buck電路PID和FUZZY閉環(huán)控制

1、智能控制課程設(shè)計buck電路PID和FUZZY閉環(huán)控制設(shè)計報告專業(yè)：電氣工程學(xué)號：15S053144姓名： 張佳云 目錄第一章 緒 論1第二章 BUCK電路的設(shè)計與仿真22.1 設(shè)計指標(biāo)2第三章 BUCK電路的PID設(shè)計與仿真23.1 設(shè)計框圖23.2 BUCK開環(huán)主電路拓?fù)鋮?shù)計算33.3 BUCK電路PID閉環(huán)控制的設(shè)計6第四章 BUCK電路的FUZZY設(shè)計與仿真174.1 設(shè)計框圖174.2 設(shè)計過程17第五章 總結(jié)25參考文獻(xiàn)26第一章 緒 論BUCK電路是一種降壓斬波器，主要通過調(diào)節(jié)占空比的大小控制輸出電壓的大小，是一種簡單常用的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，應(yīng)用范圍廣。本文采用PID控制和模糊控制兩種

2、方法控制BUCK電路，使其達(dá)到一定的標(biāo)準(zhǔn)。PID（比例-積分-微分）控制器作為最早實(shí)用化的控制器已有70多年歷史，現(xiàn)在仍然是應(yīng)用最廣泛的工業(yè)控制器。PID控制器簡單易懂，使用中不需精確的系統(tǒng)模型等先決條件，因而成為應(yīng)用最為廣泛的控制器。PID控制，實(shí)際中也有PI和PD控制。PID控制器就是根據(jù)系統(tǒng)的誤差，利用比例、積分、微分計算出控制量進(jìn)行控制的。比例控制是一種最簡單的控制方式。其控制器的輸出與輸入誤差信號成比例關(guān)系。當(dāng)僅有比例控制時系統(tǒng)輸出存在穩(wěn)態(tài)誤差。為了消除穩(wěn)態(tài)誤差，在控制器中必須引入“積分項”。積分項對誤差取決于時間的積分，隨著時間的增加，積分項會增大。這樣，即便誤差很小，積分項也會隨

3、著時間的增加而加大，它推動控制器的輸出增大使穩(wěn)態(tài)誤差進(jìn)一步減小，直到等于零。因此，比例+積分（PI）控制器，可以使系統(tǒng)在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后無穩(wěn)態(tài)誤差。微分項能預(yù)測誤差變化的趨勢，具有抑制誤差的作用，可以避免被控量的嚴(yán)重超調(diào)。本文利用這個原理通過給系統(tǒng)添加補(bǔ)償函數(shù)實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)的控制。模糊控制是采用由模糊數(shù)學(xué)語言描述的控制律（控制規(guī)則）來操縱系統(tǒng)工作的控制方式。按照模糊控制律組成的控制裝置稱為模糊控制器。模糊控制的特點(diǎn)是不需要考慮控制對象的數(shù)學(xué)模型和復(fù)雜情況，而僅依據(jù)由操作人員經(jīng)驗所制訂的控制規(guī)則就可構(gòu)成。凡是可用手動方式控制的系統(tǒng)，一般都可通過模糊控制方法設(shè)計出由計算機(jī)執(zhí)行的模糊控制器。模糊控制所依據(jù)的控

4、制律不是精確定量的。其模糊關(guān)系的運(yùn)算法則、各模糊集的隸屬度函數(shù)，以及從輸出量模糊集到實(shí)際的控制量的轉(zhuǎn)換方法等，都帶有相當(dāng)大的任意性。對于模糊控制器的性能和穩(wěn)定性，常常難以從理論上作出確定的估計，只能根據(jù)實(shí)際效果評價其優(yōu)劣。本文主要通過建立BUCK電路的小信號模型，利用PID校正裝置和模糊控制器實(shí)現(xiàn)對BUCK的閉環(huán)控制，使其動態(tài)響應(yīng)和靜態(tài)響應(yīng)都滿足指標(biāo)。第二章 BUCK電路的設(shè)計與仿真2.1 設(shè)計指標(biāo)要求分別設(shè)計buck電路的PID控制器和模糊控制器，滿足一下指標(biāo)：(1)輸入電壓范圍為24-36V，輸出電壓為5V，額定負(fù)載下輸出電流10A；(2)電壓紋波Vrr（峰峰值）不超過50mV；(3)電壓

