buck電路PID和FUZZY閉環(huán)控制

buck電路PID和FUZZY閉環(huán)控制設(shè)計報告專業(yè)：電氣工程學(xué)號：15S053144姓名:張佳云目錄第一章緒論錯誤!未定義書簽。第二章BUCK電路的設(shè)計與仿真錯誤!未定義書簽。設(shè)計指標(biāo)錯誤!未定義書簽。第三章BUCK電路的PID設(shè)計與仿真錯誤!未定義書簽。設(shè)計框圖錯誤!未定義書簽。BUCK開環(huán)主電路拓?fù)鋮?shù)計算錯誤!未定義書簽。BUCK電路PID閉環(huán)控制的設(shè)計錯誤!未定義書簽。第四章BUCK電路的FUZZY設(shè)計與仿真錯誤!未定義書簽。設(shè)計框圖錯誤!未定義書簽。設(shè)計過程錯誤!未定義書簽。第五章總結(jié)錯誤!未定義書簽。參考文獻錯誤!未定義書簽。第一章緒論BUCK電路是一種降壓斬波器，主要通過調(diào)節(jié)占空比的大小控制輸出電壓的大小，是一種簡單常用的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，應(yīng)用范圍廣。本文采用PID控制和模糊控制兩種方法控制BUCK電路，使其達到一定的標(biāo)準(zhǔn)。PID（比例積分微分）控制器作為最早實用化的控制器已有70多年歷史，現(xiàn)在仍然是應(yīng)用最廣泛的工業(yè)控制器。PID控制器簡單易懂，使用中不需精確的系統(tǒng)模型等先決條件，因而成為應(yīng)用最為廣泛的控制器。PID控制，實際中也有PI和PD控制。PID控制器就是根據(jù)系統(tǒng)的誤差，利用比例、積分、微分計算出控制量進行控制的。比例控制是一種最簡單的控制方式。其控制器的輸出與輸入誤差信號成比例關(guān)系。當(dāng)僅有比例控制時系統(tǒng)輸出存在穩(wěn)態(tài)誤差。為了消除穩(wěn)態(tài)誤差，在控制器中必須引入“積分項”。積分項對誤差取決于時間的積分，隨著時間的增加，積分項會增大。這樣，即便誤差很小，積分項也會隨著時間的增加而加大，它推動控制器的輸出增大使穩(wěn)態(tài)誤差進一步減小，直到等于零。因此，比例+積分（PI）控制器，可以使系統(tǒng)在進入穩(wěn)態(tài)后無穩(wěn)態(tài)誤差。微分項能預(yù)測誤差變化的趨勢，具有抑制誤差的作用，可以避免被控量的嚴(yán)重超調(diào)。本文利用這個原理通過給系統(tǒng)添加補償函數(shù)實現(xiàn)對系統(tǒng)的控制。模糊控制是采用由模糊數(shù)學(xué)語言描述的控制律（控制規(guī)則）來操縱系統(tǒng)工作的控制方式。按照模糊控制律組成的控制裝置稱為模糊控制器。模糊控制的特點是不需要考慮控制對象的數(shù)學(xué)模型和復(fù)雜情況，而僅依據(jù)由操作人員經(jīng)驗所制訂的控制規(guī)則就可構(gòu)成。凡是可用手動方式控制的系統(tǒng)，一般都可通過模糊控制方法設(shè)計出由計算機執(zhí)行的模糊控制器。模糊控制所依據(jù)的控制律不是精確定量的。其模糊關(guān)系的運算法則、各模糊集的隸屬度函數(shù)，以及從輸出量模糊集到實際的控制量的轉(zhuǎn)換方法等，都帶有相當(dāng)大的任意性。對于模糊控制器的性能和穩(wěn)定性，常常難以從理論上作出確定的估計，只能根據(jù)實際效果評價其優(yōu)劣。本文主要通過建立BUCK電路的小信號模型，利用PID校正裝置和模糊控制器實現(xiàn)對BUCK的閉環(huán)控制，使其動態(tài)響應(yīng)和靜態(tài)響應(yīng)都滿足指標(biāo)。第二章BUCK電路的設(shè)計與仿真設(shè)計指標(biāo)要求分別設(shè)計buck電路的PID控制器和模糊控制器，滿足一下指標(biāo)：⑴輸入電壓范圍為24-36V，輸出電壓為5V，額定負(fù)載下輸出電流10A；電壓紋波Vrr(峰峰值)不超過50mV；電壓超調(diào)量不超過5%；⑷切載超調(diào)量不超過5%；第三章BUCK電路的PID設(shè)計與仿真設(shè)計框圖其中，Gc(s):補償器的傳遞函數(shù)；Gm(s)：PWM的傳遞函數(shù)；Gvd(s)：BUCK主電路由MOSFET的輸入到輸出的傳遞函數(shù);H(s)：電壓采樣反饋回路的傳遞函數(shù)；Gvs(s):BUCK主電路由輸入Vin到輸出Vo的傳遞函數(shù);Zo：負(fù)載阻抗；Vref：給定電壓值；BUCK開環(huán)主電路拓?fù)鋮?shù)計算(1)BUCK開環(huán)電路主拓?fù)鋱DBUCK開環(huán)電路主拓?fù)?2)參數(shù)計算與選擇1、占空比D最小占空比為DL=，最大占空比DH=_,,。2、濾波電感L濾波電感的選擇與負(fù)載電流的變化范圍及希望的工作狀態(tài)有關(guān)，假設(shè)電路要求工作在電感電流連續(xù)工作狀態(tài)，且開關(guān)頻率為fs=100kHZ，則臨界電感為L=—方|只其中，DL為最小占空比，U0為輸出電壓，，5為電感電流波動系數(shù)，一般取，I為輸出電流。代入數(shù)據(jù)得臨界電感為L=uH考慮一定裕量，取L=60UH。3、濾波電容C及其寄生電阻Rc紋波電壓，主要是由電容的寄生電Rc和電容容量決定，而一般的電容，其C與寄生電阻Rc的乘積趨于常數(shù)，約為50?80^Q.F。本例中取為75^Q.F。又Rc=,|，所以Rc=25mQ，C=3mF。利用MATLAB仿真對以上參數(shù)進行驗證，仿真電路及其結(jié)果如下所示V&tsgeMssiremertZ圖BUCK開環(huán)電路主要參數(shù)驗證電路

