基于Pid Fuzzy控制Boost電路的設(shè)計(jì)以及MATLAB仿真

1、用Pid Fuzzy控制Boost電路 專業(yè)：電氣工程 學(xué)號(hào)：11111111 姓名：11111111Boost升壓電路的Pid及Fuzzy控制及仿真111111111摘要：隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，電力電子技術(shù)在軍事、工業(yè)、民用中都得到了廣發(fā)的應(yīng)用，尤其是依托于電力電子技術(shù)的開關(guān)電源更是突飛猛進(jìn)；本文簡單論述了用Pid Fuzzy控制Boost電路的方法，文中沒有對信號(hào)模型的化簡計(jì)算等做過于詳盡的分析，主要是學(xué)會(huì)作為研究生遇到問題時(shí)，如何查找資料、整理思路解決問題，以及如何撰寫論文，為以后的科學(xué)研究工作打下基礎(chǔ)。關(guān)鍵詞：Boost；Fuzzy；Pid；升壓電路一、 作業(yè)目的1. 學(xué)習(xí)Boo

2、st電路的基本原理，學(xué)習(xí)MATLAB在電力電子技術(shù)中的應(yīng)用。2. 掌握Pid控制及其調(diào)節(jié)機(jī)理，了解Fuzzy控制器的設(shè)計(jì)過程及基本工作原理。3. 掌握解決問題的基本步驟以及如何撰寫論文。二、 仿真電路要求指標(biāo)1. 輸入電壓Ui：20V95V；輸出電壓Uo：100V；滿載輸出電流Io=18A2. 紋波：Vripple1%Io=18A3. 效率：Ui=75V時(shí)954. 負(fù)載切換時(shí)輸出電壓Uo紋波要求：滿載切半載、半載切1/10載時(shí)Vripple1%；滿載切1/10載時(shí)Vripple5%5. 自定義參數(shù)：開關(guān)頻率f=100KHz三、 參數(shù)計(jì)算、電路設(shè)計(jì)及仿真模擬1. 參數(shù)計(jì)算1) 電阻的計(jì)算由輸出電

3、壓Uo=100V，輸出電流Io=18A得滿載電阻=5.5562) 電感的計(jì)算由已知條件輸入電壓20V95V，輸出電壓Uo=100V得占空比：Boost升壓電路的臨界電感方程：對上式求導(dǎo)得處有最大值又0.05D0；還需保證在相位交越頻率處，的增益小于零即增益裕量大于零，但是為了保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性，通常系統(tǒng)的bode圖要以-20dB/dec穿過0dB線，系統(tǒng)的相位預(yù)量在45左右，增益裕量在10dB左右3。系統(tǒng)的原傳遞函數(shù)補(bǔ)償后回路函數(shù)的增益交越頻率的確定：在此處增益為0dB，幅頻特性的bode圖以-20dB/dec穿越0dB線0dB線，理論上補(bǔ)償后的回路增益交越頻率可以設(shè)定為開關(guān)頻率的1/2，但是為

4、了抑制開關(guān)的紋波，推薦增益交越頻率小于1/5的較為恰當(dāng)，這里為了取整采用零點(diǎn)的確定：原函數(shù)有兩個(gè)相近的極點(diǎn)，極點(diǎn)頻率，由經(jīng)驗(yàn)公式可使得補(bǔ)償函數(shù)的兩個(gè)零點(diǎn)設(shè)為極點(diǎn)的確定：原函數(shù)為升壓變換器的傳遞函數(shù)，在坐標(biāo)平面的右半部分存在零點(diǎn)，我們可以用的極點(diǎn)來補(bǔ)償?shù)牧泓c(diǎn)。綜上得到補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的傳遞函數(shù)得到3) Pid的調(diào)節(jié)但是在實(shí)際求解后得到的MATLAB仿真中出現(xiàn)了一個(gè)問題那就是Boost的紋波過大，升壓效果不好，實(shí)際繪制傳遞函數(shù)發(fā)現(xiàn)由于補(bǔ)償傳遞函數(shù)的兩個(gè)零點(diǎn)選在為，出現(xiàn)的較晚，使得系統(tǒng)bode圖的相頻特性曲線沒有足夠的時(shí)間上升，出現(xiàn)了相頻特性曲線相角裕度偏小的情況。針對上面問題將系統(tǒng)的補(bǔ)償零點(diǎn)再次提前取 得

