BOOST電路pid和fuzzy閉環(huán)控制仿真.doc

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1. 設計要求 （1） 輸入電壓范圍為50-98V，輸出電壓為100V，額定負載下輸入電流20A； （2） 紋波（峰峰值）不超過1%； （3） 在75V輸入條件下效率大于96%。 2. boost電路拓撲和各參數(shù)值 電感參數(shù)計算：選定輸入電壓為75V來計算各參數(shù)，此時穩(wěn)態(tài)占空比為0.25，輸出電壓為100V，開關(guān)頻率為100KHz。 為保持輸出電流連續(xù)，設電容電流增量為，應有<，其中 代入可求得電感值為。在仿真中，為了保證電感電流續(xù)流，我們?nèi)　? 電容參數(shù)計算：電容的選擇主要是考慮紋波小于1%，即1V，根據(jù)boost電路的紋波計算公式： 可以推出 在仿真中，為了確保輸出電壓紋波小于設定值，C取。 3. PID控制器的boost電路仿真 用PID控制器控制的閉環(huán)boost電路的原理圖如圖3.1所示 圖3.1 PID控制的閉環(huán)boost電路原理圖 經(jīng)過小信號建?？傻瞄_環(huán)傳遞函數(shù)為 代入數(shù)據(jù)可得 在matlab中輸入下面的程序作出bode圖3.2 num=[-4.74e-4 133.34]; den=[1.78e-8 3.56e-6 1]; margin(num,den); 圖3.2 開環(huán)系統(tǒng)bode圖 由圖可知，系統(tǒng)的幅值裕度為，相位裕度為，剪切頻率為。 下面進行超前PD校正，使前向通道傳遞函數(shù)滿足。 超前PD校正裝置傳遞函數(shù)是 超前PD校正裝置增加的相角為 則有 設定超前PD校正后的剪切頻率為1/5的開關(guān)頻率，即剪切頻率為20kHz，再由公式 得。 令超前PD校正裝置,校正裝置的轉(zhuǎn)折頻率為 可以求出 得到校正不含增益的校正裝置 現(xiàn)在算增益K值，用上式校正裝置對系統(tǒng)進行校正，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); 運行程序得到bode圖如圖3.3所示： 圖3.3 用不含增益的超前PD校正裝置校正的系統(tǒng)bode圖 加上校正裝置的系統(tǒng)k值后，系統(tǒng)的穿越頻率應為設定的頻率，在圖3.3中找出在頻率處的幅值，由于在圖中1.26不好選定，就選出一個大致的1.17來參考，可以看出在不加k校正后系統(tǒng)的幅值大概為，加上k后應該有 可以算出k為0.339。 所以超前PD校正裝置為 在matlab中運行下面程序看經(jīng)過超前校正后的bode圖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); 圖3.4 超前校正后系統(tǒng)的bode圖 可以看出進行超前校正后 幅值裕度： 相角裕度： 剪切頻率： 經(jīng)驗證，超前PD校正為有差校正，穩(wěn)態(tài)后并非達到100V，為了減小系統(tǒng)的靜差，增加PI校正環(huán)節(jié)。 PI環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)為 由于PD校正已經(jīng)將系統(tǒng)校正為穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)，故PI校正不應影響到系統(tǒng)中的中高頻特性，因此PI校正主要對系統(tǒng)低頻起作用，根據(jù)經(jīng)驗可知，這里取。得到PI環(huán)節(jié)為 最后根據(jù)實際仿真波形對PD,PI各環(huán)節(jié)參數(shù)進行微調(diào)，最后確定 4.系統(tǒng)仿真 Matlab系統(tǒng)仿真圖如圖4.1所示 圖4.1 matlab系統(tǒng)仿真圖 在50V輸入條件下，對系統(tǒng)進行仿真，得到仿真圖4.2 圖4.2（a）50V輸入電壓下系統(tǒng)的輸出 圖4.2(b) 50V輸入電壓下輸出的紋波 在75V輸入條件下，對系統(tǒng)進行仿真，得到仿真圖4.3 圖4.3（a） 75V輸入電壓下系統(tǒng)的輸出 圖4.3（b） 75V輸入電壓下輸出的紋波 在98V輸入條件下，對系統(tǒng)進行仿真，得到仿真圖4.4。 