开关电源模糊控制PID设计和MATLAB仿真研究

摘 要：本文提出了一种开关电源模糊控制PID的的设计和MATLAB仿真方法。仿真结果表明：具有模糊控制的PID动态响应快、超调量小、负载变化引起输出电压的变化小。

关键词：开关电源;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

开关电源是一种采用开关方式控制的直流稳压电源。它以小型、高效、轻量的特点被广泛应用于各种电子设备中。开关电源控制部分绝大多数是按模拟信号来设计和工作的，其抗干扰能力不太好，信号有畸变。由于计算机技术突飞猛进的发展，数字信号的控制和处理显示出越来越多的优点：便于计算机处理和控制，避免模拟信号传递畸变失真，减少杂散信号的干扰，软件调试方便等，出现了数字PID控制。它使得开关电源向数字化、智能化、多功能化方向发展。这无疑提高了开关电源的性能和可靠性。但由于开关电源本身是一个非线性的对象，其精确模型的建立是相当困难的，常采用近似处理，并且其供电系统和负载变化具有不确定性，所以采用上述模拟或数字PID控制方法常常难以使PID调节器的参数随之变化，控制效果不理想。近来发展起来的Fuzzy控制是一种仿人智能控制法，它不依赖被控对象的数学模型，便于利用人的经验知识实行控制，这对于一些复杂可变的或结构不确定难以用准确的数学模型描述的系统而言是非常适宜的，具有较强的鲁棒性[1]，特别是对于无法确定的复杂对象具有较好的控制性能。本文正是基于这一思想而提出开关电源模糊控制的设计与仿真。

2 电路结构及其控制策略

2.1 主电路结构

主电路拓扑结构如图1。220V单相交流电经全波不可控整流，得到约300V的直流电压，再经由IGBT构成的半桥型高频变换器得到所需的高频脉动电压，经整流得到所需的直流电压。由于本电源功率不大(输出45V，10A)，故主电路采用IGBT半桥型拓扑结构，既防止偏磁，又节约成本，主频选为20kHz，使IGBT工作于最佳状态。图中L1，C1用于抑制差模噪声，L2、C2、C3用于抑制共模噪声。各参数的计算略。

图1 主电路原理图

2.2 PID控制电路设计

在MATLAB环境下对开关电源的主电路及PWM发生电路建模，如图3所示，图中为仿真方便起见，省略部分滤波，保护、吸收回路。图2是PWM子系统的仿真原理图。由于开关电源的非线性，在抽象其模型时，有很大的近似处理。根据以上模型，应用传统设计法，设计出PID控制器的传递函数为

在后面的分析中可以看到，这种控制器在电源电压或负载发生突变时，控制性能不太理想。

图2 PWM子系统

图3 开关电源的常规PID控制模型

2.3 模糊控制器的设计

模糊控制器的结构如图4所示，图中Ug为给定电压，Ur为反馈电压、e、ec为偏差和偏差的变化率，E，EC为模糊化后的偏差和偏差的变化率，模糊控制器的输出U经反模糊成u，再经PWM电路控制开关电源的主电路。

图4 开关电源的模

输入、输出语言变量均取7个语言值，即：PB、MB、PS、ZE、NS、NM、NP。在各语言变量论域上用以描述模糊子集的隶属函数如图5所示。根据经验所得的模糊控制表如下：

图5 输入、输出变量的隶属函数

模糊推理规则表

根据以上设计，得到基于MATLAB的开关电源模糊控制电路如图6所示。

3 实验结果

在对PID控制器和模糊控制器进行实验的基础上，对这两种控制算法进行了比较。

图6 开关电源模糊控制电路模型

3.1 起动阶段的动态特性比较

图7的前半部分(t：0—0.15)是起动时PID控制器的模糊控制器的输出特性比较，该曲线是在负载为8.5A，输出电压设定值为38V的情况下测得的。从图中可以看出模糊控制要比PI控制的超调量小得多，模糊控制可以使得系统在起机时不会有大的过压，这对于设备的正常运行是非常有好处的。

图7 起动特性及工作点变化的动态特性

3.2 参数变化时的动态特性比较

由于开关电源的负载所需的电压要求可调，即工作点可变。图7的后半部分(t：0.15—0.3)展示了工作点发生变化(电压：38V→28V，电流：8.5A→6.4A)时，PID控制器和模糊控制器的动态特性，由图可看出：当工作点发生变化时，模糊控制比PID控制的动态过程快速且无震荡。

4 结束语

模糊控制是一种非线性控制，其控制规则是以人的经验为基础的，对于像开关电源这类的非线性对象的控制具有良好的鲁棒性和抑制超调的能力。在开关电源中引入模糊控制策略，将为开关电源的发展开创新的局面。

本论文的创新点是提出了一种开关电源模糊控制PID的的设计和MATLAB仿真方法。

参考文献

[1] 丁芳，李艳芳，费玉龙 智能PID算法在液位控制系统中的应用. 微计算机信息 2006年第6-1期

[2] 全杰，秦世引，段建民. 基于Matlab命令方式的模糊控制系统仿真及可视化实现[J]. 计算机仿真,2002, 19(3):113-114.

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[4] 孙亮.MATLAB语言与控制系统仿真[M].北京工业大学出版社。

[5] 王淑青，杨桦，何涛 模糊PID复合控制在变频空调中应用研究微计算机信息 2006年第6-1期