001005&011015QU210G51060035ItMrmoifact:001005&011015QU210G51060035ItMrmoifact:0電/添電壓負(fù)1魏住四密做院區(qū)|國隋尚回圖輸入電壓為30V時輸出負(fù)載電壓紋波圖輸入電壓為36V時輸出負(fù)載電壓紋波由上圖可知輸出電壓紋波約為20mF，則電感L、電容C的設(shè)置符合要求BUCK電路PID閉環(huán)控制的設(shè)計1、H(s)的確定：在MATLAB仿真中，以作為參考電壓，R1和R2為分壓電阻，所以反饋回路的傳遞函數(shù)為：Vref2.52Vref2.52、Gm(s)的確定在MATLAB仿真中，選用的三角波幅值為IV，開關(guān)頻率為100kHz，系統(tǒng)開關(guān)角頻率為如“.共1『1州則：g品■3、Gvd(s)的確定由BUCK電路的小信號模型知BUCK主電路由MOSFET的輸入到輸出的傳遞函數(shù)為：IVin(l+SCRc)Gvd(s)=—1+S|—+CRCJ+LCS2為了適應(yīng)輸入電壓的變化，取輸入電壓\m."，V,Z0=Q代入數(shù)據(jù)得：130+2.25xl(r3SGvlG)=；L8x10-7S-41.95x10-4S+1未加校正裝置時的開環(huán)傳遞函數(shù)為I,、/,15，1.125x10'SGi)(s)=(nn(s)C；vd(s)H(s)=1.8x10-7S-+1.95x10-4SI1未校正系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)的零點為\\s1,3.310血雋，諧振極點為Wj,Ulu'rm"。作開環(huán)傳遞函數(shù)Ef!的bode圖如下:BJIFigure-L-!-r-i-1-l-r一葉計世…十個十?作開環(huán)傳遞函數(shù)Ef!的bode圖如下:BJIFigure-L-!-r-i-1-l-r一葉計世…十個十?10Frequenc；/(rad^jiBod^DiagramGm=InfBPm=44.5ileg(st.1.05e+04-rad|B9)-1GD10J交件［n順:ei逐入山iBrn*ih(d}苗劫叫□dJ.^|..i\打?qū)?號□IlI■a-……\i-……--?■-?……V：：：：；i：A-z.m圖開環(huán)傳遞函數(shù)G0(s)的bode圖由bode圖知系統(tǒng)的增益裕度為無窮大，相角裕度為度，截止頻率隊3為增益裕度滿足要求，但是相角裕度偏小，開環(huán)系統(tǒng)存在振蕩環(huán)節(jié)，電源和負(fù)載的擾動容易使系統(tǒng)不穩(wěn)定。4、閉環(huán)補償器Gc(s)的設(shè)計：理想開環(huán)傳遞函數(shù)的頻幅特性：1、低頻段：它主要影響系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能。對于開關(guān)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，理想的低頻特性是直流增益無限大，以20dB/dec的斜率下降。符合理想條件時，系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差等于零。2、中頻段：中頻段大致是指幅頻特性以20dB/dec斜率下降并穿越0dB線的頻段。中頻段的寬度與系統(tǒng)的動態(tài)穩(wěn)定性密切相關(guān)。越寬則相位裕量越大，穿越頻率越大，系統(tǒng)的響應(yīng)速度越快但超調(diào)量越大。