5、超調(diào)量不超過5%；(4)切載超調(diào)量不超過5%；第三章 BUCK電路的PID設(shè)計與仿真3.1 設(shè)計框圖BUCK電路的PID閉環(huán)控制框圖如下：圖3.1 BUCK電路的PID閉環(huán)控制框圖其中，Gc(s)：補(bǔ)償器的傳遞函數(shù)；Gm(s)：PWM的傳遞函數(shù)；Gvd(s)：BUCK主電路由MOSFET的輸入到輸出的傳遞函數(shù)；H(s)：電壓采樣反饋回路的傳遞函數(shù)；Gvs(s) ：BUCK主電路由輸入Vin到輸出Vo的傳遞函數(shù)；Zo：負(fù)載阻抗；Vref：給定電壓值；3.2 BUCK開環(huán)主電路拓?fù)鋮?shù)計算（1）BUCK開環(huán)電路主拓?fù)鋱D3.2 BUCK開環(huán)電路主拓?fù)洌?）參數(shù)計算與選擇1、占空比D最小占空比為DL=

6、536，最大占空比DH=524。2、濾波電感L濾波電感的選擇與負(fù)載電流的變化范圍及希望的工作狀態(tài)有關(guān)，假設(shè)電路要求工作在電感電流連續(xù)工作狀態(tài)，且開關(guān)頻率為fs=100kHZ，則臨界電感為 L=1-DLU02Ifs其中，DL為最小占空比，U0為輸出電壓，為電感電流波動系數(shù)，一般取0.1，I為輸出電流。代入數(shù)據(jù)得臨界電感為L=21.53H考慮一定裕量，取L=60H。3、濾波電容C及其寄生電阻Rc紋波電壓，主要是由電容的寄生電Rc和電容容量決定，而一般的電容，其C 與寄生電阻Rc的乘積趨于常數(shù)，約為5080.F。本例中取為75.F。又Rc=VrrI，所以Rc = 25m，C=3mF。利用MATLAB

7、仿真對以上參數(shù)進(jìn)行驗證，仿真電路及其結(jié)果如下所示圖3.3 BUCK開環(huán)電路主要參數(shù)驗證電路圖3.4 輸入電壓為24V時輸出負(fù)載電壓紋波圖3.5 輸入電壓為30V時輸出負(fù)載電壓紋波圖3.6 輸入電壓為36V時輸出負(fù)載電壓紋波由上圖可知輸出電壓紋波約為20mF，則電感L、電容C的設(shè)置符合要求3.3 BUCK電路PID閉環(huán)控制的設(shè)計1、H(s)的確定：在MATLAB仿真中，以2.5V作為參考電壓，R1和R2為分壓電阻，所以反饋回路的傳遞函數(shù)為：Hs=VrefVo=2.55=0.52、Gm(s)的確定在MATLAB仿真中，選用的三角波幅值為1V，開關(guān)頻率為100kHz，系統(tǒng)開關(guān)角頻率為Ws=6.281

8、05rad/s 則：Gms=1Vm=13、Gvd(s)的確定由BUCK電路的小信號模型知BUCK主電路由MOSFET的輸入到輸出的傳遞函數(shù)為：Gvd(s)=Vin(1+SCRc)1+SLZ0+CRc+LCS2為了適應(yīng)輸入電壓的變化，取輸入電壓Vin=30V，Z0=0.5代入數(shù)據(jù)得：Gvds=30+2.2510-3S1.810-7S2+1.9510-4S+1未加校正裝置時的開環(huán)傳遞函數(shù)為G0s=GmsGvdsHs=15+1.12510-3S1.810-7S2+1.9510-4S+1未校正系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)的零點(diǎn)為Wz=1.33104rad/s,諧振極點(diǎn)為Wp=2.3103rad/s。作開環(huán)傳遞函數(shù)

9、G0s的bode圖如下：圖3.7 開環(huán)傳遞函數(shù)G0(s)的bode圖由bode圖知系統(tǒng)的增益裕度為無窮大，相角裕度為44.5度，截止頻率Wc0為1.05104rad/s。增益裕度滿足要求，但是相角裕度偏小，開環(huán)系統(tǒng)存在振蕩環(huán)節(jié)，電源和負(fù)載的擾動容易使系統(tǒng)不穩(wěn)定。4、閉環(huán)補(bǔ)償器Gc(s)的設(shè)計：理想開環(huán)傳遞函數(shù)的頻幅特性：1、低頻段：它主要影響系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能。對于開關(guān)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，理想的低頻特性是直流增益無限大，以-20dB/dec的斜率下降。符合理想條件時，系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差等于零。2、中頻段：中頻段大致是指幅頻特性以-20dB/dec斜率下降并穿越0dB線的頻段。中頻段的寬度與系統(tǒng)的動態(tài)穩(wěn)定性密切相

