基于PLECS的Buck变换器模糊PID控制
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摘 要：根据Buck变换器的基本原理，由 PLECS建立Buck变换器本体模型，再由Simulink工具建立模糊PID控制器，两者无缝连接。其中在大偏差范围内采用PD模糊控制器以提高其动态响应速度，而在小偏差范围内转换成PID控制，以提高其稳态精度。仿真结果表明了模糊PID控制的优越性，实现了模拟电路与数字控制的有效结合。
关键词：PLECS;Buck变换器;模糊PID控制;建模仿真
中图分类号：TP391.9文献标识码：A文章编号：1004373X(2008)1909503
Fuzzy PID Control of Buck Converter Based on PLECS
KONG Fanyan,PAN Tinglong
(School of Communications and Control Engineering,Jiangnan University,Wuxi,214122,China)
Abstract：According to basic principles of the Buck converter,a Buck converter′s noumenon model is established based on PLECS,Then a fuzzy PID controller is set up based on the Simulink toolbox,they are connected seamlessly.When the deviation is large,PD fuzzy controller is employed to improve its dynamic performances,while contrarily a PID controller is adopted to enhance its steady-state accruacy.The Simulation results show the superiority of the fuzzy PID control,the combination of analogcircuit and numeric control are realized.
Keywords：PLECS;Buck converter;fuzzy PID control;modeling and simulation
1 引 言
PLECS(Piece-wise Linear Electrical Circuit Simulation)［1］是由瑞士-苏黎世-全
球动力电子系统模拟软件之领导开发商PLEXIM公司的主打产品，它能为系统级电路仿真提供一个与Simulink模块完全无缝的整合，在动力电子系统和电力驱动器的模拟上可以进行简化。
PLECS是Matlab/Simulink环境下的附加工具箱，由于使用理想元件，相对于PSPICE仿真速度很快，通过使用PLECS建模一方面可有效利用Matlab/Simulink能方便实现各种控制算法的优势，将模糊控制等非线性闭环控制算法引入电力电子开关控制领域，同时还能轻松实现电力电子模块的建模。而对于Buck变换器的闭环控制方法，本文采用输出电压单环控制。由于模糊控制不需要精确的数学模型，不需要基于定性的控制规则，对于Buck变换器这种时变非线性系统具有较强的鲁棒性，但控制精度却不太理想，所以本文采用常规PID［2］与模糊控制相结合的模糊PID控制综合了两者的优势，具有较好的控制效果。
本文采用plecs进行对象建模，同时应用Simulink工具箱建立闭环模糊PID控制器，两者无缝连接。仿真结果表明了模糊PID控制的优越性，不仅为buck变换器的模糊控制提供了新方法，也为实际开关控制的设计提供了新思路。
2.1 模糊PID控制的结构
Buck变换器电路是非线性、时变性的控制系统，采用PID控制的参数调试困难，且控制效果难以达到预期的目标。而模糊控制不依赖于被控对象模型，它不是用数值变量而是用语言变量来描述系统特征，并依据系统的动态信息和模糊控制规则进行推理以获得合适的控制量，因而具有较强的鲁棒性。
由于经典模糊控制器相当于一种非线性PD控制律的控制器，缺少积分作用，当被控对象不含积分环节时，系统不可避免的存在静差。为了改进上述不足，设计了模糊PID复合控制，在大偏差范围内采用PD模糊控制器以提高其动态响应速度，而在小偏差范围内转换成PID控制，以提高其稳态精度。
模糊 PID控制能发挥模糊控制鲁棒性强、动态响应好、上升时间快、超调小的特点，又具有PID控制器的动态跟踪品质和稳态精度。可见，由模糊控制、PID控制及Buck变换器本身的特点，对强非线性、滞后和参数存在漂移的Buck变换器，应用单一的模糊或PID控制，都难以达到令人满意的控制效果。而采用模糊PID复合控制，可大大提高系统的控制精度、动态性能和变换器系统对非线性扰动的自适应能力。以Buck变换器电压单环负反馈为例，分析模糊PID控制的设计方法。模糊PID控制器输出信号作为PWM脉宽调制器的输入，而后得到变换器的占空比d，控制功率开关管周期性的开通与关断［4］。模糊PID控制系统如图1所示。
图1 模糊PID控制系统
2.2 模糊控制器设计
本文设计的双输入单输出模糊控制器结构如图2所示［5］。
图2 模糊控制器结构图
该模糊控制器由输入比例因子、模糊化接口、知识库、模糊推理、反模糊化接口和输出比例因子6个部分组成。
2.2.1 模糊化
确定模糊控制器的输入为：
e(k)=Vref(k)－V0(k)，(k)=(e(k)－e(k－1))/T
输出为d(k)。
选取正的常数G1,G2,Gu将输入e(k),(k)，输出d(k)进行规范化，设：(k)=G1・e(k)，(k)=G2・(k)，d(k)=Gu・u(k)。
定义(k),(k),u(k)的模糊语言值如下：{PB(正大),PM(正中),PS(正小),ZE(零),NS(负小),NM(负中),NB(负大)}。
假设(k),(k)和u(k)的模糊集分别为：
{A-3,A-2,A-1,A0,A1,A2,A3},
{B-3,B-2,B-1,B0,B1,B2,B3},
{C-3,C-2,C-1,C0,C1,C2,C3}
其中Ai,Bi,Ci (i=-3，-2，-1，0，1，2，3)对应的语言值分别为：A-3=NB，A-2=NM，A-1=NS，A0=ZE，A1=PS，A2=PM，A3=PB；B-3=NB，B-2=NM，B-1=NS，B0=ZE，B1=PS，B2=PM，B3=PB；C-3=NB，C-2=NM，C-1=NS，C0=ZE，C1=PS，C2=PM，C3=PB。
根据输入变量、输出变量的特征，定义模糊集Ai,Bi,Ci的隶属函数如图3所示。
图3 模糊集隶属函数
2.2.2 模糊规则与推理
模糊控制规则定义为如下形式：
IF =Ai AND =Bj THEN =Ck