開(kāi)關(guān)電源模糊控制PID設計和MATLAB仿真研究

摘 要：本文提出了一種開(kāi)關(guān)電源模糊控制PID的的設計和MATLAB仿真方法。仿真結果表明：具有模糊控制的PID動(dòng)態(tài)響應快、超調量小、負載變化引起輸出電壓的變化小。

關(guān)鍵詞：開(kāi)關(guān)電源;PID控制;模糊控制

Abstract：This paper presents a method of design and MATLAB simulation of a fuzzy PID-type of switch power supply.The experiment results indicate that compare to the PID control，the fuzzy control has a lot of merits，such as，fast transient response，small turn—on overshoot，small output voltage fluctuations with output current changes.

Key words：switching power supply;PID control;fuzzy control

1 引言

開(kāi)關(guān)電源是一種采用開(kāi)關(guān)方式控制的直流穩壓電源。它以小型、高效、輕量的特點(diǎn)被廣泛應用于各種電子設備中。開(kāi)關(guān)電源控制部分絕大多數是按模擬信號來(lái)設計和工作的，其抗干擾能力不太好，信號有畸變。由于計算機技術(shù)突飛猛進(jìn)的發(fā)展，數字信號的控制和處理顯示出越來(lái)越多的優(yōu)點(diǎn)：便于計算機處理和控制，避免模擬信號傳遞畸變失真，減少雜散信號的干擾，軟件調試方便等，出現了數字PID控制。它使得開(kāi)關(guān)電源向數字化、智能化、多功能化方向發(fā)展。這無(wú)疑提高了開(kāi)關(guān)電源的性能和可靠性。但由于開(kāi)關(guān)電源本身是一個(gè)非線(xiàn)性的對象，其精確模型的建立是相當困難的，常采用近似處理，并且其供電系統和負載變化具有不確定性，所以采用上述模擬或數字PID控制方法常常難以使PID調節器的參數隨之變化，控制效果不理想。近來(lái)發(fā)展起來(lái)的Fuzzy控制是一種仿人智能控制法，它不依賴(lài)被控對象的數學(xué)模型，便于利用人的經(jīng)驗知識實(shí)行控制，這對于一些復雜可變的或結構不確定難以用準確的數學(xué)模型描述的系統而言是非常適宜的，具有較強的魯棒性[1]，特別是對于無(wú)法確定的復雜對象具有較好的控制性能。本文正是基于這一思想而提出開(kāi)關(guān)電源模糊控制的設計與仿真。

2 電路結構及其控制策略

2.1 主電路結構

主電路拓撲結構如圖1。220V單相交流電經(jīng)全波不可控整流，得到約300V的直流電壓，再經(jīng)由IGBT構成的半橋型高頻變換器得到所需的高頻脈動(dòng)電壓，經(jīng)整流得到所需的直流電壓。由于本電源功率不大(輸出45V，10A)，故主電路采用IGBT半橋型拓撲結構，既防止偏磁，又節約成本，主頻選為20kHz，使IGBT工作于最佳狀態(tài)。圖中L1，C1用于抑制差模噪聲，L2、C2、C3用于抑制共模噪聲。各參數的計算略。

圖1 主電路原理圖

2.2 PID控制電路設計

在MATLAB環(huán)境下對開(kāi)關(guān)電源的主電路及PWM發(fā)生電路建模，如圖3所示，圖中為仿真方便起見(jiàn)，省略部分濾波，保護、吸收回路。圖2是PWM子系統的仿真原理圖。由于開(kāi)關(guān)電源的非線(xiàn)性，在抽象其模型時(shí)，有很大的近似處理。根據以上模型，應用傳統設計法，設計出PID控制器的傳遞函數為

在后面的分析中可以看到，這種控制器在電源電壓或負載發(fā)生突變時(shí)，控制性能不太理想。

圖2 PWM子系統

圖3 開(kāi)關(guān)電源的常規PID控制模型

2.3 模糊控制器的設計

模糊控制器的結構如圖4所示，圖中Ug為給定電壓，Ur為反饋電壓、e、ec為偏差和偏差的變化率，E，EC為模糊化后的偏差和偏差的變化率，模糊控制器的輸出U經(jīng)反模糊成u，再經(jīng)PWM電路控制開(kāi)關(guān)電源的主電路。

圖4 開(kāi)關(guān)電源的模

輸入、輸出語(yǔ)言變量均取7個(gè)語(yǔ)言值，即：PB、MB、PS、ZE、NS、NM、NP。在各語(yǔ)言變量論域上用以描述模糊子集的隸屬函數如圖5所示。根據經(jīng)驗所得的模糊控制表如下：

圖5 輸入、輸出變量的隸屬函數

模糊推理規則表

根據以上設計，得到基于MATLAB的開(kāi)關(guān)電源模糊控制電路如圖6所示。

3 實(shí)驗結果

在對PID控制器和模糊控制器進(jìn)行實(shí)驗的基礎上，對這兩種控制算法進(jìn)行了比較。

圖6 開(kāi)關(guān)電源模糊控制電路模型

3.1 起動(dòng)階段的動(dòng)態(tài)特性比較

圖7的前半部分(t：0—0.15)是起動(dòng)時(shí)PID控制器的模糊控制器的輸出特性比較，該曲線(xiàn)是在負載為8.5A，輸出電壓設定值為38V的情況下測得的。從圖中可以看出模糊控制要比PI控制的超調量小得多，模糊控制可以使得系統在起機時(shí)不會(huì )有大的過(guò)壓，這對于設備的正常運行是非常有好處的。

圖7 起動(dòng)特性及工作點(diǎn)變化的動(dòng)態(tài)特性

3.2 參數變化時(shí)的動(dòng)態(tài)特性比較

由于開(kāi)關(guān)電源的負載所需的電壓要求可調，即工作點(diǎn)可變。圖7的后半部分(t：0.15—0.3)展示了工作點(diǎn)發(fā)生變化(電壓：38V→28V，電流：8.5A→6.4A)時(shí)，PID控制器和模糊控制器的動(dòng)態(tài)特性，由圖可看出：當工作點(diǎn)發(fā)生變化時(shí)，模糊控制比PID控制的動(dòng)態(tài)過(guò)程快速且無(wú)震蕩。

4 結束語(yǔ)

模糊控制是一種非線(xiàn)性控制，其控制規則是以人的經(jīng)驗為基礎的，對于像開(kāi)關(guān)電源這類(lèi)的非線(xiàn)性對象的控制具有良好的魯棒性和抑制超調的能力。在開(kāi)關(guān)電源中引入模糊控制策略，將為開(kāi)關(guān)電源的發(fā)展開(kāi)創(chuàng )新的局面。

本論文的創(chuàng )新點(diǎn)是提出了一種開(kāi)關(guān)電源模糊控制PID的的設計和MATLAB仿真方法。

參考文獻

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