基于模糊推理和MATLAB的直流變換器控制與仿真

戶秀瓊　袁適成　陳敏　陳明洋

摘要：直流變換器已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于新能源發(fā)電、智能電網(wǎng)、工業(yè)節(jié)能、軌道交通、新能源汽車等多個領(lǐng)域，直流變換器控制引起了學(xué)術(shù)界和工程界的重視。考慮到傳統(tǒng)PI控制的不足，提出采用模糊推理技術(shù)結(jié)合傳統(tǒng)PI控制實(shí)現(xiàn)直流變換器的控制方式。為了驗證所提方法的有效性，在MATLAB中，針對直流變換器，基于傳統(tǒng)PI控制的系統(tǒng)以及基于模糊推理的控制系統(tǒng)進(jìn)行了建模，得到了直流變換器在傳統(tǒng)PI控制以及模糊控制下的仿真結(jié)果，一定程度上體現(xiàn)了模糊控制優(yōu)于傳統(tǒng)PI控制。

關(guān)鍵詞：直流變換器;模糊推理;PI控制;MATLAB

中圖分類號：TM46

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

DOI： 10.15913/j.cnki.kjycx.2019.09.011

如今，電力電子電路在各類工業(yè)中的應(yīng)用越來越廣泛，而電力電子電路的核心是開關(guān)變換器。直流變換器（ DC-DC）作為開關(guān)變換器中的一員，是將一種不可控的直流電源變換為可控的具有不同輸出特點(diǎn)的直流電源的裝置。但直流變換器的電路本質(zhì)上是一個時變的、非線性的、多模態(tài)的動態(tài)系統(tǒng)，要對其進(jìn)行精確建模極其不易[1-3]。因此，對這樣的一個系統(tǒng)進(jìn)行控制，常規(guī)的線性理論已不再適應(yīng)，有必要研究新的控制方法，使直流變換器在各種領(lǐng)域的應(yīng)用中都能得到滿意的控制效果。

目前，直流變換器常用的控制方法主要有傳統(tǒng)的脈寬調(diào)制（PWM）以及以傳統(tǒng)控制理論為基礎(chǔ)的PID控制[2]。其中，采用PWM控制實(shí)際上是一個開環(huán)控制，隨著直流變換器工況的變化，其輸出根本無法跟蹤輸入。在實(shí)際工程中，很少采用此控制方式。傳統(tǒng)PID控制由于其控制器設(shè)計簡單，所以在實(shí)際工程中應(yīng)用廣泛，但傳統(tǒng)PID控制依賴于被控系統(tǒng)的精確數(shù)學(xué)模型。因此，將其用于直流變換器的控制時，由于直流變換器模型的復(fù)雜性以及工作狀態(tài)的多樣性，給定的PID參數(shù)無法適應(yīng)直流變換器的各種運(yùn)行狀況，進(jìn)而會導(dǎo)致控制結(jié)果不盡如人意。

模糊控制是一種不強(qiáng)調(diào)系統(tǒng)精確數(shù)學(xué)模型的智能控制，魯棒性較強(qiáng)，可根據(jù)復(fù)雜系統(tǒng)的實(shí)時工況，實(shí)時調(diào)整傳統(tǒng)PID參數(shù)，從而使得被控系統(tǒng)能適應(yīng)所有工況的變化，達(dá)到滿意的控制效果，彌補(bǔ)傳統(tǒng)PID控制的不足[4-6]。

鑒于此，本文提出采用模糊推理系統(tǒng)結(jié)合傳統(tǒng)PI控制來實(shí)現(xiàn)對直流變換器的控制，以期從一定程度上提高直流變換器控制系統(tǒng)的性能。

1 本文所提的模糊控制方法

1.1 控制原理圖

本文所提的基于模糊推理的直流變換器控制系統(tǒng)如圖1所示。通過模糊推理系統(tǒng)，在線實(shí)時調(diào)整傳統(tǒng)PI控制器的控制參數(shù)，從而達(dá)到較為滿意的控制效果。

1.2 模糊規(guī)則及隸屬度函數(shù)

