基于模糊控制的可調直流開關電源設計與研究

郭鵬，趙鑫，徐周

(河海大學，江蘇 南京 211100)

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基于模糊控制的可調直流開關電源設計與研究

郭鵬，趙鑫，徐周

(河海大學，江蘇 南京 211100)

摘要：開關電源本身是一個非線性的系統(tǒng)，采用常規(guī)PID控制很難滿足系統(tǒng)控制要求。引入模糊控制算法。在模糊控制器調節(jié)下，由不控整流電路整流，直流斬波(Buck)電路進行直流-直流(DC-DC)變換，從而輸出穩(wěn)定的可調直流電壓。仿真結果表明：模糊控制算法具有動態(tài)響應快、超調量小、適應性強的特點，使被控對象具有良好的穩(wěn)態(tài)特性，工程應用前景好[1]。

關鍵詞：開關電源；常規(guī)PID控制；Buck電路；模糊控制

0引言

直流開關電源是一種采用開關方式控制的穩(wěn)壓電源。它具有效率高、體積小、質量輕等特點，正逐步取代傳統(tǒng)的線性電源，在諸多工業(yè)領域中應用廣泛。隨著數(shù)字信號技術的迅速發(fā)展，開關電源普遍采用數(shù)字PID控制。通過這種方法，開關電源的設計具有靈活性和多元化的特點，并且提高了開關電源的穩(wěn)定性和可靠性。但由于開關電源系統(tǒng)是一個非線性時變的多變量系統(tǒng)，采用常規(guī)PID控制已經(jīng)不能達到理想的控制效果。近些年發(fā)展起來的模糊控制方法，采用模糊數(shù)學語言描述的控制律來操縱系統(tǒng)工作，不需要依賴具體的數(shù)學模型，具有魯棒性強，動態(tài)響應快，超調量小，適應性強等特點，這對于某些不容易建模的復雜可變對象是非常適合的。本文正是基于這種模糊控制算法對開關電源進行設計與研究，在解決實際控制問題中應用廣泛[2]。

1電路結構及其控制策略

該設計是在模糊控制的作用下對主電路進行控制，故系統(tǒng)的結構框圖如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)結構圖

1.1　主電路結構

本文設計的AC/DC開關電源主電路包括以下幾個部分：輸入整流濾波電路、DC-DC變換器如圖2所示。輸入整流濾波電路選擇的是不可控整流電路、電容濾波電路；DC-DC變換器采用的是Buck電路。下面就這幾個部分的設計分別進行說明[3]。

圖2　主電路結構

a) 不控整流電路(如圖3所示)

近年來，在交-直-交變頻器、不間斷電源、開關電源等應用場合，大都采用不可控整流電路經(jīng)電容濾波后提供直流電源，供后級的逆變器、斬波器等使用。

圖3　單相橋式不可控整流電路及其工作波形

b) DC-DC變換電路

本文采用的DC-DC變換電路為Buck電路，如圖4所示。使用開關器件是IGBT。由單片機某一輸出口給定PWM脈沖控制IGBT器件的導通與關斷，通過控制PWM脈沖的占空比不斷改變輸出電壓值，通過RC濾波電路對輸出波形進行濾波，得到穩(wěn)定的電壓值。

圖4　開環(huán)buck電路圖

2) 濾波電感濾波電感的選擇與負載電流的變化范圍及希望的工作狀態(tài)有關，假設電路要求工作在電感電流連續(xù)工作狀態(tài)，則臨界電感為：

根據(jù)公式帶入計算可得：L=1.5mH。此時L值為電感電流連續(xù)與否的臨界值，實際電感值可選為(2~3)倍的臨界電感，這里L取3.5mH。

3) 濾波電容電容的容量會影響輸出紋波電壓和超調量的大小。在開關關斷時為負載供電和減小輸出電壓的紋波。濾波電容C的選擇直接關系開關穩(wěn)壓電源輸出紋波電壓分量U0大小，本文電容C取0.18F。

