BOOST电路pid和fuzzy闭环控制仿真

11.设计要求（1）输入电压范围为50-98V，输出电压为100V，额定负载下输入电流20A；（2）纹波（峰峰值）不超过1%；（3）在75V输入条件下效率大于96%。2.boost电路拓扑和各参数值电感参数计算：选定输入电压为75V来计算各参数，此时稳态占空比为0.25，输出电压为100V，开关频率为100KHz。为保持输出电流连续，设电容电流增量为Ioc，应有IocIomax，其中2)1(2DDLTUIooc2)1(202LDDTUo代入可求得电感值为HL52.375.025.02021001025。在仿真中，为了保证电感电流续流，我们取HL20。电容参数计算：电容的选择主要是考虑纹波小于1%，即1V，根据boost电路的纹波计算公式：RCDTUooU可以推出HRUDTUCoo50105.01025.01005在仿真中，为了确保输出电压纹波小于设定值，C取H500。23.PID控制器的boost电路仿真用PID控制器控制的闭环boost电路的原理图如图3.1所示图3.1PID控制的闭环boost电路原理图经过小信号建模可得开环传递函数为2'22'')/()1()(DsRLLCsRDsLUDsGovd代入数据可得11056.31078.1s1074.434.13375.0)10/1020(105001020)1075.010201(10075.0)(62842626626ssssssGvd在matlab中输入下面的程序作出bode图3.2num=[-4.74e-4133.34];den=[1.78e-83.56e-61];margin(num,den);3图3.2开环系统bode图由图可知，系统的幅值裕度为dBGMo5.42，相位裕度为4.170，剪切频率为srad/109.84c0。下面进行超前PD校正，使前向通道传递函数满足45。超前PD校正装置传递函数是TsaTsksGc11)(1超前PD校正装置增加的相角为700m则有3.32sin1sin1mma设定超前PD校正后的剪切频率为1/5的开关频率，即剪切频率为20kHz，再由公式f24得sradc/1026.15'。令超前PD校正装置'cm,校正装置的转折频率为sradam/10217.23.321026.1451sradam/10161.73.321026.1552可以求出54110511.410217.211aT65210396.110161.711T得到校正不含增益的校正装置ssTsaTssGc65'110396.1110511.4111)(现在算增益K值，用上式校正装置对系统进行校正，程序如下：num=conv([4.511e-51],[-4.74e-4133.34]);den=conv([1.396e-61],[1.78e-83.56e-61]);margin(num,den);运行程序得到bode图如图3.3所示：5图3.3用不含增益的超前PD校正装置校正的系统bode图加上校正装置的系统k值后，系统的穿越频率应为设定的频率sradc/1026.15'，在图3.3中找出在频率51026.1处的幅值，由于在图中1.26不好选定，就选出一个大致的1.17来参考，可以看出在'c不加k校正后系统的幅值大概为dBLc4.9)('，加上k后应该有0lg20)('kLc可以算出k为0.339。所以超前PD校正装置为110396.1339.010529.1)()(65'11ssskGsGcc在matlab中运行下面程序看经过超前校正后的bode图3.4：num=conv([1.529e-50.339],[-4.74e-4133.34]);den=conv([1.396e-61],[1.78e-83.56e-61]);margin(num,den);6图3.4超前校正后系统的bode图可以看出进行超前校正后幅值裕度：dBGM51.7相角裕度：46剪切频率：sradc/1026.151经验证，超前PD校正为有差校正，稳态后并非达到100V，为了减小系统的静差，增加PI校正环节。PI环节的传递函数为sssGc)(2由于PD校正已经将系统校正为稳态系统，故PI校正不应影响到系统中的中高频特性，因此PI校正主要对系统低频起作用，根据经验可知11.0c，这里取srad/1000。