對于開關(guān)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，過高的穿越頻率可能導(dǎo)致高頻開關(guān)頻率及其諧波和寄生振蕩引起的高頻分量得不到有效地抑制，系統(tǒng)仍然不能穩(wěn)定工作。3、高頻段：高頻段距穿越頻率一般較遠(yuǎn)，反映了系統(tǒng)對高頻干擾信號的抑制能力。高頻段幅頻特性衰減越快，系統(tǒng)的抗干擾能力越強，對于開關(guān)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，理想高頻特性應(yīng)以40dB/dec的斜率下降。由于BUCK電路的輸出環(huán)節(jié)是帶有LC的拓?fù)?雙極點拓?fù)?，輸出有LC諧振，在諧振點處相位變動比較劇烈，會接近，所以需要采用三個極點、兩個零點的補償裝置來提升相位。其零點、極點的設(shè)置原則：在原點處設(shè)置一個極點，使系統(tǒng)變成一階系統(tǒng)，用來提升低頻增益，降低穩(wěn)態(tài)誤差，即\\*"。；在諧振極點頻率的'.處設(shè)置兩個零點，用于提升系統(tǒng)bode圖在中頻段的斜率，使系統(tǒng)在中頻段以理想的20dB臺的斜率通過坐標(biāo)軸，同時會使系統(tǒng)的截止頻率增加，由bode圖可以看到當(dāng)截止頻率增加時，系統(tǒng)的幅值裕度增大，由系統(tǒng)時域與頻域的聯(lián)系知，系統(tǒng)的截止頻率增加時會使系統(tǒng)的調(diào)節(jié)時間減小，使系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)提高，系統(tǒng)幅值裕度增大時會使系統(tǒng)的系統(tǒng)超調(diào)量減小。即加I1.1"id、；在系統(tǒng)原零點?處放置一個極點用來抵消電容Rc的影響。即\1「，1.33-1Ul\kIs；為了使系統(tǒng)高頻噪聲盡快衰減，在開關(guān)頻率的'.處設(shè)置一個極點，用于衰￡減系統(tǒng)的高頻噪聲，提高系統(tǒng)的抗干擾能力。即.VI-1liPrw".；校正后系統(tǒng)的截止頻率一般為系統(tǒng)開關(guān)頻率的：一；,在這里取系統(tǒng)開關(guān)頻率的1/10，即校正后系統(tǒng)的截止頻率為：WC]=6.28X104rad/s綜合①②③④⑤得閉環(huán)補償器的傳遞函數(shù)Gc(s)為：IfS.7x1LS+IKS.7xlu^SI1)Gc($)=K:S(7.5X1￡)--S+1)(3.184x10-6S+1)其中K為開環(huán)增益。由系統(tǒng)的幅值條件知：lGO(wC])Gc(wC])l=1代入數(shù)據(jù)得K=1013，取K=1000。于是閉環(huán)PID補償器的傳遞函數(shù)Gc(s)為：|(8.7x10'S+l)(S.7x10"'S+1)(沁($)=1。。?；h；S(7.5x]〔「、+1)(3.】洌x1()龍+])_7.57x10-4S2+L74S+10002.39xICT榕+7.82x10-5S+S加校正裝置之后整個系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為：G(s)=Gc(s)G0(s)—U4x10-2S2+26JS+L5x1045.73x1O'13S4+L806xW7S3+L982xlOf+S(；c，w、(尬。.小.:伯德圖為：

