開關電源模糊控制PID設計和MATLAB仿真研究

摘 要：本文提出了一種開關電源模糊控制PID的的設計和MATLAB仿真方法。仿真結果表明：具有模糊控制的PID動態響應快、超調量小、負載變化引起輸出電壓的變化小。

關鍵詞：開關電源;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

開關電源是一種采用開關方式控制的直流穩壓電源。它以小型、高效、輕量的特點被廣泛應用于各種電子設備中。開關電源控制部分絕大多數是按模擬信號來設計和工作的，其抗干擾能力不太好，信號有畸變。由于計算機技術突飛猛進的發展，數字信號的控制和處理顯示出越來越多的優點：便于計算機處理和控制，避免模擬信號傳遞畸變失真，減少雜散信號的干擾，軟件調試方便等，出現了數字PID控制。它使得開關電源向數字化、智能化、多功能化方向發展。這無疑提高了開關電源的性能和可靠性。但由于開關電源本身是一個非線性的對象，其精確模型的建立是相當困難的，常采用近似處理，并且其供電系統和負載變化具有不確定性，所以采用上述模擬或數字PID控制方法常常難以使PID調節器的參數隨之變化，控制效果不理想。近來發展起來的Fuzzy控制是一種仿人智能控制法，它不依賴被控對象的數學模型，便于利用人的經驗知識實行控制，這對于一些復雜可變的或結構不確定難以用準確的數學模型描述的系統而言是非常適宜的，具有較強的魯棒性[1]，特別是對于無法確定的復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電源模糊控制的設計與仿真。

2 電路結構及其控制策略

2.1 主電路結構

主電路拓撲結構如圖1。220V單相交流電經全波不可控整流，得到約300V的直流電壓，再經由IGBT構成的半橋型高頻變換器得到所需的高頻脈動電壓，經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半橋型拓撲結構，既防止偏磁，又節約成本，主頻選為20kHz，使IGBT工作于最佳狀態。圖中L1，C1用于抑制差模噪聲，L2、C2、C3用于抑制共模噪聲。各參數的計算略。

圖1 主電路原理圖

2.2 PID控制電路設計

在MATLAB環境下對開關電源的主電路及PWM發生電路建模，如圖3所示，圖中為仿真方便起見，省略部分濾波，保護、吸收回路。圖2是PWM子系統的仿真原理圖。由于開關電源的非線性，在抽象其模型時，有很大的近似處理。根據以上模型，應用傳統設計法，設計出PID控制器的傳遞函數為

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

圖2 PWM子系統

圖3 開關電源的常規PID控制模型

2.3 模糊控制器的設計

模糊控制器的結構如圖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經反模糊成u，再經PWM電路控制開關電源的主電路。

圖4 開關電源的模

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如圖5所示。根據經驗所得的模糊控制表如下：

圖5 輸入、輸出變量的隸屬函數

模糊推理規則表

根據以上設計，得到基于MATLAB的開關電源模糊控制電路如圖6所示。

3 實驗結果

在對PID控制器和模糊控制器進行實驗的基礎上，對這兩種控制算法進行了比較。

圖6 開關電源模糊控制電路模型

3.1 起動階段的動態特性比較

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，該曲線是在負載為8.5A，輸出電壓設定值為38V的情況下測得的。從圖中可以看出模糊控制要比PI控制的超調量小得多，模糊控制可以使得系統在起機時不會有大的過壓，這對于設備的正常運行是非常有好處的。

圖7 起動特性及工作點變化的動態特性

3.2 參數變化時的動態特性比較

由于開關電源的負載所需的電壓要求可調，即工作點可變。圖7的后半部分(t：0.15—0.3)展示了工作點發生變化(電壓：38V→28V，電流：8.5A→6.4A)時，PID控制器和模糊控制器的動態特性，由圖可看出：當工作點發生變化時，模糊控制比PID控制的動態過程快速且無震蕩。

4 結束語

模糊控制是一種非線性控制，其控制規則是以人的經驗為基礎的，對于像開關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的能力。在開關電源中引入模糊控制策略，將為開關電源的發展開創新的局面。

本論文的創新點是提出了一種開關電源模糊控制PID的的設計和MATLAB仿真方法。

參考文獻

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