開關(guān)電源模糊控制PID設(shè)計(jì)和MATLAB仿真研究

摘 要：本文提出了一種開關(guān)電源模糊控制PID的的設(shè)計(jì)和MATLAB仿真方法。仿真結(jié)果表明：具有模糊控制的PID動態(tài)響應(yīng)快、超調(diào)量小、負(fù)載變化引起輸出電壓的變化小。

關(guān)鍵詞：開關(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

開關(guān)電源是一種采用開關(guān)方式控制的直流穩(wěn)壓電源。它以小型、高效、輕量的特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于各種電子設(shè)備中。開關(guān)電源控制部分絕大多數(shù)是按模擬信號來設(shè)計(jì)和工作的，其抗干擾能力不太好，信號有畸變。由于計(jì)算機(jī)技術(shù)突飛猛進(jìn)的發(fā)展，數(shù)字信號的控制和處理顯示出越來越多的優(yōu)點(diǎn)：便于計(jì)算機(jī)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(diào)試方便等，出現(xiàn)了數(shù)字PID控制。它使得開關(guān)電源向數(shù)字化、智能化、多功能化方向發(fā)展。這無疑提高了開關(guān)電源的性能和可靠性。但由于開關(guān)電源本身是一個非線性的對象，其精確模型的建立是相當(dāng)困難的，常采用近似處理，并且其供電系統(tǒng)和負(fù)載變化具有不確定性，所以采用上述模擬或數(shù)字PID控制方法常常難以使PID調(diào)節(jié)器的參數(shù)隨之變化，控制效果不理想。近來發(fā)展起來的Fuzzy控制是一種仿人智能控制法，它不依賴被控對象的數(shù)學(xué)模型，便于利用人的經(jīng)驗(yàn)知識實(shí)行控制，這對于一些復(fù)雜可變的或結(jié)構(gòu)不確定難以用準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型描述的系統(tǒng)而言是非常適宜的，具有較強(qiáng)的魯棒性[1]，特別是對于無法確定的復(fù)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關(guān)電源模糊控制的設(shè)計(jì)與仿真。

2 電路結(jié)構(gòu)及其控制策略

2.1 主電路結(jié)構(gòu)

主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)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(gòu)成的半橋型高頻變換器得到所需的高頻脈動電壓，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?fù)浣Y(jié)構(gòu)，既防止偏磁，又節(jié)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(shù)的計(jì)算略。

圖1 主電路原理圖

2.2 PID控制電路設(shè)計(jì)

在MATLAB環(huán)境下對開關(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，省略部分濾波，保護(hù)、吸收回路。圖2是PWM子系統(tǒng)的仿真原理圖。由于開關(guān)電源的非線性，在抽象其模型時，有很大的近似處理。根據(jù)以上模型，應(yīng)用傳統(tǒng)設(shè)計(jì)法，設(shè)計(jì)出PID控制器的傳遞函數(shù)為

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

圖2 PWM子系統(tǒng)

圖3 開關(guān)電源的常規(guī)PID控制模型

2.3 模糊控制器的設(shè)計(jì)

模糊控制器的結(jié)構(gòu)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電路控制開關(guān)電源的主電路。

圖4 開關(guān)電源的模

輸入、輸出語言變量均取7個語言值，即：PB、MB、PS、ZE、NS、NM、NP。在各語言變量論域上用以描述模糊子集的隸屬函數(shù)如圖5所示。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)所得的模糊控制表如下：

圖5 輸入、輸出變量的隸屬函數(shù)

模糊推理規(guī)則表

根據(jù)以上設(shè)計(jì)，得到基于MATLAB的開關(guān)電源模糊控制電路如圖6所示。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

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

圖6 開關(guān)電源模糊控制電路模型

3.1 起動階段的動態(tài)特性比較

圖7的前半部分(t：0—0.15)是起動時PID控制器的模糊控制器的輸出特性比較，該曲線是在負(fù)載為8.5A，輸出電壓設(shè)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(diào)量小得多，模糊控制可以使得系統(tǒng)在起機(jī)時不會有大的過壓，這對于設(shè)備的正常運(yùn)行是非常有好處的。

圖7 起動特性及工作點(diǎn)變化的動態(tài)特性

3.2 參數(shù)變化時的動態(tài)特性比較

由于開關(guān)電源的負(fù)載所需的電壓要求可調(diào)，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，PID控制器和模糊控制器的動態(tài)特性，由圖可看出：當(dāng)工作點(diǎn)發(fā)生變化時，模糊控制比PID控制的動態(tài)過程快速且無震蕩。

4 結(jié)束語

模糊控制是一種非線性控制，其控制規(guī)則是以人的經(jīng)驗(yàn)為基礎(chǔ)的，對于像開關(guān)電源這類的非線性對象的控制具有良好的魯棒性和抑制超調(diào)的能力。在開關(guān)電源中引入模糊控制策略，將為開關(guān)電源的發(fā)展開創(chuàng)新的局面。

本論文的創(chuàng)新點(diǎn)是提出了一種開關(guān)電源模糊控制PID的的設(shè)計(jì)和MATLAB仿真方法。

參考文獻(xiàn)

[1] 丁芳，李艷芳，費(fèi)玉龍 智能PID算法在液位控制系統(tǒng)中的應(yīng)用. 微計(jì)算機(jī)信息 2006年第6-1期

[2] 全杰，秦世引，段建民. 基于Matlab命令方式的模糊控制系統(tǒng)仿真及可視化實(shí)現(xiàn)[J]. 計(jì)算機(jī)仿真,2002, 19(3):113-114.

[3] 張國良,曾靜,柯熙政,鄧方林.模糊控制及其MATLAB應(yīng)用[M].西安交通大學(xué)出版社,西安,2002.

[4] 孫亮.MATLAB語言與控制系統(tǒng)仿真[M].北京工業(yè)大學(xué)出版社。

[5] 王淑青，楊樺，何濤 模糊PID復(fù)合控制在變頻空調(diào)中應(yīng)用研究微計(jì)算機(jī)信息 2006年第6-1期