10、關(guān)。越寬則相位裕量越大，穿越頻率越大，系統(tǒng)的響應(yīng)速度越快但超調(diào)量越大。對于開關(guān)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，過高的穿越頻率可能導(dǎo)致高頻開關(guān)頻率及其諧波和寄生振蕩引起的高頻分量得不到有效地抑制，系統(tǒng)仍然不能穩(wěn)定工作。3、高頻段：高頻段距穿越頻率一般較遠(yuǎn)，反映了系統(tǒng)對高頻干擾信號的抑制能力。高頻段幅頻特性衰減越快，系統(tǒng)的抗干擾能力越強(qiáng)，對于開關(guān)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，理想高頻特性應(yīng)以-40dB/dec的斜率下降。由于BUCK電路的輸出環(huán)節(jié)是帶有LC的拓?fù)?雙極點(diǎn)拓?fù)?，輸出有LC諧振，在諧振點(diǎn)處相位變動比較劇烈，會接近180。，所以需要采用三個極點(diǎn)、兩個零點(diǎn)的補(bǔ)償裝置來提升相位。其零點(diǎn)、極點(diǎn)的設(shè)置原則：在原點(diǎn)處設(shè)置一個極點(diǎn)，使系統(tǒng)

11、變成一階系統(tǒng)，用來提升低頻增益，降低穩(wěn)態(tài)誤差，即Wp0=0；在諧振極點(diǎn)頻率的12處設(shè)置兩個零點(diǎn)，用于提升系統(tǒng)bode圖在中頻段的斜率，使系統(tǒng)在中頻段以理想的-20dB/s的斜率通過坐標(biāo)軸，同時會使系統(tǒng)的截止頻率增加，由bode圖可以看到當(dāng)截止頻率增加時，系統(tǒng)的幅值裕度增大，由系統(tǒng)時域與頻域的聯(lián)系知，系統(tǒng)的截止頻率增加時會使系統(tǒng)的調(diào)節(jié)時間減小，使系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)提高，系統(tǒng)幅值裕度增大時會使系統(tǒng)的系統(tǒng)超調(diào)量減小。即Wz1=1.15rad/s, Wz2=1.15rad/s；在系統(tǒng)原零點(diǎn)Wz處放置一個極點(diǎn)用來抵消電容Rc的影響。即Wp1=1.33104rad/s;為了使系統(tǒng)高頻噪聲盡快衰減，在開關(guān)頻率的

12、12處設(shè)置一個極點(diǎn)，用于衰減系統(tǒng)的高頻噪聲，提高系統(tǒng)的抗干擾能力。即Wp2=3.14105rad/s;校正后系統(tǒng)的截止頻率一般為系統(tǒng)開關(guān)頻率的11015，在這里取系統(tǒng)開關(guān)頻率的1/10，即校正后系統(tǒng)的截止頻率為：Wc1=6.28104rad/s綜合得閉環(huán)補(bǔ)償器的傳遞函數(shù)Gc(s)為：Gcs=K(8.710-4S+1)(8.710-4S+1)S(7.510-5S+1)(3.18410-6S+1)其中K為開環(huán)增益。由系統(tǒng)的幅值條件知：G0wc1Gcwc1=1代入數(shù)據(jù)得K=1013，取K=1000。于是閉環(huán)PID補(bǔ)償器的傳遞函數(shù)Gc(s)為：Gcs=10008.710-4S+18.710-4S+1S

13、7.510-5S+13.18410-6S+1= 7.5710-4S2+1.74S+10002.3910-10S3+7.8210-5S+S加校正裝置之后整個系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為：Gs=GcsG0s= 1.1410-2S2+26.1S+1.51045.7310-13S4+1.80610-7S3+1.98210-4S2+SGcs、G0s、Gs伯德圖為：圖3.8 Gc(s)、G0(s)、G(s)伯德圖由bode圖可以看到校正后的系統(tǒng)的bode圖基本符合要求。5、閉環(huán)系統(tǒng)的仿真調(diào)試和結(jié)果測試（1）閉環(huán)PID系統(tǒng)調(diào)試閉環(huán)PID系統(tǒng)初始仿真調(diào)試電路圖如下：圖3.9 系統(tǒng)初始仿真調(diào)試電路圖當(dāng)輸入電壓為30V時

