pid和fuzzy在boost中的应用与MATLAB仿真知识讲解

1、精品文档利用 PID 控制器和 FUZZY 控制器控制 BOOST 电路 在 MATLAB 中的仿真一、仿真目的 ：1、学习使用 MATLAB ，并在 MATLAB 中建立电力电子仿真电路模型2、仿真 BOOST 的 PID 控制，调整参数，更深入理解 PID 控制3、仿真 BOOST 的 FUZZY 控制，并对 FUZZY 的工作原理和方式更好理解二、仿真指标 ：1、输入电压 V in=5V±10%；2、输出电压 V o=12V ；3、纹波水平 V ripple<70mV;4、输出功率 Po=30W ；5、效率 n> 85%6、超调 d <10%Vo7、 由半载切

2、满载（或由满载切半载）的电压调整率小于10%；8、 由空载切满载（或由满载切空载）的电压调整率小于15%；9、MOSFET 的开关频率 fs=100kHz.三、仿真步骤及结果：（一） PID 控制 BOOST 的仿真1、 BOOST 主电路参数计算（1 ） BOOST 主电路拓扑图1 BOOST电路拓扑(2)电感的计算V°D(1-D)LfocVoD(1-D)22Lf只要locWO则输出电流处于连续状态，则可得电感:2L V°D(1_D)一 2locf12 0.1137= 2.73uH2 一 100 10312精品文档(3)输出滤波电容C的计算loDfC:70mVloDf70

3、 10”二 223.2uF2、BOOST 闭环 PID 的 MATLAB 仿真(1 )在Simulink中搭建好BUCK电路的仿真模型，使用开关器件是 MOSFET，其开关频 率用100kHz，电感电容分别由上述公式计算得到，电路临界电感为2.3uH，临界电容为223.2uF，如图2所示。图2 BOOST闭环PID模型(2) BOOST电路闭环PID参数的设计过程I、BOOST电路的PID闭环系统框图如图 3所示。其中：Gc(s):补偿器的传递函数；Gm(S):三角波的传递函数；Gvd(s) : BOOST主电路由MOSFET的输入到输出的传递函数;H(s):反馈回路的传递函数；Gvs(s)

4、: BOOST主电路由输入 Vin到输出V。的传递函数;Zo :负载阻抗II、各传递函数的表达式(1) 在MATLAB仿真中，直接把输出电压作为输出电压，所以反馈回路的传递函数为:12V,112V(2)Gm(S):在MATLAB仿真模型中，选用的三角波幅值为1V，频率为100kHz，则:1Gm(s) =1Vm(3) Gvd(s):由精通开关电源书中的介绍，在不考虑电路中电感电阻，和电容的内阻的情况下,BOOST主电路由占空比输入到输出电压的传递函数可以表达为：(-s)Gvd (s)VinLC R2(1 D)s2 s(1/ RC)LC其中：LL 2 ；-(1-D)2R:负载电阻阻值；C:是输出滤

5、波电容的容值；n Vo WinD =Vo将 L=6uH,C=1mF,R=4.8,D=0.583 带入 Gvd(s)公式中:Gvd(s)5(1 -0.583)211.725 10-5 1 10(11.725 10 一 、-s)14.8 1 1013 10-6 1 101041.667 10-5.991 10 ss2208.333s 3.33 108(4) 设计PID补偿器的传递函数由上面得出的Gvd(s),在MATLAB中绘出开环Bode图如下图所示:丽6?-40Bode DigramgS=29?1«(al3.45e+flWraaSec>> m=-isaWwt'91

6、ffpjslpn;! uffPJFrKjucnCT r6n«&»K；)图4 开环Gvd的Bode图由Bode图可以得出如下参数：1 在相位180 °寸的幅值ho=-29.1dB;2 令校正后的截止频率 fc=(1/5)fs=20kHz，其幅值为 Mr=-9.511dB ;3截止频率时的相位;0 = -15.3；K设PID补偿器的传递函数为 Gc(s) = Kp(K1Kds)sK则其频率响应为 Gc( j 0 = Kp(1 L Kd j ) j国20lg A( ) =20lg(心/ (K - Ki)2)V«Kc = arcta n(Kd-)co假设

7、校正后的频率 fc=1/5fs=20kHz在fc处微分环节补偿 Mr的裕度，即有等式:且在 tan 180 = Kd18020lg( KpKd) - -Mr =9.511dB( 1)在180。处补偿器提供的hc满足如下不等式：hc =20lg(Kp( 1 (Kd 180 - Ki )2) 180hc h0 _10dBKi'180将上式进行化简可得等式:20lg Kp (-29.1dB) _10dB (2)补偿器要补偿的相角为 ：:c=45： 15.3 = 60.3rKitan 60.3 Kd c叭(3)其中 c =2二 fc =1.256 105rad /s综上(1)、( 2)和(3)

8、式可解出Kp、Ki和Kd三个值：K =90.1572心=5.227 10Kd =3.315 10“最后可求得校正器的传递函数为:Gc =90.157(12.5.227 10-83.315 10 s)III、PID闭环仿真1、MATLAB建立BOOST的PID闭环模型图如图 5所示:(1)将上面算出的PID参数带入模型中PID控制器可得出如下输出波形:141210064200.0010.0020.00300040.005 OlOOG 0.0070.0060.0090.01图6满载R=4.8时的电压波形Vz.8=11.98/由波形可以看出几乎无超调，且纹波也很小，满载输出电压纹波的细节图如下:图7