圖4.4（a） 98V輸入電壓下系統(tǒng)的輸出 圖4.4（b） 98V輸入電壓下輸出的紋波 上面這幾個圖能看出，輸入電壓變化時，波形很穩(wěn)定，三個波形都差不多，超調(diào)大概在10%左右，稍微有點大，紋波比較小，在0.1V以內(nèi)。 5. fuzzy控制器的boost電路仿真 用fuzzy控制器控制的boost閉環(huán)電路圖如圖5.1所示。 圖5.1 fuzzy控制器控制的閉環(huán)boost電路原理圖 本系統(tǒng)的模糊控制器采用二輸入-一輸出，變量的模糊集論域都選擇為[-1,1]，采用常用的三角形隸屬度函數(shù)。 在matlab中建立fuzzy文件，兩輸入分別為誤差E和誤差變化量EC。 圖5.2 matlab建立fuzzy文件 對于輸入和輸出量都分別用NB,NM,NS,Z,PS,PM,PB七個變量來描述，各個變量的隸屬度函數(shù)如圖5.3所示。 圖5.3（a） 輸入變量E的隸屬度函數(shù) 圖5.3（b） 輸入變量EC的隸屬度函數(shù) 圖5.3（c） 輸出變量的隸屬度函數(shù) 接著根據(jù)專家經(jīng)驗和系統(tǒng)的偏差類型確定規(guī)則庫，規(guī)則庫設計如表1所示 表1 fuzzy控制器的規(guī)則庫 NB NM NS Z PS PM PB NB NB NB NB NM NM NS Z NM NB NB NB NM NS Z PS NS NB NM NM NS Z PS PM ZE NB NS NS Z PS PM PB PS NM NS Z PS PM PB PB PM NS Z PS PM PB PB PB PB Z PS PM PM PB PB PB 將隸屬度函數(shù)與規(guī)則庫輸出fuzzy文件，得到控制器。在調(diào)試中，需要調(diào)節(jié)的是誤差E和誤差EC的增益，以使fuzzy控制器的輸入量落在設定的域中，加限幅是為了防止輸入量突然增大對輸出的影響。在純fuzzy控制器作用下，主電路在輸入電壓偏大或偏小時輸出會出現(xiàn)靜差，為了使輸出電壓穩(wěn)在設定的100V，在主電路的輸出與輸入之間加上一個積分環(huán)節(jié)。 令boost電路的輸入電壓分別為50V,75V,98V，輸出波形如下圖所示。 圖5.4（a）50V輸入電壓下系統(tǒng)的輸出 圖5.4（b）50V輸入電壓下的紋波 圖5.5（a）75V輸入電壓下系統(tǒng)的輸出 圖5.5（b）75V輸入電壓下的紋波 圖5.6（a）98V輸入電壓下系統(tǒng)的輸出 圖5.6（b）98V輸入電壓下紋波 從波形圖可以看出，fuzzy控制器很好的滿足了要求，沒有什么超調(diào)，紋波也小。 6. 總結(jié) 通過本次的大作業(yè)，學習到了很多東西，首先是對軟件有了進一步的了解和熟悉，對matlab的simulink模塊和fuzzy控制器有了更深的了解，提高了通過仿真波形分析問題的能力，從有很多小問題到慢慢能出波形，再到最后波形的調(diào)試這個過程都是很值得體會的，里面有很多有趣且有用的東西。另外，PID的仿真將自動控制原理和電力電子技術(shù)結(jié)合在一起，對整個仿真都有了更深的認識，使我更加進一步感受到了學科間關(guān)系和關(guān)聯(lián)，促進了知識的融會，增強我對所學知識的運用能力，提高了思考問題和解決問題的能力。而fuzzy的仿真讓課堂上學的知識來學以致用，加深了我對課堂上知識的理解，對模糊控制也有了一個更深層次的了解。這次大作業(yè)收獲還是挺大的。 最后，特別感謝XX師哥和師姐耐心的講解和解答，也感謝XXX老師課上的精心指導。 參考文獻 [1] 徐德鴻，電力電子系統(tǒng)建模及控制，機械工業(yè)出版社，2006 [2] 林 飛，杜 欣，電力電子應用技術(shù)的 MATLAB 仿真，中國電力 出版社，2009 [3] 胡壽松，自動控制原理，科學出版社，2001 [4] 張德豐. Matlab模糊系統(tǒng)設計. 北京：國防工業(yè)出版社, 2009 [5] 席愛民，模糊控制技術(shù)，西安電子科技大學出版社，2008