pid和fuzzy在boost中的应用及MATLAB仿真.pdf

利用利用 PIDPID 和和 FUZZYFUZZY 控制控制 BOOSTBOOST 电路电路在在 MATLABMATLAB 中的仿真中的仿真一、仿真目的一、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、仿真指标二、仿真指标：1、输入电压 Vin=5V±10%；2、输出电压 Vo=12V；3、纹波水平 Vripple<70mV;4、输出功率 Po=30W；5、效率 η≥85%；6、超调 σ<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：三、仿真步骤及结果：〔一〕〔一〕PIDPID 控制控制 BOOSTBOOST 的仿真的仿真1 1、、BOOSTBOOST 主电路参数计算主电路参数计算〔1〕BOOST 主电路拓扑图 1BOOST 电路拓扑〔2〕电感的计算只要 Ioc≤Io那么输出电流处于连续状态，那么可得电感：〔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 2BOOST 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 所示优选..电源扰动负载扰动Gvs(s)VrefGc(s)ZoGm(s)H(s)Gvd(s)Vo图 3BOOST 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)：反响回路的传递函数；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，所以反响回路的传递函数为：（2）Gm(s)：在 MATLAB 仿真模型中，选用的三角波幅值为1V，频率为 100kHz，那么：（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：L L；2(1D)R：负载电阻阻值；C：是输出滤波电容的容值；D VoVin；Vo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 图如以下图所示：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0 15.3设 PID 补偿器的传递函数为Gc(s) Kp(1Ki Kds)s优选..那么其频率响应为Gc(j) Kp(1Ki Kdj)j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：20lg( KpKd)  Mr  9.511dB〔1〕在 180°处补偿器提供的 hc满足如下不等式：且在tan180  Kd180Ki180将上式进展化简可得等式：20lg Kp (29.1dB) 10dB〔2〕补偿器要补偿的相角为c4515.360.3tan60.3  KdcKic〔3〕其中c 2fc1.256105rad / s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 5BOOST 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VR4.811.98V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IR4.8 6.8A〔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〕空载情况优选..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VR012.0657V〔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〕〔二〕FUZZYFUZZY 控制的控制的 BOOSTBOOST 仿真仿真在 PID 仿真模型主电路的根底上，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，对该函数添加了规那么库，如图15 所示：图 15FUZZY 的规那么库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 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 并不能到达很好的输出，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 16FUZZY 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载电压输出不是很理想四、仿真结论四、仿真结论由上述仿真结果知， 通过添加 PID 控制模块的仿真能够满足稳态误差以及指标要求 FUZZY控制器在满载时能较好的满足要求， 但是切载之后很难将输出电压稳到12V这可能是由于规那么库设计的不够完善所导致的。