5、到并且理論計(jì)算得到的k值偏大，實(shí)際測試發(fā)現(xiàn)k=20效果較好，得到繪制矯正后的系統(tǒng)bode圖如圖3-2 圖3-2 矯正后系統(tǒng)bode圖4. 仿真模擬結(jié)果圖1) 輸入電壓20V時(shí)輸出電壓波形圖4-1及紋圖4-2 圖4-1 輸入電壓20V輸出電壓波形圖4-2 輸入電壓20V時(shí)輸出電壓紋波 由上圖可知輸入為20v電壓紋波符合要求，且2) 輸入電壓42.5V輸出電壓波形4-3及紋波圖4-4圖4-3 輸入電壓42.5V輸出電壓波形圖圖4-4 輸入電壓42.5V輸出電壓紋波圖 由上圖可知輸入為20v電壓紋波符合要求，且3) 輸入電壓75V輸出電壓波形圖4-5紋波圖4-6圖4-5 輸入75V時(shí)輸出電壓波形圖圖

6、4-6 輸入電壓75V輸出電壓紋波圖由上圖可知輸入為75v電壓紋波符合要求，且4) 輸入電壓95V輸出電壓波形圖4-7紋波圖4-8圖4-7 輸入電壓95V時(shí)輸出電壓波形圖 圖4-8 輸入電壓95V時(shí)輸出電壓紋波圖 由上圖可知輸入為95v電壓紋波符合要求，且5) 滿載切半載時(shí)電壓波動(dòng)圖4-9圖4-9 滿載切半載電壓紋波圖由圖可知滿載切半載時(shí)電壓紋波符合要求，且6) 由滿載切十分之一載電壓波動(dòng)圖4-10圖4-10 由滿載切十分之一載電壓波動(dòng)圖由上圖可知電壓紋波符合要求，且7) 由半載切十分之一載波形圖4-11圖4-11 由半載切十分之一載波形圖由上圖可知電壓紋波符合要求，且8) 數(shù)據(jù)分析5. 效率

7、曲線的測量及繪制1) 測量電路的MATLAB仿真圖如圖5-1圖5-1 測量電路的MATLAB仿真圖輸入功率為：輸出功率為：效率： 2) 效率曲線繪制負(fù)載電阻R5.55611.11222.224304050機(jī)械效率0.99750.99580.99240.99130.98990.9897利用MATLAB作圖如圖5-2圖5-2 輸入電壓75V時(shí)輸出負(fù)載效率曲線(指標(biāo)表格在作業(yè)最后一頁！)四、 小結(jié)隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，在自動(dòng)控制領(lǐng)域出現(xiàn)了許多更加復(fù)雜的控制系統(tǒng)，比如模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、遺傳算法等，這些方法適用于那些系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、不能簡化為線性系統(tǒng)的控制領(lǐng)域，但是傳統(tǒng)的控制方式Pid控制依然

8、被應(yīng)用與大多數(shù)的控制系統(tǒng)當(dāng)中，因?yàn)樗夹g(shù)成熟、結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行可靠，并且容易被技術(shù)人員掌握，尤其在航天科技以及軍工等領(lǐng)域，大多數(shù)控制系統(tǒng)依然采用經(jīng)典控制作為控制系統(tǒng)，本文中的Pid控制Boost的作業(yè)基本達(dá)到了老師的要求，所有紋波均在要求范圍內(nèi)，但是系統(tǒng)超調(diào)有些過大，此為不足之處，在以后的設(shè)計(jì)過程中一定會(huì)多加改進(jìn)。參考文獻(xiàn)：1 林飛.杜欣.電力電子應(yīng)用技術(shù)的MATLAB仿真M.北京：中國電力出版 社，2009.42-51.63.71.97-1132 夏德鈐.翁貽方.自動(dòng)控制原理M.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007.23- 29.189-190.2203 徐德鴻.電力電子系統(tǒng)建模及控制M.北京：機(jī)械

9、工業(yè)出版社， 2005.95-106Boost升壓電路的Fuzzy控制及仿真一、 作業(yè)目標(biāo)1. 學(xué)習(xí)Boost電路的基本原理，學(xué)習(xí)Fuzzy在MATLAB在電力電子技術(shù)中的應(yīng)用。2. 掌握Fuzzy控制及其調(diào)節(jié)機(jī)理，了解Fuzzy控制器的設(shè)計(jì)過程及基本工作原理。3. 掌握解決問題的基本步驟以及如何撰寫論文。二、 仿真電路要求指標(biāo)1. 輸入電壓Ui：20V95V時(shí)輸出電壓Uo：100V；滿載輸出電流Io=18A2. 紋波：Vripple1%Io=18A3. 測試輸入電壓為20V、42.5V、75V、95V時(shí)候的輸出電壓紋波4. 負(fù)載切換時(shí)輸出電壓Uo紋波要求：滿載切半載、半載切1/10載時(shí)Vri