模糊推理系統(tǒng)中，至關(guān)重要的是模糊規(guī)則的制訂。本文在采用MATLAB中的模糊控制工具箱設(shè)計模糊控制器時，以給定與輸出之間的誤差作為模糊推理系統(tǒng)的輸入，以PI控制器的積分系數(shù)增量為輸出，確定了相應(yīng)的模糊規(guī)則，如圖2所示。其中，輸入和輸出按照其大小范圍分別分為了7檔。輸入和輸出對應(yīng)的隸屬度函數(shù)如圖3和圖4所示。

2 基于MATLAB的建模與仿真分析

為了驗證所提方法的有效性，在MATLAB的SIMULINK中進(jìn)行了建模與仿真分析。

2.1 直流變換器的仿真模型

本文所建的Boost直流變換器的仿真模型如圖5所示。

2.2 傳統(tǒng)PI控制下的仿真模型

傳統(tǒng)PI控制的直流變換器系統(tǒng)仿真模型如圖6所示。圖6中，直流變換器部分是將圖5的仿真模型進(jìn)行封裝之后得到的“Subsystem”。

2.3 基于模糊推理的仿真模型

采用模糊推理系統(tǒng)之后的直流變換器控制系統(tǒng)仿真模型如圖7所示。其中，模糊推理系統(tǒng)中的模糊規(guī)則及相應(yīng)輸入輸出的隸屬度函數(shù)如圖2、圖3和圖4所示。

2.4 仿真結(jié)果

針對傳統(tǒng)PI控制的仿真結(jié)果如圖8所示。模糊控制下的仿真結(jié)果如圖9所示。仿真過程中，直流變換器給定輸入電壓為150V，傳統(tǒng)PI控制器的控制參數(shù)分別為：Kp=0.002，Ki=0.005，仿真時間為10 s。

3 結(jié)論

隨著直流變換器的廣泛使用，其控制越來越重要。為克服傳統(tǒng)PI控制的不足，本文提出采用模糊推理系統(tǒng)結(jié)合傳統(tǒng)PI控制，實(shí)現(xiàn)直流變換器的有效控制，并在MATLAB的SIMULINK中對直流變換器、傳統(tǒng)PI控制系統(tǒng)以及模糊控制系統(tǒng)進(jìn)行了建模，進(jìn)一步做了仿真分析。從仿真結(jié)果可以得到如下結(jié)論：①采用模糊推理系統(tǒng)之后，直流變換器輸出的響應(yīng)時間和穩(wěn)定時間比傳統(tǒng)PI控制要快。但輸出響應(yīng)過程中，其超調(diào)卻比傳統(tǒng)PI控制要略大，這可能與本文未考慮PI控制器比例參數(shù)的在線實(shí)時調(diào)整有關(guān)。實(shí)際上，直流變換器的實(shí)際運(yùn)用過程中，其輸出響應(yīng)時間和穩(wěn)定時間對整個系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響至關(guān)重要。因此，本文進(jìn)行的研究在一定程度上提高了直流變換器的控制性能，滿足了實(shí)際工程需求。②本文在研究過程中，除了沒有考慮傳統(tǒng)PI控制器中比例參數(shù)的在線實(shí)時調(diào)整之外，還未考慮將給定輸入與實(shí)際輸出的誤差變化量作為模糊控制器的另一個輸入量，以此進(jìn)一步縮短系統(tǒng)的穩(wěn)定時間。因此，在后續(xù)研究中，將針對這兩方面的工作展開進(jìn)一步的研究。

參考文獻(xiàn)：

[1]曹劍平.DC-DC開關(guān)變換器建模與數(shù)字仿真分析研究[D].長沙：中南大學(xué)，2008.

[2]楊國超.Buck變換器建模與非線性控制方法研究[D]。無錫：江南大學(xué)，2008.

[3]劉佳.DC-DC變換器建模與數(shù)字化控制[D].杭州：浙江大學(xué)，2016.

[4]李燕燕.基于模糊控制Boost變換器的光伏發(fā)電研究[D].西安：長安大學(xué)，2014.

[5]張巖.基于模糊PID算法的快速響應(yīng)Buck型DC-DC變換器的設(shè)計[D].南京：東南大學(xué)，2015.

[6]夏順貴.DC/DC變換器的模糊控制方法研究[D].無錫：江南大學(xué)，2008.