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,我們取。 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,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,超調大概在10%左右,稍微有點大,紋波比較小,在0.1V以內。 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。在調試中,需要調節(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,紋波也小。 6. 總結 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結合在一起,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系和關聯(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,西安電子科技大學出版社,2008- 配套講稿:
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