10、pple1%；滿載切1/10載時(shí)Vripple5%三、 Fuzzy控制器的設(shè)計(jì)及MATLAB仿真1. Fuzzy控制Boost的仿真模型1如圖1-1圖1-1 Fuzzy控制Boost的仿真模型Fuzzy的文件圖1-2圖1-2 Fuzzy的文件圖2. Fuzzy控制器的設(shè)計(jì)步驟圖2-1為模糊控制器的組成圖，他包含有模糊化接口、規(guī)則庫、模糊推理、清晰化接口等部分。輸入變量是過程實(shí)測變量與系統(tǒng)設(shè)定值之差值。輸出變量是系統(tǒng)的實(shí)時(shí)控制修正變量。模糊控制的核心部分是包含語言規(guī)則的規(guī)則庫和模糊推理。迷糊推理就是一種模糊變換，他將輸入量的模糊集變?yōu)檩敵隽康哪：瑢?shí)現(xiàn)論域的轉(zhuǎn)換。圖2-1 模糊控制器的組成圖1

11、) 模糊化（Fuzzification）將模糊控制器輸入量的確定值轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的模糊語言變量值的過程，此相應(yīng)的語言變量值均由對應(yīng)的隸屬度來定義；所涉及的模糊概念的論域有三個(gè)：偏差E、偏差變化率CE、輸出量OUT2。偏差E：為輸出電壓與參考電壓的差值，此后還要增加放大環(huán)節(jié)Gain，和限幅環(huán)節(jié)saturation；放大環(huán)節(jié)可以調(diào)節(jié)Fuzzy的控制性能，限幅環(huán)節(jié)將輸出值迅速對應(yīng)到Fuzzy的論域內(nèi)。偏差變化率CE：只有偏差一個(gè)量時(shí)，F(xiàn)uzzy的矯正速度比較慢，所以加入偏差的導(dǎo)數(shù)環(huán)節(jié)，即得到偏差變化率CE，E與EC均有七組模糊語言變量2偏差模糊子集偏差變化率模糊子集E與EC在MATLAB中的隸屬度函數(shù)如

12、圖2-1圖2-2圖2-1 E隸屬函數(shù)的設(shè)定圖2-2 CE隸屬函數(shù)的設(shè)定模糊化將輸入值匹配成語言值。同時(shí)，輸入值對于相應(yīng)語言變量語言值的隸屬度也被確定。2) 模糊推理模糊推理包括三部分：大前提、小前提和結(jié)論。打前提是多個(gè)多維模糊條件語句，構(gòu)成規(guī)則庫；小前提是一個(gè)模糊判斷句。以已知的規(guī)則庫和輸入變量為依據(jù)，基于模糊變換推出新的模糊命題，作為結(jié)論的過程叫做模糊推理。此處采用馬達(dá)尼法則。規(guī)則庫 1. If (E is NB) and (EC is NB) then (OUT is PB) (1) 2. If (E is NB) and (EC is NM) then (OUT is PB) (1) 3

13、. If (E is NB) and (EC is NS) then (OUT is PM) (1) 4. If (E is NB) and (EC is ZE) then (OUT is PM) (1) 5. If (E is NB) and (EC is PS) then (OUT is PM) (1) 6. If (E is NB) and (EC is PM) then (OUT is ZE) (1) 7. If (E is NB) and (EC is PB) then (OUT is ZE) (1) 8. If (E is NM) and (EC is NB) then (OUT

14、is PB) (1) 9. If (E is NM) and (EC is NM) then (OUT is PB) (1) 10. If (E is NM) and (EC is NS) then (OUT is PM) (1) 11. If (E is NM) and (EC is ZE) then (OUT is PS) (1) 12. If (E is NM) and (EC is PS) then (OUT is PS) (1) 13. If (E is NM) and (EC is PM) then (OUT is ZE) (1) 14. If (E is NM) and (EC