14、，在仿真過程中自動加入切載，閉環(huán)系統(tǒng)的仿真結(jié)果為圖3.10 系統(tǒng)初始調(diào)試仿真結(jié)果圖由圖可知系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差和抗干擾能力都滿足要求，說明系統(tǒng)的低頻段和高頻段的設(shè)置是合理的，但是系統(tǒng)的超調(diào)量很大，所以需要改變系統(tǒng)的中頻段的參數(shù)設(shè)置，經(jīng)過多次實(shí)踐與調(diào)試，把開環(huán)增益K減小為200，同時稍微增大極點(diǎn)Wp1，使 Wp1=3.33104rad/s，進(jìn)而使系統(tǒng)截止頻率增加，從而增加系統(tǒng)的相角裕度，減小超調(diào)量。經(jīng)過調(diào)試與修改后的PID閉環(huán)補(bǔ)償器的傳遞函數(shù)為Gcs=2008.710-4S+18.710-4S+1S310-5S+13.18410-6S+1=1.51410-4S2+0.348S+2009.55210-1

15、1S3+3.31810-5S+S利用MATLAB進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果為：圖3.11 系統(tǒng)最終調(diào)試仿真結(jié)果圖可以看到修改PID補(bǔ)償器后，系統(tǒng)的超調(diào)量基本為零，調(diào)節(jié)時間為5ms左右，在t=25ms時加入切載，可以看到超調(diào)量約為2.4%，電壓紋波明顯小于30mv，所以設(shè)計基本滿足要求。（2）閉環(huán)PID系統(tǒng)結(jié)果測試修改原始仿真電路，加入電感電流和負(fù)載電流測量裝置，系統(tǒng)結(jié)果測試仿真電路為：圖3.12 系統(tǒng)結(jié)果測試仿真電路當(dāng)輸入電壓為24V時未加切載時，系統(tǒng)仿真結(jié)果為：圖3.13 輸入電壓為24V，未加切載時，系統(tǒng)仿真結(jié)果負(fù)載電壓、負(fù)載電流和電感電流的紋波為：圖3.14 輸入電壓為24V時，負(fù)載電壓、負(fù)載電

16、流和電感電流的紋波由仿真結(jié)果知，未加入切載，系統(tǒng)在輸入電壓為24V時，輸出負(fù)載電壓基本沒有超調(diào)，調(diào)節(jié)時間小于5ms，負(fù)載電壓紋波小于20mv,電感電流紋波小于1v，負(fù)載電流紋波小于0.2v，滿足要求。加入切載時，系統(tǒng)仿真結(jié)果為：圖3.15 輸入電壓為24V，加入切載時，系統(tǒng)仿真結(jié)果由仿真結(jié)果知加入切載后，系統(tǒng)輸出負(fù)載電壓切載超調(diào)量小于3%，切載調(diào)節(jié)時間小于2ms，電感電流和負(fù)載電流也符合要求。2、當(dāng)輸入電壓為30V時未加切載時，系統(tǒng)仿真結(jié)果為圖3.16 輸入電壓為30V，未加切載時，系統(tǒng)仿真結(jié)果負(fù)載電壓、負(fù)載電流和電感電流的紋波為圖3.17 輸入電壓為30V時，負(fù)載電壓、負(fù)載電流和電感電流的紋

17、波由仿真結(jié)果知，未加入切載，系統(tǒng)在輸入電壓為30V時，輸出結(jié)果同24v輸入電壓時的結(jié)果基本一致，電感電流的超調(diào)量有所增加，電感電流紋波基本不變，滿足要求。加入切載時，系統(tǒng)仿真結(jié)果為圖3.18 輸入電壓為30V，加入切載時，系統(tǒng)仿真結(jié)果由仿真結(jié)果知加入切載后，系統(tǒng)輸出負(fù)載電壓超調(diào)量約為2%，切載調(diào)節(jié)時間小于2ms，電感電流和負(fù)載電流也符合要求。3、當(dāng)輸入電壓為36V時未加切載時，系統(tǒng)仿真結(jié)果為圖3.19 輸入電壓為36V，未加切載時，系統(tǒng)仿真結(jié)果負(fù)載電壓、負(fù)載電流和電感電流的紋波為圖3.20 輸入電壓為36V時，負(fù)載電壓、負(fù)載電流和電感電流的紋波由仿真結(jié)果知，未加入切載，系統(tǒng)在輸入電壓為36V時

