可得电感:2L V°D(1 D)12 0.11372Iocf302.73uH123100 103(3) 输出滤波电容C的计算IoDfC70mVIoDf70 103223.2uF2、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 MOS

3、FET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)BOOSTI路闭环PID参数的设计过程I、BOOSTI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：G(s):补偿器的传递函数；G m(S):三角波的传递函数；G vd(s) : BOOST主电路由MOSFE的输入到输出的传递函数；H(s):反馈回路的传递函数；G vs(s) : BOOS住电路由输入 Vn到输出V0的传递函数； 乙：负载阻抗II、各传递函数的表达式经空1Vo12V(1) 在

4、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：H(s)(2) Gn(s):1V,频率为100kH z,则:Vm 1在MATLAB仿真模型中，选用的三角波幅值为Gm(s)(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, BOOS主电路由占空比输入到输出电压的传递函数可以表达为：Gvd (s)Vin2(1 D)1LCs2 s(1/ RC)1LC其中：LL2(1 D)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 Gd(s)公式中:Gvd(s)(1 0.583)25

5、1“ 1.725 10 5、53 (1s)1.725 10 5 1 1012s s34.8 1 1045.991 10 s4.81633 101 101.667 1010s2 208.333s 3.33 108(4) 设计PID补偿器的传递函数由上面得出的 Gd(s)，在MATLAB绘出开环Bode图如下图所示:13'FreaiM'icvrj 一。005if图4 开环Gd的Bode图由Bode图可以得出如下参数：1 在相位180°时的幅值 ho=-29.1dB;2 令校正后的截止频率fc=(1/5)fs=20kHz ，其幅值为 M=-9.511dB ；3 截止频率时的

6、相位°15.3oK设PID补偿器的传递函数为 Gc(s) Kp(1 b Kds)sK则其频率响应为Gc(j ) Kp(1 丄Kdj )j20lgA( ) 20lg(KpJl (Kd 与)Kic arcta n(KdL)假设校正后的频率 fc=1/5fs=20kHz在fc处微分环节补偿 M的裕度，即有等式：20lg( KpKd)Mr 9.511dB( 1)在180。处补偿器提供的 hc满足如下不等式：hc 20lg(K 11 (Kd 180 邑)2)Y180hc h。 10dB且在 tan 180oKd 180 L180将上式进行化简可得等式：补偿器要补偿的相角为20lg Kp (29

7、.1dB) 10dB(2)45°15.3o 60.3otan 60.3°KdKi(3)其中c1.256 105rad/s综上（1）、（ 2）和（3）式可解出K和Kd三个值:最后可求得校正器的传递函数为:KpKiKd90.1575.227 1023.315 10 8Gc 90.157(15.227 103.31510 8s)III、 PID闭环仿真"oaooi OLOOZ 0.003 Q0D4 0,0050,0050.007 此屈 0,003001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V 4.8 11.98V纹波的细节图如

8、下：由图可以观察到其纹波大致在 输出电流波形如下：图7满载R=4.8时的电压纹波70mV左右，满足指标要求。02.0C10.002ZlD03O.OM10050.006QOO?OOD30u009Ojfll图8满载R=4.8时的输入电流波形由图可以看出电流Ir4.86.8A(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Vr 9.8 12.014V(3 )空载情况空载输出电压波形如下：00.0010,0020,C03Q0040.005Q006D.O070008 O.OD9 0-01图11空载时的电压细节

9、图如下：12.065712J065712CIA5712065712.065712J0G57120657120GK1206560由细节图可以看出空载电压 Vr12.0657V(4 )数据分析满载切半载的负载调整率为:S4.89.6V4.8V9.6勺4.80.284%满载切空载的负载调整率为:满载时的效率为:S4.8 0沪 0715%PoN100% -0W 100%=88.235%1 R 4.8Vin6.8 5由以上数据分析，仿真的结果均满足指标要求。(二) FUZZY控制的BOOS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:1、建立FUZZY文件，选择两个输入分别为

10、E和ED, 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。(FIS khiwBOOSTFUZZYFIS Typ»mrnrtsniArd netrodrvirii+匚 uirerrt vanaDfeOf methodnaxtNa nteTypeInpLit-11mpiictfbinin*new仃cenroicHeitCloseR«naintd FIS to BOOSTFUZZYT,图 14(1) FUZZY 文件FIS Variables回墜E OLtputlMmtefrstiip liiricthin pints日朮 Points