&專Jam^CLBodeDiafrsniiGm-InfdB(atInfrad/s)aPm-77.7deg&專Jam^CLBodeDiafrsniiGm-InfdB(atInfrad/s)aPm-77.7deg(at6.22e+04rad?1010?io3io41廣io6IDF'equency(ra<l/s)5、閉環(huán)系統(tǒng)的仿真調(diào)試和結(jié)果測試(1)閉環(huán)PID系統(tǒng)調(diào)試閉環(huán)PID系統(tǒng)初始仿真調(diào)試電路圖如下:

圖系統(tǒng)初始仿真調(diào)試電路圖-1<<s當(dāng)輸入電壓為30V時，在仿真過程中自動加入切載，閉環(huán)系統(tǒng)的仿真結(jié)果為圖系統(tǒng)初始仿真調(diào)試電路圖-1<<sTimeoffset-0圖系統(tǒng)初始調(diào)試仿真結(jié)果圖由圖可知系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差和抗干擾能力都滿足要求，說明系統(tǒng)的低頻段和高頻段的設(shè)置是合理的，但是系統(tǒng)的超調(diào)量很大，所以需要改變系統(tǒng)的中頻段的參數(shù)設(shè)置，經(jīng)過多次實踐與調(diào)試，把開環(huán)增益K減小為200，同時稍微增大極點*使8國"3?，進而使系統(tǒng)截止頻率增加，從而增加系統(tǒng)的相角裕度，減小超調(diào)量。經(jīng)過調(diào)試與修改后的PID閉環(huán)補償器的傳遞函數(shù)為(S.7x10-4S+1)(8.7xl〔Ls+1)IGc(s)=200x—；S(3X10*1)(3.1X4x](?+])L514x10f+0.348S+2009.552x1O-I1S3+3.318吊W5S+S利用MATLAB進行仿真，仿真結(jié)果為：圖系統(tǒng)最終調(diào)試仿真結(jié)果圖可以看到修改PID補償器后，系統(tǒng)的超調(diào)量基本為零，調(diào)節(jié)時間為5ms左右，在t=25ms時加入切載，可以看到超調(diào)量約為％，電壓紋波明顯小于30mv，所以設(shè)計基本滿足要求。（2）閉環(huán)PID系統(tǒng)結(jié)果測試修改原始仿真電路，加入電感電流和負(fù)載電流測量裝置，系統(tǒng)結(jié)果測試仿真電路為:30C?'圖系統(tǒng)結(jié)果測試仿真電路當(dāng)輸入電壓為24V時①未加切載時，系統(tǒng)仿真結(jié)果為:員哉電壓TimeoTTset:J圖輸入電壓為24V，未加切載時，系統(tǒng)仿真結(jié)果30C?'圖系統(tǒng)結(jié)果測試仿真電路當(dāng)輸入電壓為24V時①未加切載時，系統(tǒng)仿真結(jié)果為:員哉電壓TimeoTTset:J負(fù)載電壓、負(fù)載電流和電感電流的紋波為:圖輸入電壓為24V時，負(fù)載電壓、負(fù)載電流和電感電流的紋波由仿真結(jié)果知，未加入切載，系統(tǒng)在輸入電壓為24V時，輸出負(fù)載電壓基本沒有超調(diào)，調(diào)節(jié)時間小于5ms，負(fù)載電壓紋波小于20mv，電感電流紋波小于1v，負(fù)載電流紋波小于，滿足要求。Q加入切載時，系統(tǒng)仿真結(jié)果為：圖輸入電壓為24V，加入切載時，系統(tǒng)仿真結(jié)果由仿真結(jié)果知加入切載后，系統(tǒng)輸出負(fù)載電壓切載超調(diào)量小于3%,切載調(diào)節(jié)時間小于2ms，電感電流和負(fù)載電流也符合要求。2、當(dāng)輸入電壓為30V時Q未加切載時，系統(tǒng)仿真結(jié)果為圖輸入電壓為30V，未加切載時，系統(tǒng)仿真結(jié)果負(fù)載電壓、負(fù)載電流和電感電流的紋波為圖輸入電壓為30V時，負(fù)載電壓、負(fù)載電流和電感電流的紋波由仿真結(jié)果知，未加入切載，系統(tǒng)在輸入電壓為30V時，輸出結(jié)果同24v輸入電壓時的結(jié)果基本一致，電感電流的超調(diào)量有所增加，電感電流紋波基本不變，滿足要求。Q加入切載時，系統(tǒng)仿真結(jié)果為圖輸入電壓為30V，加入切載時，系統(tǒng)仿真結(jié)果