得到PI环节为7sssGc1000)(2最后根据实际仿真波形对PD,PI各环节参数进行微调，最后确定110396.12.0104)(651sssGcsssGc1000)(24.系统仿真Matlab系统仿真图如图4.1所示图4.1matlab系统仿真图8在50V输入条件下，对系统进行仿真，得到仿真图4.2图4.2（a）50V输入电压下系统的输出图4.2(b)50V输入电压下输出的纹波9在75V输入条件下，对系统进行仿真，得到仿真图4.3图4.3（a）75V输入电压下系统的输出图4.3（b）75V输入电压下输出的纹波10在98V输入条件下，对系统进行仿真，得到仿真图4.4。图4.4（a）98V输入电压下系统的输出图4.4（b）98V输入电压下输出的纹波上面这几个图能看出，输入电压变化时，波形很稳定，三个波形都差不多，超调大概在10%左右，稍微有点大，纹波比较小，在0.1V以内。115.fuzzy控制器的boost电路仿真用fuzzy控制器控制的boost闭环电路图如图5.1所示。图5.1fuzzy控制器控制的闭环boost电路原理图本系统的模糊控制器采用二输入-一输出，变量的模糊集论域都选择为[-1,1]，采用常用的三角形隶属度函数。在matlab中建立fuzzy文件，两输入分别为误差E和误差变化量EC。12图5.2matlab建立fuzzy文件对于输入和输出量都分别用NB,NM,NS,Z,PS,PM,PB七个变量来描述，各个变量的隶属度函数如图5.3所示。图5.3（a）输入变量E的隶属度函数图5.3（b）输入变量EC的隶属度函数图5.3（c）输出变量的隶属度函数13接着根据专家经验和系统的偏差类型确定规则库，规则库设计如表1所示表1fuzzy控制器的规则库NBNMNSZPSPMPBNBNBNBNBNMNMNSZNMNBNBNBNMNSZPSNSNBNMNMNSZPSPMZENBNSNSZPSPMPBPSNMNSZPSPMPBPBPMNSZPSPMPBPBPBPBZPSPMPMPBPBPB将隶属度函数与规则库输出fuzzy文件，得到控制器。在调试中，需要调节的是误差E和误差EC的增益，以使fuzzy控制器的输入量落在设定的域中，加限幅是为了防止输入量突然增大对输出的影响。在纯fuzzy控制器作用下，主电路在输入电压偏大或偏小时输出会出现静差，为了使输出电压稳在设定的100V，在主电路的输出与输入之间加上一个积分环节。ECE14令boost电路的输入电压分别为50V,75V,98V，输出波形如下图所示。图5.4（a）50V输入电压下系统的输出图5.4（b）50V输入电压下的纹波15图5.5（a）75V输入电压下系统的输出图5.5（b）75V输入电压下的纹波16图5.6（a）98V输入电压下系统的输出图5.6（b）98V输入电压下纹波从波形图可以看出，fuzzy控制器很好的满足了要求，没有什么超调，纹波也小。176.总结通过本次的大作业，学习到了很多东西，首先是对软件有了进一步的了解和熟悉，对matlab的simulink模块和fuzzy控制器有了更深的了解，提高了通过仿真波形分析问题的能力，从有很多小问题到慢慢能出波形，再到最后波形的调试这个过程都是很值得体会的，里面有很多有趣且有用的东西。另外，PID的仿真将自动控制原理和电力电子技术结合在一起，对整个仿真都有了更深的认识，使我更加进一步感受到了学科间关系和关联，促进了知识的融会，增强我对所学知识的运用能力，提高了思考问题和解决问题的能力。而fuzzy的仿真让课堂上学的知识来学以致用，加深了我对课堂上知识的理解，对模糊控制也有了一个更深层次的了解。这次大作业收获还是挺大的。最后，特别感谢XX师哥和师姐耐心的讲解和解答，也感谢XXX老师课上的精心指导。18参考文献[1]徐德鸿，电力电子系统建模及控制，机械工业出版社，2006[2]林飞，杜欣，电力电子应用技术的MATLAB仿真，中国电力出版社，2009[3]胡寿松，自动控制原理，科学出版社，2001[4]张德丰.Matlab模糊系统设计.北京：国防工业出版社,2009[5]席爱民，模糊控制技术，西安电子科技大学出版社，2008