PID和Fuzzy两种方法控制升压电路解析

PID和Fuzzy两张方法控制boost电路升压一、仿真指标1、输入电压Vin=20~95V；2、输出电压Vo=100V；3、效率η≥95%；4、由半载切满载（或由满载切半载）的负载调整率小于5%；5、由空载切满载（或由满载切空载）的电压调整率小于1%；二、开环电路设计（一）开环电路，选择boost主电路（二）器件参数选择1．电感，电容值参数选择电感电流变化值为LfDDViL)1(0且LfDDVIoc2)1(20所以2203(1)1001/3(2/3)4.12221810010OCVDDLHIf（按D取13时公式取得最大值）由公式01IDQVVCfC得出060IDCFf此处取电感值10H，电容值取1000F。2．开关频率取100kHz，MOSFET开关管电阻尽可能的小，设为0.000001，Diode电阻值取为0.005，电阻值经计算取5.556。（三）开环输出电压仿真波形及分析75V输入，占空比为25%时电压输出波形输入95V，占空比为5%时输出电压波形输入20V，占空比为80%时输出电压波形结论：由以上图像可以看出，各参数值基本满足要求，但是误差较大，有待PID和fuzzy进一步调节，满足指标要求。三、PID控制电路设计（一）PID控制的boost电路拓扑（二）系统框图0U（三）PID控制器的模型1．开环传递函数及bode图分析（1）Boost电路控制输入到输出的传递函数：2211/(1(/))()(1)(1/)1/indRAMPVLCsLRGsVDssRCLC2/(1)LDL其中：三角波幅值RAMPV取1；R：负载电阻阻值；C：输出滤波电容的值；D：输入75V时的开关占空比，此时为25%；refV+—()pidGs()dGsK10,1000,5.556,0.25LHCFRD其中：代入公式中得：94277.5102.410()1805.62410dssssG（2）未矫正系统bode图如图所示：从图中可以看出在剪切频率41.4110Hz处，相角裕度为15.7，令校正后剪切频率为10cwkHz，从图中可以看出需要调节的幅值为5.8dB,此处采用PD+PI调节环节。2．PD+PI调节环节设计（1）PD环节传递函数，设为/1()/1zcpswGsksw458.811.2651sin0.2211sin4444452102100.2211.38910/210(1/)2104.5252.83410/zpwradswrads将4210/cwrads代入，得：/14.5241()/10.22171zcpswjGskkswj由20lg()=-cGs（）5.85解得：0.1127k56/17.2101()0.1127/13.53101zcpswsGsksws1248632271.95105.815108.45310()()()3.53103.785105.62410kdcssssssssGGG（2）PD环节加入后bode图图2（3）PI积分环节由实际系统的运行，为消除系统运行的误差，积分环节取80ss。此时：124810642271.95105.813108.5106.7610()()()3.531033.785105.62410kdcssssssssssGGG（4）PI环节加入后bode图（5）subsystem模型（四）PID控制电路仿真波形及分析1．输入75V，满载运行仿真75V时满载电压波形图75V满载运行纹波图分析：由图中可以看出75V时输出电压为99.96V~100.02V，纹波为0.06V1V，所以满足指标要求。2．输入75V时，半载运行仿真75V半载运行电流电压波形75V半载运行纹波图分析：由图中可以看出75V，半载运行输出电压为99.97V~100.02V，纹波为0.05V1V，所以满足指标要求。3．输入75V时，满载切半载运行仿真75V满载切半载波形图75V输入满载切半载纹波分析：由图中可以看出75V输入时，满载切半载，电阻值由5.556=11.112RR变为时，最后稳定在100V0.1V,切载时刻电压peak-to-peak变化值为0.4V1V，所以满足要求。4．