15、is PB) then (OUT is ZE) (1) 15. If (E is NS) and (EC is NB) then (OUT is PM) (1) 16. If (E is NS) and (EC is NM) then (OUT is PM) (1) 17. If (E is NS) and (EC is NS) then (OUT is PM) (1) 18. If (E is NS) and (EC is ZE) then (OUT is PS) (1) 19. If (E is NS) and (EC is PS) then (OUT is PS) (1) 20. If

16、(E is NS) and (EC is PM) then (OUT is ZE) (1) 21. If (E is NS) and (EC is PB) then (OUT is ZE) (1) 22. If (E is ZE) and (EC is NB) then (OUT is PM) (1) 23. If (E is ZE) and (EC is NM) then (OUT is PM) (1) 24. If (E is ZE) and (EC is NS) then (OUT is PS) (1) 25. If (E is ZE) and (EC is ZE) then (OUT

17、is ZE) (1) 26. If (E is ZE) and (EC is PS) then (OUT is NS) (1) 27. If (E is ZE) and (EC is PM) then (OUT is NM) (1) 28. If (E is ZE) and (EC is PB) then (OUT is NB) (1) 29. If (E is PS) and (EC is NB) then (OUT is ZE) (1) 30. If (E is PS) and (EC is NM) then (OUT is ZE) (1) 31. If (E is PS) and (EC

18、 is NS) then (OUT is NS) (1) 32. If (E is PS) and (EC is ZE) then (OUT is NS) (1) 33. If (E is PS) and (EC is PS) then (OUT is NM) (1) 34. If (E is PS) and (EC is PM) then (OUT is NM) (1) 35. If (E is PS) and (EC is PB) then (OUT is NM) (1) 36. If (E is PM) and (EC is NB) then (OUT is ZE) (1) 37. If

19、 (E is PM) and (EC is NM) then (OUT is ZE) (1) 38. If (E is PM) and (EC is NS) then (OUT is NS) (1) 39. If (E is PM) and (EC is ZE) then (OUT is NS) (1) 40. If (E is PM) and (EC is PS) then (OUT is NM) (1) 41. If (E is PM) and (EC is PM) then (OUT is NB) (1) 42. If (E is PM) and (EC is PB) then (OUT

20、 is NB) (1) 43. If (E is PB) and (EC is NB) then (OUT is ZE) (1) 44. If (E is PB) and (EC is NM) then (OUT is ZE) (1) 45. If (E is PB) and (EC is NS) then (OUT is NM) (1) 46. If (E is PB) and (EC is ZE) then (OUT is NM) (1) 47. If (E is PB) and (EC is PS) then (OUT is NM) (1) 48. If (E is PB) and (E

21、C is PM) then (OUT is NB) (1) 49. If (E is PB) and (EC is PB) then (OUT is NB) (1) 3) 清晰化模糊推理得到的結(jié)果是一個(gè)模糊集或者是他的隸屬函數(shù)，不能直接用于作為控制量，因此還需要一次轉(zhuǎn)換，將模糊量轉(zhuǎn)換為清晰地?cái)?shù)字量，此處清晰化采用最大隸屬度法。清晰化隸屬函數(shù)圖2-3圖2-3 清晰化隸屬函數(shù)3. MATLAB仿真結(jié)果1) 輸入電壓20V輸出電壓圖3-1紋波圖3-2圖3-1輸入電壓20V輸出電壓圖3-2 輸入電壓20V輸出電壓紋波圖由上圖知輸出電壓紋波不滿足要求；=100V滿足要求。2) 輸入電壓42.5輸出電壓圖

22、3-3紋波圖3-4圖3-3 輸入42.5V輸出電壓波形圖3-4 輸入42.5V輸出電壓紋波由上圖知輸出電壓紋波滿足要求；=98.5V滿足要求。3) 輸入電壓75輸出電壓圖3-5紋波圖3-6圖3-5 輸入電壓75V輸出電壓波形圖3-6 輸入75V輸出電壓紋波由上圖知輸出電壓紋波不滿足要求；=100V滿足要求。4) 輸入電壓95V時(shí)輸出電壓波形3-7紋波圖3-8圖3-7 輸入電壓95V輸出電壓波形圖圖3-8 輸入電壓95V輸出電壓紋波圖由上圖知輸出電壓紋波不滿足要求；=100V滿足要求。5) 滿載切半載波形圖3-9紋波圖3-10圖3-9 滿載切半載電壓波形圖3-10 滿載切半載紋波圖由上圖知切載輸出電壓紋波滿足要求；=100V滿足要求。6) 滿載切十分之一載波形圖3-11紋波圖3-12