由仿真結(jié)果知加入切載后，系統(tǒng)輸出負(fù)載電壓超調(diào)量約為2%,切載調(diào)節(jié)時間小于2ms，電感電流和負(fù)載電流也符合要求。3、當(dāng)輸入電壓為36V時①未加切載時，系統(tǒng)仿真結(jié)果為圖輸入電壓為36V，未加切載時，系統(tǒng)仿真結(jié)果負(fù)載電壓、負(fù)載電流和電感電流的紋波為圖輸入電壓為36V時，負(fù)載電壓、負(fù)載電流和電感電流的紋波由仿真結(jié)果知，未加入切載，系統(tǒng)在輸入電壓為36V時，輸出結(jié)果同24v和30v輸入電壓時的結(jié)果基本一致，電感電流的超調(diào)量繼續(xù)增加，電感電流紋波

基本不變，滿足要求，這說明輸入電壓增加時，電感電流的超調(diào)量會增加，與實際相符合。Q加入切載時，系統(tǒng)仿真結(jié)果為圖輸入電壓為36V，加入切載時，系統(tǒng)仿真結(jié)果由仿真結(jié)果知加入切載后，系統(tǒng)輸出負(fù)載電壓超調(diào)量約為2%，切載調(diào)節(jié)時間小于2ms，電感電流和負(fù)載電流也符合要求。第四章BUCK電路的FUZZY設(shè)計與仿真設(shè)計框圖BUCK電路的FUZZY控制器設(shè)計框圖如下:圖BUCK電路的FUZZY控制器設(shè)計框圖其中：Vref為參考電壓，是一個常數(shù)；e為模糊控制器的輸入誤差；d/dt為輸入誤差的變化率，Ke和Kec為量化因子，Ku為比例因子，C為反饋輸出信號。設(shè)計過程模糊控制器輸入輸出參數(shù)的確定本次模糊控制系統(tǒng)為二輸入-一輸出，Ke、Kec和Ku變量的模糊集論域都選擇為［-1，+1］，隸屬度函數(shù)采用常用的三角形隸屬度函數(shù)。對于輸入誤差E，其物理論域為［-5,+5］，所以Ke初步設(shè)定為：03對于誤差變化率，考慮實際情況，當(dāng)誤差變化時，其變化一般比較大，假定為變化率為［-100,+100］，則Kec可以初步設(shè)置為100；產(chǎn)生PWM的三角波幅值取為1V，則Ku取為1。Matlab模糊控制工具箱的設(shè)置①建立FUZZY文件設(shè)置兩個輸入變量，分別是E和￡&輸入范圍是-1到1；一個輸出變量U，圖輸入誤差E的隸屬度函數(shù)圖誤差變化率Ec的隸屬度函數(shù)圖輸出電壓U的隸屬度函數(shù)②添加規(guī)則庫根據(jù)專家經(jīng)驗，規(guī)則庫的設(shè)計如下表所示:NBNMNSZEPSPMPBNBNBNBNBNBNMNSZENMNBNBNMNSNBZEPSNSNBNBNMNSZEPSPMZENBNMNSZEPSPMPBPSNMNSZEPSPMPBPBPMNSZEPSPMPBPBPBPBZEPSPMPBPBPBPB表1模糊控制器規(guī)則庫模糊控制器輸出量曲面觀測圖為:

圖模糊控制器輸出量曲面觀測圖③搭建MATLAB仿真模型BUCK的FUZZY控制的仿真電路為:圖BUCK的FUZZY控制的仿真電路（3）FUZZY調(diào)試與仿真結(jié)果仿真過程中主要調(diào)節(jié)了E和EC兩路的量化因子，調(diào)節(jié)這兩個數(shù)值，最終確定Ke為80，Kec為400，F(xiàn)UZZY的輸出結(jié)果基本滿足要求。1、當(dāng)輸入電壓為24V時，①未加切載時，系統(tǒng)仿真結(jié)果為:

L'.負(fù)載電壓b■r4-3-I1[00.005Thisoffset『Q01Q0150.020.025Q03Q0350.040.045Q05圖輸入電壓為24V，未加切載時，系統(tǒng)仿真結(jié)果輸出電壓的紋波圖輸出電壓的紋波Q加入切載時，系統(tǒng)仿真結(jié)果為:

圖輸入電壓為24V，加入切載時，系統(tǒng)仿真結(jié)果2、當(dāng)輸入電壓為30V時，①未加切載時，系統(tǒng)仿真結(jié)果為：輸出電壓的紋波圖輸出電壓的紋波Q加入切載時，系統(tǒng)仿真結(jié)果為:3、當(dāng)輸入電壓為36V時，①未加切載時，系統(tǒng)仿真結(jié)果為:圖輸入電壓為36