基于自整定模糊PID控制的Buck变换器设计与仿真.pdf

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1、昼应用技术基于自整定模糊PID控制的Buck变换器设计与仿真王清舒孙培德吕蕾(东华大学信息科学与技术学院)摘要：DC．DC功率变换器在各个领域应用广泛，工业应用中大多采用PID控制。尽管P1D控制具有结构简单、鲁棒性和可靠性高等特点，但PID参数不能随系统内部参数的变化而自行调整，导致无法达到最优控制。为此，设计一种基于模糊控制理论的、可在线自整定参数的PID算法，并用Matlab2012对典型Buck变换器和模糊自整定PID算法仿真。结果表明：模糊PID控制器既可实现高精度、高鲁棒性控制，又能完成PID参数的

2、在线自整定。关键词：Buck变换器；PID控制器；参数自整定；模糊控制O引言本文采用带有模糊规则的PID控制器，这样既可以在线自整定PID参数，又可以达到快速跟踪输出稳定的近年来，电力电子技术发展迅速，带动了新能源效果。技术的快速崛起，使功率电源得到广泛应用，其中DC-DC功率变换器应用尤为广泛且作用显著L1】。1传统PID控制的Buck变换器DC-DC变换器固有的非线性特点使其难以建立准确Buck电路是典型的DC-DC功率变换器之一。模型，一般的做法是建立线性小信号模型，尤其对于Buck电路传统PID控制器的

3、设计步骤：首先建立系一些复杂的DC-DC电源(如移相全桥ZVS变换器)统的小信号模型；然后根据系统的幅频特性对其进行和采用多电源并联的电路来说，建立准确模型更加困补偿；最后计算出PID参数值。在建立DC-DC变换难。目前大多数电源采用传统的PID控制器闭环电路，器的小信号时，一般忽略次要因数(如开关频率谐波以保证输出的电压和电流稳定。与其边带等)，以简化模型。因为DC-DC变换器存2O世纪60年代，美国加州大学LA．Zedeh教在非线性元件(功率开关、二极管等)，所以是非线授提出模糊控制理论，该理论在各个领域得

4、到有力支性系统。但在研究某一稳定工作点附近的动态特性时，持和广泛应用[2-3]o模糊控制是一种不依赖于被控对象仍可以把它近似为线性系统，这就要用到状态平均的准确模型的控制方式，可在线自整定参数，具有跟踪概念。通过分析计算得出小信号状态下的Buck等性能好、操作简单、适应性和稳定性强的特点。DC-DC效电路如图1所示。功率变换器内部状态会发生变化以致模型发生改变，D屯6IL、上二=)(图IBuck电路小信号模型2014年第35卷第5期自动化与信息工程39由图1可得出式(1)、式(2)、式(3)由图2中可以看出，系

5、统未补偿时的特性与理想的幅频特性相差较大。对于一个稳定的系统其增益裕三=西+一(1)量应大于6dB，相位裕量大于45。，而目前系统的C!三：一相位裕量只有2．22。，因此，需要对其进行补偿。根dlR据最小相位系统理论进行补偿，经过分析和计算，最=Dh+五终得到=1l8、=7、Kd=o．03，代入式(6)可由图1和式(1)、式(2)、式(3)推理可得Buck电路得到PID控制器的传递函数，重新计算系统的开环传的小信号模型为递函数，得出系统未补偿传递函数与补偿后的传递函一D数对比波特图如图3所示。一常规PID控制器

6、传递函数如式(6)所示，通过调节K、Kj、Kd3个参数使系统达到较好的控制状态。Cc()：Kp++(6)设Buck电路的输入电压l2V，Vo==5V，L=0．35mH，C=210，R=10Q，开关频率是10kHz，将参数代入式(5)中可求得系统的开环传递函数12=：—7．35~10-Ss2+—35x10-Ss+l(7)图3未补偿和补偿后系统波特图对比．由式(7)画出波特图如图2所示。由图3中可以看出，系统在经过补偿后，相位裕量为90。，幅频特性以一20dB／十倍频程过零线，符合BodeDiagramGm=lnf

7、dB(atInfrad／s)，Pm=2．22deg(at1．33e+004rad／s)最小相位系统理论，补偿效果明显，说明此PID控制器参数可行。2模糊PID控制的Buck变换器DC-DC变换器并不是在任何情况下都可以得剑准确模型，而且控制对象或者电路内部参数在实际运l行过程中会因为不确定因素而发生变化，在这种情况bD下，人工整定的PID参数无法满足控制需求。为避免器’这种不利情况，采用模糊控制与PID控制相结合的模．180糊PID控制器，通过模糊规则在线调整PID的参数，102103104Frequency／

8、(rad／s)即使电路内部参数发生变化也可自动调整控制器，使图2未补偿开环传递函数波特图系统重新回到稳定状态。王清舒孙培德吕蕾：基于自整定模糊PID控制的Buck变换器设计与仿真2．1模糊PID控制器结构模糊规则的一般步骤：模糊控制器的输入变量是误差e和误差变化率ec，首先将e、ec和AK、△、△的大小用模输出是PID的3个参数的变化量AK、和d。糊语言描述，只根据变化的程度范围描述，