18、，輸出結(jié)果同24v和30v輸入電壓時的結(jié)果基本一致，電感電流的超調(diào)量繼續(xù)增加，電感電流紋波基本不變，滿足要求，這說明輸入電壓增加時，電感電流的超調(diào)量會增加，與實(shí)際相符合。加入切載時，系統(tǒng)仿真結(jié)果為圖3.21 輸入電壓為36V，加入切載時，系統(tǒng)仿真結(jié)果由仿真結(jié)果知加入切載后，系統(tǒng)輸出負(fù)載電壓超調(diào)量約為2%，切載調(diào)節(jié)時間小于2ms，電感電流和負(fù)載電流也符合要求。第四章 BUCK電路的FUZZY設(shè)計與仿真4.1 設(shè)計框圖BUCK電路的FUZZY控制器設(shè)計框圖如下：圖4.1 BUCK電路的FUZZY控制器設(shè)計框圖其中：Vref為參考電壓，是一個常數(shù)；e為模糊控制器的輸入誤差；d/dt為輸入誤差的變化率

19、，Ke和Kec為量化因子，Ku為比例因子，C為反饋輸出信號。4.2 設(shè)計過程（1）模糊控制器輸入輸出參數(shù)的確定 本次模糊控制系統(tǒng)為二輸入-一輸出，Ke、Kec和Ku變量的模糊集論域都選擇為-1，+1，隸屬度函數(shù)采用常用的三角形隸屬度函數(shù)。對于輸入誤差E，其物理論域為-5，+5，所以Ke初步設(shè)定為15=0.2，對于誤差變化率，考慮實(shí)際情況，當(dāng)誤差變化時，其變化一般比較大，假定為變化率為-100,+100，則Kec可以初步設(shè)置為100；產(chǎn)生PWM的三角波幅值取為1V，則Ku取為1。（2）Matlab模糊控制工具箱的設(shè)置 建立FUZZY文件設(shè)置兩個輸入變量，分別是E和EC，輸入范圍是-1到1；一個輸

20、出變量U，輸出范圍是-1到1；且對它們均設(shè)置7個隸屬度函數(shù)。具體設(shè)置如下圖所示：圖4.2 輸入誤差E的隸屬度函數(shù)圖4.3 誤差變化率Ec的隸屬度函數(shù)圖4.4 輸出電壓U的隸屬度函數(shù)添加規(guī)則庫根據(jù)專家經(jīng)驗，規(guī)則庫的設(shè)計如下表所示：ECENBNMNSZEPSPMPBNBNBNBNBNBNMNSZENMNBNBNMNSNBZEPSNSNBNBNMNSZEPSPMZENBNMNSZEPSPMPBPSNMNSZEPSPMPBPBPMNSZEPSPMPBPBPBPBZEPSPMPBPBPBPB表1 模糊控制器規(guī)則庫模糊控制器輸出量曲面觀測圖為：圖4.5 模糊控制器輸出量曲面觀測圖搭建MATLAB仿真模型B

21、UCK的 FUZZY控制的仿真電路為：圖4.6 BUCK的 FUZZY控制的仿真電路（3）FUZZY調(diào)試與仿真結(jié)果仿真過程中主要調(diào)節(jié)了E和EC兩路的量化因子，調(diào)節(jié)這兩個數(shù)值，最終確定Ke為80，Kec為400，F(xiàn)UZZY的輸出結(jié)果基本滿足要求。1、當(dāng)輸入電壓為24V時，未加切載時，系統(tǒng)仿真結(jié)果為：圖4.7 輸入電壓為24V，未加切載時，系統(tǒng)仿真結(jié)果輸出電壓的紋波圖4.8 輸出電壓的紋波加入切載時，系統(tǒng)仿真結(jié)果為：圖4.9 輸入電壓為24V，加入切載時，系統(tǒng)仿真結(jié)果2、當(dāng)輸入電壓為30V時，未加切載時，系統(tǒng)仿真結(jié)果為：圖4.10 輸入電壓為30V，未加切載時，系統(tǒng)仿真結(jié)果輸出電壓的紋波圖4.11 輸出電壓的紋波加入切載時，系統(tǒng)仿真結(jié)果為：圖4.12 輸入電壓為30V，加入切載時，系統(tǒng)仿真結(jié)果3、當(dāng)輸入電壓為36V時，未加切載時，系統(tǒng)仿真結(jié)果為：圖4.13 輸入電壓為36V，未加切載時，系統(tǒng)仿真結(jié)果輸出電壓的紋波圖4.14 輸出電壓的紋波加入切載時，系統(tǒng)仿真結(jié)果為：圖4.15 輸入電壓為36V，