1.2　模糊控制器設計

a) 模糊控制器結構

Fuzzy控制采用了模糊似人推理機制，較傳統(tǒng)的PID控制更加接近于人工智能。一個完善的模糊控制系統(tǒng)結構如圖5所示。

b) 模糊控制器設計

模糊控制器的結構如圖5所知，圖中R(s)為給定電壓，Y(s)為反饋電壓、E、Ec為偏差和偏差的變化率。設計誤差E、誤差變化率Ec、輸出U的離散論域為{-3,-2,-1,0,1,2,3}。它們的模糊集相同，均為：{NL,NM,NS,ZE,PS,PM,PL}。隸屬度函數(shù)為等腰三角形，如圖6所示。

圖5　模糊控制器結構

圖6　隸屬度函數(shù)

由實際系統(tǒng)的控制要求，綜合考慮E和Ec對控制系統(tǒng)的影響，采用如表1所示的49條增量式Fuzzy控制規(guī)則。

表1　模糊控制規(guī)則

模糊蘊含采用Mamdani最小蘊含，解模糊采用重心法，建立模糊控制器仿真模型如圖7所示。

圖7　模糊控制器仿真模型

c) 量化因子和比例因子的選擇

設計一個模糊控制器除了要有一個好的模糊控制規(guī)則外，合理地選擇模糊控制器輸入變量的量化因子和輸出控制量的比例因子也是非常重要的。量化因子和比例因子的大小及其不同量化因子之間大小的相對關系，對模糊控制器的控制性能影響極大。

Ke選的較大時，系統(tǒng)的超調也較大，過渡過程較長。Kc選擇較大時，超調量減小，Kc選擇越大系統(tǒng)超調越小，但系統(tǒng)的響應速度變慢。Kc對超調的遏制作用十分明顯。量化因子Ke和Kc的大小意味著對輸入變量誤差和誤差變化的不同加權程度，Ke和Kc二者之間也相互影響，在選擇量化因子時要充分考慮到這一點。此外，輸出比例因子Ku的大小也影響著模糊控制系統(tǒng)的特性。Ku選擇過小會使系統(tǒng)動態(tài)響應變長，而Ku選擇過大會導致系統(tǒng)振蕩。輸出比例因子Ku作為模糊控制器的總的增益，它的大小影響著控制器的輸出，通過調整Ku可以改變被控對象輸入的大小。經(jīng)過多次試驗和比較，選取Ke=2.5，Kc=1.5，Ku=1.1。

2模糊控制器作用下系統(tǒng)的實驗研究與分析

設計的開關電源可控電壓范圍為100V~300V，功率范圍為100W~4.5kW。

電路整體設計如圖8所示。

圖8　整體電路設計圖

設計的可調直流開關電源，由430單片機開發(fā)板上按鍵輸入給定電壓值，與輸出電壓進行比較，得到偏差值。通過模糊控制算法將輸出信號反饋給IGBT，對輸出電壓進行穩(wěn)定性控制，即通過改變PWM脈沖占空比大小，得到可調的輸出電壓，實現(xiàn)基于模糊控制的可調直流開關電源設計[4]。

當給定電壓為180V時，實驗得到的輸出電壓仿真結果如圖9所示。

圖9　輸出電壓為180 V時的仿真波形

當給定電壓為250V時，實驗得到的輸出電壓仿真結果如圖10所示。

從圖10可以看出，當設定不同電壓值后，該系統(tǒng)的電壓都能快速到達設定值。當給定電壓值為180V時，通過增加負載擾動，即在第10s時在原負載電阻兩端并聯(lián)電阻后進行對比，輸出電壓幾乎不發(fā)生變化?？梢钥闯鲭S著負載大小在一定范圍內變化，輸出電壓具有很好的穩(wěn)定性，可以將負載調整率控制在很小的范圍內[5]，仿真結果如圖11所示。

圖10　輸出電壓為250 V時的仿真波形

圖11　增加負載擾動后的輸出電壓

當給定電壓值為180V時，通過增加輸入交流電源擾動，即在第10s時將輸入的交流電源由原來的220V增加到250V，負載保持不變，輸出電壓幾乎不發(fā)生變化，可以看出隨著輸入交流電壓在一定范圍內變化，輸出電壓具有很好的穩(wěn)定性，不受輸入電壓值波動影響[5]，仿真結果如圖12所示。