9、满载R=4.8时的电压纹波由图可以观察到其纹波大致在70mV左右，满足指标要求。输出电流波形如下：图8满载R=4.8时的输入电流波形由图可以看出电流 Ir二.8 =6.8A(2 )半载情况将负载电阻提高一倍即 R=9.6后输出电压如下:1412106420O.OD1 0.0020.0030.0040.005 QOOB 0.0070.0080.009 O.D1图9半载时的输出电压电压纹波图如下:1.0410312.0212.011211.993.121143.163.101223.243L2E3 20图10半载时的纹波电压可以看到此时的输出电压为 VRz9.8 =12.014V(3 )空载情况空

10、载输出电压波形如下：00.0D10 0020.DD300040.005 Q0DB 0.007 O.ODB O.OU9 0.01图11空载时的电压细节图如下：12.065712.065712.065712.065712.065712.065712.065712.065712.065612.065612 065622.533.544.555.566.5图12空载时的电压细节图由细节图可以看出空载电压 Vr出=12.06577(4 )数据分析满载切半载的负载调整率为：S426=V4；V9.6L 0.284%V4.8满载切空载的负载调整率为：S48= V4.8 VoL 0.715%V4.8满载时的效率

11、为：PoN100% 30W 100%=88.235%IrM6.8 5由以上数据分析，仿真的结果均满足指标要求。(二) FUZZY 控制的BOOST仿真在PID仿真模型主电路的基础上，搭建FUZZY控制闭环如图13所示:图13 FUZZY控制的BOOST仿真模型1、建立FUZZY文件，选择两个输入分别为E和ED，一个输出，且对他们都用了7个隶属函数，每个函数的变化范围是 -1到1,其中E如图下所示。图 14(1) FUZZY 文件inpurt variable "EFIS VariablesoutpullCunenl VariableNameETypaRangeCurrent Memb

12、ership Function (click on MF tn select)Nam?NBTypreIrinifParamsE-1333-1 -0.67HelpCloseDisplay Range1-1 11Ready图 14(2) FUZZY 文件然后，对该函数添加了规则库，如图15所示:f. lf(E is NB) and (DE b MB) then OUT Is PB)2. If (E NM) and (DE is NB) then (OUT is PS)3. If (E is NS) and (DE is NB)then (OUTis PB) ft4. If (E is ZE) an

13、d (DE is NB) then (OUT is PB) (1) 5” If (E is PS) and DE is M0>theri (OUT is PM)5. If is PM) and (DEb NB)then OUTis PS) f1I. If (E is PB) and (DE is NB>tlien (OUT is ZE) B. If (E is NB) and (DE is NMJtheni (OUT is PB) (1)9. If (E is NU) and (DE is NIJ) then (OUT ts PB)10. If (E is NS) and (DE

14、is NM) then (OUT b PB (1)II. If (ElsZE)and(DE NM)thsn(OUT is PS) (1)12 If (E IsPS)and(DEisNM) then(OUT is ZE) (1)13. lf(E Is PM arid DE is NM then (OUThZE) 14r If (E isPB)and(DEisNM)then(OUT is NB) (1)15. If (E isNB )and(DEi$NS) then(OUTis PB) (1)16. If (E is NL1 and (DE is hlS) then (OUT b PB (1)17

15、. If (E is NS) and (DE is NS) then (OUT is PS) (1)18. If (E is ZE) and (DE is NS) then (OUT is PS)19. If (E is PS) and (DE b MS) then (OUT is 2E)20. If (E is PM and (DE is NS) then (OUT is Nhl)(1>LIT(E is NB) and (DE b NB)then (OUT Is PB) CO2. If (E NM) and (DE is NB) then (OUT is PB) (1)3. If CE

16、 is NS) and (DE is NB)then (OUTis4. If CE is ZE) and (DE is NB) then (OUT i> PB) (1)5. if (E is PS) and (DE is NB then (OUT is PM) B. If (E is PM) and (DE is NB)then (OUT is PS) (1) 7 If is PB) and (DE is NB then (OUT is ZE) S. If (E is NB) and (DE k NM)then (OUT is PB) (1) 9 If (E Is NM and (DE

17、is NM) then (OUT s PB) 10. If (E is N5) and (DE is NM) than (OUT s PB) (1) 11.If (Els ZE) and (DE NM) than OUT is PS) 12 If (E is PS) and (DE is NMJthen (OUT is ZE) 13” If (E Is PM and (DE b NM)ttien (OUThZE) 14r If (E is PB) and (DE is NM)then (OUT is N即(J15. If (E 闰 NB) and (DE NS)then (OUTis PB)

18、(1)16. If (E is Nr>1)an(f (DENS)ihen (OUTBPe)(1)17. If (E is MS) and (DE is NS) then (OUT is PS) (1)18. If (E is ZE) and (DE is NS) then (OUT is PS) (119. If (E is PS) and (DE is NS then (OUT is ZE)20. If (E is PM) and (DE is NS) then (OUT is41. If (E is PM> and (DE is PM then (OUT is NB) (1)42. If (E is PB) and (DE is PM) then (OUT is NB) (1)43. IT 伍 is NB) and (DE is PB) then (OUT is44. If (EisNMJand DE is PB then (OUT is PM) (1)45 If (E is ZE) and (DE is PB) then OUT is NM (1)46 If (E