基于模糊PID雙模控制Buck電路的仿真研究

劉洪霞，閆興德

（1.安徽科技學院，安徽鳳陽233100；2.蚌埠供電公司，安徽蚌埠233010）

基于模糊PID雙模控制Buck電路的仿真研究

劉洪霞1，閆興德2

（1.安徽科技學院，安徽鳳陽233100；2.蚌埠供電公司，安徽蚌埠233010）

針對傳統PID控制方法在對Buck電路進行控制時精度低、抗干擾能力差等缺點，提出了一種基于模糊PID雙模控制的閉環調節系統。采用數學工具Matlab為仿真軟件，通過傳統PID以及模糊PID兩種方法調節Buck電路脈寬來實現調壓。首先介紹了buck電路，對buck電路進行了傳統PID閉環控制的仿真；然后進行了模糊PID雙模控制器的系統設計和仿真；最后對傳統PID控制和模糊PID雙模控制的仿真結果進行了比較，得出結果：模糊PID雙模控制算法使Buck電路具有更好的抗干擾能力和精度。

Buck電路；Matlab；PWM；模糊PID

BUCK電路是直流斬波電路應用最為廣泛的一種電路形式。廣泛應用于開關電源、穩壓器及其他電壓變換電路中，對其控制策略進行研究有著重要的意義。在BUCK電路中，通過調節其開關元件VT的脈寬可以實現對輸出電壓的控制。從輸出電壓引入負反饋，使用傳統PID、模糊PID兩種控制方法對其開關元件的脈寬進行調制，來實現輸出電壓的閉環可控及提高輸出電壓精度。

1 Buck電路

Buck電路又稱Buck Chopper，將一種直流電路斬波成另外一種直流電路，但是由于輸出電壓只能低于輸入電壓，所以又稱為降壓式變換電路[1]。其電路原理如圖1所示。

圖1Bcuk電路

電路中使用一個全控型器件VT可以是MOSFET也可以是IGBT。假設在t=0時刻，驅動VT導通，E向負載供電，輸出電壓Uo=E，當t=t1時刻VT關斷時，有電感L向負載續流供電，當電感L較大時有[2]：

式（1）中α為占空比，可以通過控制開關器件的占空比來控制輸出電壓的大小，以此實現降壓的目的。

2 基于PID控制的閉環調節系統

通過從輸出端引回的電壓值與設定值進行比較，根據比較值生成PWM脈寬。由于引入的負反饋，輸出端電壓值大于設定值時，脈寬就會減小，也就是式（1）中的占空比α減小，從而使輸出電壓減小；反之同理，當輸出的電壓值小于設定值時，脈寬增大，輸出電壓增大，最終使輸出值與設定值相等，電路穩定。PWM波生成的原理如圖2所示。

圖2PWM生成原理圖

比較值的設定是根據差值調節的，差值（設定值-輸出值）大時，比較值會下調增加PWM脈寬[3]。為了使脈寬占空比與電壓值對應，輸出誤差值需要乘以一定比例因子才能成為控制量。當只采用比例因子時，可以加快系統響應速度，但是往往是由于有余差的存在使輸出結果不能穩定在一個理想的輸出值，有可能出現較大超調量，使系統擾動、震蕩，甚至導致穩定性的崩潰。積分環節是對誤差取積分，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態誤差進一步減小，直到等于零。微分項具有超前作用，適用于有較大慣性或滯后的被控對象，如溫度控制、水量控制等。當引入的微分項設置得當時，能有效提高系統的動態性能指標，減小系統超調量及動態誤差，增加穩定性[4]。基于PID控制的閉環調節系統仿真模型如圖3所示。

圖3PID控制閉環調節系統仿真模型

本文使用的Buck電路輸出端含有濾波電容，為保證輸出的連續的連續需要電感L滿足下面公式[5]。

濾波電容為

其中，LC為保證輸出連續的臨界電感，ΔUO為紋波電壓，D為占空比。PWM波生成器采用的為圖2原理，三角波與比較值比較過后經過布爾運算轉化為方波脈沖信號給全控型器件來影響輸出值，給定值與輸出值比較經過PID運算及比例因子生成比較值，從而形成閉環控制電路[6]。本文中的全控型器件選用MOSFET，直流電壓最大值設定為300 V，三角波幅值最大為3，比例因子為0.01，這樣在最大占空為1時比對應輸出最大電壓300 V.