圖12　增加交流電源擾動后的輸出電壓

為了進一步分析仿真結果，將模糊控制算法與常規(guī)PID方法進行對比分析，采用PID控制器的電路設計圖如圖13所示。

圖13　PID控制器的電路設計圖

在同樣的給定電壓180V條件下，同時在第10s時增加負載擾動，對兩種控制算法的仿真結果進行對比，如圖14所示。

圖14　PID控制法仿真結果

通過圖15的對比可以看出，在同樣給定電壓180V，PID控制算法需要大約6s的時間才可以使電壓值達到穩(wěn)定，而模糊控制算法只需要1s左右的時間。PID控制算法的超調量達到了184V，而模糊控制算法得超調卻很小[6]。模糊控制算法抵抗負載擾動需要的時間也比PID控制算法要少一些。由此可以得出以下結論：與PID控制算法相比，模糊控制算法具有動態(tài)響應快，超調量小，適應性強、魯棒性好的特點，干擾和參數(shù)變化對控制效果的影響被大大減弱，對于難于建立模型的控制對象是一種良好的控制方法。因此本文基于模糊控制的系統(tǒng)設計具有很好的效果和實用價值。

圖15　模糊控制法仿真結果

3結語

開關電源本身是一個強非線性系統(tǒng)，采用常規(guī)PID控制算法很難達到預期效果。文中采用模糊控制算法對可調直流開關電源進行設計與研究，該技術的計算量小，靈活度高且易于實現(xiàn)。通過MATLAB/Simulink進行仿真實驗，結果表明：通過采用模糊控制算法，可以得到穩(wěn)定的輸出電壓值，具有動態(tài)響應快、超調量小、適應性強等特點，并且具有很好的抗干擾性能。由此看見，采用本文的設計方法，對開關電源控制領域有較好的工程應用價值。

參考文獻:

[1] 劉文軍,羅玉鋒. 開關電源模糊控制PID的設計和MATLAB仿真研究[J]. 控制系統(tǒng), 2006,10.

[2] 李士勇. 模糊控制、神經(jīng)控制和智能控制論[M]. 哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學出版社，1996,10.

[3] 李國勇. 智能控制及其MATLAB實現(xiàn)[M]. 北京：電子工業(yè)出版社，2005,5.

[4] 劉素芹,劉新平,戚平,等. PID與模糊控制算法的比較及其改進[J]. 控制工程, 2003,10(1):51-52,93.

[5] 鄭浩鑫,鄭賓,殷云華. 模糊PID數(shù)字控制器系統(tǒng)的仿真與設計[J]. 機械工程與自動化，2009.

[6] 張國良,曾靜,柯熙政,等. 模糊控制及其MATLAB應用[M]. 西安：西安交通大學出版社,2002.

Design and Research on Adjustable DC Switching Power Supply Based on Fuzzy Control

GUO Peng, ZHAO Xin,XU Zhou

(Hohai University, Nanjing 211100,China)

Abstract:Switching power supply itself is a nonlinear system, it is difficult to meet system control requirements using conventional PID control, so this paper introduces fuzzy control algorithm. Under the regulation of the fuzzy controller，the non-controlled rectifier circuit is rectifyied and the circuit of Buck conducts DC-DC conversion, to output a stable and adjustable DC voltage. Simulation results show that the fuzzy control algorithm is characteristic of fast dynamic response, small overshoot and strong adaptability, so that the controlled object has a good steady state characteristics. It has a good application prospect.

Keywords:switching power supply; conventional PID control; buck circuit; fuzzy control

中圖分類號：TN710.2

文獻標志碼：B

文章編號：1671-5276(2015)02-0168-04

作者簡介：郭鵬(1989-)，男，遼寧鐵嶺人，碩士研究生，研究方向是開關電源，高壓軟起動器。

收稿日期：2014-02-25 2014-01-27