75V输入时，满载切空载运行仿真75V满载切空载分析：75V输入满载切空载时，电压稳定在99.55V~99.65V，最大纹波1.2V1V，所以满足指标要求。5．95V输入时，满载运行95V输入时输出电压电流波形95V输入时输出电压电流纹波波形分析：95V输入时电压输出范围在99.55V~99.65V，最大纹波0.1V1V，所以满足指标要求。6．20V输入时，满载运行仿真20V输入时输出电压电流波形分析：从图中可以看出20V输入时，纹波比较大，大约在3V左右，不满足要求。7．效率曲线四、fuzzy控制电路设计（一）搭建fuzzy控制的闭环电路（二）FuzzyController模块设计1．输入，输出变量隶属度函数及论域的选择系统中的模糊控制器采用“标准”形式，即选择两个输入分别为E和ED，一个输出output1，均选取三角形函数为隶属度函数，E,ED，outputs均采用7个隶属度函数，E的输出范围为[-1.1]，ED的输出范围为[-1,1]，outputs输出范围为2．控制规则表根据专家的控制知识制定控制规则表，如下图所以：E/EDNBNMNSZEPSPMPBNBNBNBNMNMNSNSZENMNBNMNMNSNSZEPSNSNMNMNSNSZEPSPSZENMNSNSZEPSPSPMPSNSNSZEPSPSPMPMPMNSZEPSPSPMPMPBPBZEPSPSPMPMPBPBE：输入变量偏差；ED：输入变量偏差变化（三）fuzzy控制下的仿真波形及分析1．输入75V时，满载运行输入75V时满载输出电压电流波形输入75V时满载输出电压电流纹波分析：输入75V时，满载运行时输出电压范围99.7V~100.2V，纹波水平0.5V1V，所以满足指标要求2．75V输入时半载运行输入75V时半载输出电压电流波形输入75V时半载输出电压电流纹波分析：输入75V时，半载运行时输出电压范围99.97V~100.01V，纹波水平0.04V1V，所以满足指标要求。3．75V输入时满载切半载输入75V时满载切半载电压电流波形输入75V时满载切半载输出电压电流纹波分析：输入75V时，满载切半载运行时，切载时刻电压变化范围99.9V~100.2V，纹波水平0.3V1V，所以满足指标要求。4．75V输入时满载切空载分析：最后稳定在大约100.98V左右，小于1V，满足要求。5．20V输入时，满载仿真输入20V时满载出电压电输入20V时满载出电压电流纹波分析：输入20V时，满载运行时，稳定后电压变化范围99.82V~99.98V，纹波水平0.16V1V，所以满足指标要求。6．95V输入时，满载仿真输入95V时满载出电压电流纹波输入95V时满载出电压电流纹波分析：输入95V时，满载运行时，稳定后电压变化范围100.08V~100.11V，纹波水平0.03V1V，所以满足指标要求。7．效率曲线四、PID技术指标电压指标实际数值要求指标误差75V输入满载99.96V~100.02V稳定在100V纹波小于1V0.06V1V满足指标75V输入半载99.9V~100.1V稳定在100V纹波小于1V0.2V1V满足指标75V满载切半载切载时刻99.9V~100.1V动态响应小于1%0.2V1V满足指标75V满载切空载稳定后100.05V切载时刻99.85V~101.3V负载调整率1%动态响应5%0.0005%1%1%1.15%5%基本满足要求95V输入满载99.9V~100.1V稳定在100V纹波小于1V0.2V1V满足指标20V输入满载98V~101V稳定在100V纹波小于1V3V1V不满足指标Fuzzy技术指标电压指标实际数值要求指标误差75V输入满载运行99.8V~100.2V稳定在100V纹波小于1V0.4V1V满足指标75V输入半载运行99.97V~100.01V稳定在100V纹波小于1V0.02V1V满足指标75V满载切半载99.9V~100.2V动态响应小于1%0.3V1V满足指标75V满载切空载稳定后101.5V切载时刻99.85V~101.3V负载调整率1%动态响应5%1.5%1%1%1.15%5%不满足要求95V输入满载100.08V~100.11V稳定在100V纹波小于1V0.03V1V满足指标20V输入满载99.8V~100.1V稳定在100V纹波小于1V0.3V1V满足指标