PID控制閉環調節系統仿真結果如圖4所示，由于引入反饋環節，系統可以根據設定值自動調節輸出電壓，直至系統輸出電壓達到設定值后趨于平穩，并且由于二級管等開關器件而引起的誤差信號也會消除，由于開關開通瞬間形成的脈沖得到了一定的遏制，系統的魯棒性得到了提高[7]。

圖4 傳統PID控制閉環調節系統仿真結果

PID控制中的kp、ki、kd三個參數需要有一個最合理的搭配，輸出效果才能理想，但是PID參數的調試較為繁瑣，要根據個人經驗及試驗結果多次拼湊[8]。

3 基于模糊PID雙模控制的閉環調節系統

本文引用模糊PID雙模控制方法，由于系統運行前期幅值偏離比較大，采用PID調控受步長限制，難以短時達到效果，對前期暫態控制誤差不理想。模糊PID雙模控制方法，根據誤差變化量的大小進行調控，前期誤差較大時，選擇模糊控制，采用較大的步長及時限制誤差，誤差達到指定值后轉而PID控制[9]，能夠滿足系統有較小的穩態誤差，其控制策略如圖5所示。

圖5 控制策略圖

以輸入誤差為控制選擇開關，當誤差較大時選擇模糊控制方案，以此來提高調解幅度，當誤差較小時選擇PID控制方案，來提高穩態精度。其Matlab仿真模型為圖6所示。相比PID控制，雙模控制多出一個模糊控制器和一個選擇開關。模型中選擇開關設定值為50，當誤差e＞50時采用模糊控制大幅度調解調控量，e≤50時采用PID控制提高輸出精度。

圖6 模糊PID雙模控制仿真模型

4 實驗驗證

模糊PID雙模控制方案如圖7所示，四個方塊分別為模糊編輯器、模糊規則推理器、模糊規則瀏覽器、輸入輸出曲線圖中的相關設置[10]。仿真時設置最大步長為1e-6，允許誤差為1e-6，仿真時間為0.1 s.

圖7 模糊PID雙模控制方案圖

仿真結果如圖8所示。

圖8 模糊PID雙模控制仿真結果

由圖8和圖4比較分析可知：傳統PID閉環控制中前期暫態浮動較大，模糊PID雙模控制中暫態值得到了一定遏制，調整時間也變短，模糊PID雙模控制較傳統PID控制效果好。

5 結束語

模糊PID雙模控制將模糊控制和PID控制兩者結合在一起，既有模糊控制的靈活性和適應性強的優點，又具有PID控制精度高的特點，具有很好的抗干擾能力，提高了系統的可靠性和精度，有一定的應用價值。

[1]王兆安．電力電子技術[M].北京：機械工業出版社，2012.

[2]林飛，杜欣．電力應用技術的MATLAB仿真[M].北京：中國電力出版社，2009.

[3]何芝強.PID控制器參數整定方法及其應用研究[D].杭州：浙江大學，2005.

[4]李林航.基于DSP的模糊PID控制器的研究[D].成都：西華大學，2007.

[5]陶波，朱玉琴.改進的動態規劃法在車輛最短路徑問題中的應用[J].重慶工學院學報，2009，23（1）：24-27.

[6]陳以，萬梅芳．RBF神經網絡在物流系統中的應用[J]．計算機仿真，2010，27（4）：159-163.

[7]陽春華，谷麗姍，桂衛華.自適應變異的粒子群優化算法[J].計算機工程，2008，56（16）：188-190.

[8]蘇高利,鄧芳萍.論基于MATLAB語言的BP神經網絡的改進算法[J].科技通報，2003，30（02）：102-105.

[9]溫浩，趙國慶.基于MATLAB神經網絡工具箱的線性神經網絡實現[J].電子科技，2005，15（01）：51-54.

[10]廖政偉，張雪，尤偉，等.應用于超寬輸入范圍的變拓撲LLC電路[J].浙江大學學報（工學版），2013，47（12）：2073-2079.

Study and Simulation of Buck Circuit Based on Dual-mode control of Fuzzy-PID

LIU Hong-xia1，YAN Xing-de2
（1.Anhui University of Science and Technology，Fengyang Anhui 233100，China；2.Bengbu Power Supply Company，Bengbu Anhui 233010，China）

This paper presented a new method based on the Fuzzy-PID for Buck Circuit.This method overcomes some defects of the traditional PID control，such as lower control precision and worse anti－jamming performance．We use Matlab for the simulation，it is a mathematical tool.We adjust the PWM of Buck circuit by traditional PID and fuzzy PID to achieve the regulator.At first，the paper introduced the buck circuit,and implemented the simulation of traditional PID control，then implemented the simulation of traditional PID control Fuzzy－PID control.At last，it compared simulation results of PID control method with Fuzzy－PID control method.The results show that the Fuzzy－PID control method has more excellent dynamic and anti－jamming performance．

buck circuit；matlab；PWM；fuzzy PID

TP273

A

1672-545X（2017）03-0069-03

2016-12-01

安徽科技學院校級項目（編號：ZRC2014454）。

劉洪霞（1985-），女，山東臨沂人，助教，碩士,主要從事電工電子技術方面的教學及研究工作。