BOOST电路pid和fuzzy闭环控制仿真.doc

-_1.1.设计要求设计要求（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.boostboost 电路拓扑和各参数值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，应有<，其IocIocIomax中2)1 (2DDLTUIo oc2)1 (202LDDTUo代入可求得电感值为。在仿真中，HL52. 375. 025. 02021001025 为了保证电感电流续流，我们取。HL20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：RCDT UooU可以推出HRUDTUCoo50105 . 01025. 01005 在仿真中，为了确保输出电压纹波小于设定值，C 取。H500-_3.3.PIDPID 控制器的控制器的 boostboost 电路仿真电路仿真用 PID 控制器控制的闭环 boost 电路的原理图如图 3.1 所示图 3.1 PID 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 ( )(DsRLLCsRDsLUD sGovd 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-4 133.34;den=1.78e-8 3.56e-6 1;margin(num,den);-_-100-50050100Magnitude (dB)10310410510610790180270360Phase (deg)Bode Diagram Gm = -42.5 dB (at 1.06e+04 rad/s) , Pm = -17.4 deg (at 8.9e+04 rad/s)Frequency (rad/s)图 3.2 开环系统 bode 图由图可知，系统的幅值裕度为，相位裕度为dBGMo5 .42，剪切频率为。4 .170srad /109 . 84 c0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TsaTsksGc11)(1超前 PD 校正装置增加的相角为700m则有3 .32sin1sin1mma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f2-_得。sradc/1026. 15'令超前 PD 校正装置,校正装置的转折频率为' cmsradam/10217. 23 .321026. 1451sradam/10161. 73 .321026. 155 2可以求出5 4 110511. 410217. 211aT6 5 210396. 110161. 711T得到校正不含增益的校正装置ss TsaTssGc65 ' 110396. 1110511. 41 11)(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-5 1,-4.74e-4 133.34);den=conv(1.396e-6 1,1.78e-8 3.56e-6 1);margin(num,den);运行程序得到 bode 图如图 3.3 所示：-_-50050100Magnitude (dB)10310410510610710890180270360450Phase (deg)Bode Diagram Gm = -1.89 dB (at 4.24e+05 rad/s) , Pm = -18.4 deg (at 6.18e+05 rad/s)Frequency (rad/s)System: untitled1 Frequency (rad/s): 1.17e+05 Magnitude (dB): 10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，在图 3.3 中找出在频率处的幅值，由于在sradc/1026. 15'51026. 1图中 1.26 不好选定，就选出一个大致的 1.17 来参考，可以看出在不加 k 校正后系统的幅值大概为，加上 k 后应该有' cdBLc4 . 9)('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 ' 11ssskGsGcc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-5 0.339,-4.74e-4 133.34);den=conv(1.396e-6 1,1.78e-8 3.56e-6 1);margin(num,den);-_-50050100Magnitude (dB)10310410510610710890180270360450Phase (deg)Bode Diagram Gm = 7.51 dB (at 4.24e+05 rad/s) , Pm = 46 deg (at 1.26e+05 rad/s)Frequency (rad/s)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. 15 1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，这里取。得到 PI 环节为11 . 0csrad /1000-_sssGc1000)(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)(651sssGcsssGc1000)(24.4.系统仿真系统仿真Matlab 系统仿真图如图 4.1 所示图 4.1 matlab 系统仿真图-_在 50V 输入条件下，对系统进行仿真，得到仿真图 4.200.0020.0040.0060.0080.010.0120.0140.0160.0180.02020406080100120ReadyT=0.020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-_在 75V 输入条件下，对系统进行仿真，得到仿真图 4.300.0020.0040.0060.0080.010.0120.0140.0160.0180.02020406080100120ReadyT=0.020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-_在 98V 输入条件下，对系统进行仿真，得到仿真图 4.4。00.0020.0040.0060.0080.010.0120.0140.0160.0180.02020406080100120ReadyT=0.020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。-_5.5.fuzzyfuzzy 控制器的控制器的 boostboost 电路仿真电路仿真用 fuzzy 控制器控制的 boost 闭环电路图如图 5.1 所示。图 5.1 fuzzy 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。-_图 5.2 matlab 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 1 fuzzy 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。令 boost 电路的输入电压分别为 50V,75V,98V，输出波形如下图所示。-_00.0010.0020.0030.0040.0050.0060.0070.0080.0090.01020406080100ReadyT=0.010Offset=0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-_00.0010.0020.0030.0040.0050.0060.0070.0080.0090.01020406080100ReadyT=0.010Offset=0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-_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。-_6.总结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。-_参考文献参考文献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，20014 张德丰. Matlab 模糊系统设计. 北京：国防工业出版社, 20095 席爱民，模糊控制技术，西安电子科技大学出版社，2008