11、.ifilIlNUNS2PSMJ3-1 -CE- -3.S-0.-(1左 t t.22 C.S- U.Shput /triobte T1ED-.IfCEIaNBJand (DE isNSHhan (OUT Is PE)0 P IT Els Mil)血d (DE is 科曲 then (OUTePBJ(I) 3 If E is NS) a Dd (DE is MB) then (OUT is PB) (1)4. If CE is ZE) and DE is HB) then (OUT 辰 PB) (15. If is Pfij and 摩 is NB the-n (OUT 冷 PW) 0 B,

12、If (E is PM) and (DE is N0) than (OUT is PS) (1 7. If CE is PB)BndCDEisNa)then (OUTiB ZE) CD B. If E isNB)ind(DE isNH)then (OUTbPBKD6. If E »NM)ind (DE is NM) than CO JT is P&) (1)HD. lf(Eis NS) and (PE N制)then (OUT is PB)0)11 If ZE)and (DE is MM) then (OUT is PS>(112 lf(E PS)and (DE MM)

13、 then (OUT is7E>(13 If (E PM) and (DE 直 NM) then (OUT U ZE) (1)14. If (E b PB)and (DE is MM) then (OUT is NB> (1)15. If 任 is M&) and (DE i& MS) then (PUT is PB> 1)16 lf(E is HLC and (&E is NS) then (OUT is PB) fl)17 If (E is MS.) and (DE is US) then (OUTis PS> (1、If (E is ZE)

14、 and (DF is h!S) th er (OUT is PS) (1 >19. irfEisPS) and (DE is NS) th er (OUT is ZE) (1 >20. lf(E isPMJanifDE 区忖吕)tfiwn (OUT is NM) f1)esdy图 14(2) FUZZY 文件然后，对该函数添加了规则库，如图15所示：1. If fE iaMBand(DEisNS) then (OUT is PB) (1)2. If CE is MM) anti (DEisrmttiBn (OUT is PB) a. IF (E is MS) and (DE is

15、 MB) then (OUT is PB)1 i 4. If E is ZE) and QDE is NS) then (OUT is PB) 1) E. If (E isP&j and 摩 is NB) then (OUT is PM) (1 3 If (E is PM) and (DE is N0 than (OUT b PS) (1 1 If CE isPB)endCDEbNB) then OLTTis ZE)CO S If CE is MB) snd (DE sNM>ttisn (OUT is P6)(1) 5 If E is MM) and DE is HM)than

16、QLHi&PH) (1)10. If (£ » NS) and (DE N冊 then (OUT ia FB)0) lf(EfiZEflnd (DE is NM) then (OUT is PS> (112 If (E b PS) and (DE MM ttwin (OUT Ib2E> 13 If (E £ PL1) and CDE i& Mh1) th的(OUT is ZE) CD 14. If (E b PB)and (DE is Nhl) then (OUT is NB) 0)15 f (£ is MB and (DE

17、is MS) then (OUT is P0>(1>16 f(E is NU and (&E is 忖them (OUTlsPB)(1)17. f (E is MS) and (DE is MS) then (OUT is PS> (1) n& If (E is ZE) and (DE is US)then (OUT is PS) (1> 19. If (E B PS障nd (pt is(OUT is ZE)ZD. lf(E isPM)anf(OE then (OUTis MM) 口)41 If (E to PM) and (EE is PHI)then

18、 COUTH INB) (1)42. If CE js PB and (DE is Pkl> then (OUT Ib MB) (1)43 IfCf is INB) and tDEi5?B> then (OUTisPBHD44. If (£hNM) and (DE 幅 PBth和(OUT IsPH> (1 >45. If (E is2E and (DE s PB) then (OUTi&NFflj (dj 邨 |f(E is INS) and (DE is PB) then (OUT is PS (1)47. IfCEisPSJsrd (DE is PG) th聞(OUT48. lf(E n PM and DE is PBttiari (OUT i*NB) (1) 49 If (E is PB) and (DE is PB) then (OUT is，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 E，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勺通断