标签：仿真 Simulink 模块 pid 模糊 PID 控制器电路仿真

后半部分已更新
基于模糊pid的两路交错boost变换器Simulink仿真及代码自动生成（下）F280025实物测试部分

简介：设计两路交错BOOST变换电路，搭建Simulink仿真模型，并设计控制算法（常规PID与模糊控制PID）。基于德州仪器TMS320F280025单片机使用Matlab Code Generation Tools进行编程与实物测试。
电气系统建模与实践课程设计福州大学自动化系黄宸贞 2024/3/28

指导教师：蔡逢煌陈丹

软件环境：
Matlab R2023b
Simulink 23.2
TI controlSUITE 3.4.9
Code Composer Studio 12.2.0.00009
TI C2000Ware 4_03_00_00

硬件环境：
AMD Ryzen 9 8945HS（仿真模型）
C2000 TMS320F280025C（代码生成模型）

测试目标：输入9V，实现9~18V升压功能。

测试实物：

可重构全桥变换器主板

单片机控制板

上、电路仿真部分

1.Simulink模型搭建

在这里插入图片描述
根据电路图与BOOST变换器原理，搭建Simulink仿真模型，系统总体模型如图：

在这里插入图片描述

MOS模块：桥式交错MOSFET电路模块。

SPWM模块：脉宽生成调制电路模块。

Controller模块：控制算法模块。

Powergui模块：电力系统图形化计算模块，类型为离散，采样时间为1e-6。

采用阶跃信号作为给定目标电压，0.15s前给定为12V，0.15s后给定为18V。测试仿真电路在12V变换至18V两种给定状态下的工作状态。

（注：为与测试实物对应，使用Vout作为输入端口，Vin作为输出端口）

1.1桥式交错BOOST电路

在这里插入图片描述

使用4颗MOSFET组成两相交错BOOST电路（其中开关管G1、G2恒为关断，使用二极管代替）。该电路接受PWM脉冲控制G3、G4交替开通关断，实现DCDC直流变换。

1.2脉宽调制电路

在这里插入图片描述

使用三角波对算法控制器输出的调制波形进行调制，因本设计采用两相交错BOOST设计，故对载波进行移相，移相增益为载波周期的0.5倍，即1/5000/2。

1.3开环控制电路

在这里插入图片描述

无需控制器，直接使用Simulink的PWM模块生成给定目标电压相应占空比的PWM脉冲并进行移相。

1.4常规PID控制电路

在这里插入图片描述

将给定目标电压与输出电压比较并输入控制器，进行PID运算。PID控制器是一种线性控制器，通过比较给定值与实际输出值的误差，将比例、积分、微分线性组合构成控制量，其结构图如下：
在这里插入图片描述

1.5模糊PID控制电路

模糊控制系统由模糊数据和规则库、模糊器、模糊推理机和解模糊器组成，其结构如图所示：

在这里插入图片描述

模糊控制过程分为模糊化、模糊逻辑推理、解模糊。模糊PID控制器是一种二维模糊控制器，采用误差e和误差变化率ec作为输入，传统PID参数kp,ki,kd作为输出，可在系统运行的过程中利用模糊规则自动对PID参数进行整定。其结构如图所示：
在这里插入图片描述

模糊PID控制器如下图所示：

在这里插入图片描述

2. 仿真参数设置

2.1经典PID控制器设置

在Matlab命令行窗口中输入电路各参数及传函计算公式：

U=9;
C=510e-6;
R=5;
L=440e-6;
D=0.5;  %占空比D可根据需要的给定目标电压任选 
num=[0 -U/(R*C*(1-D)*(1-D)) U/(L*C)];
den=[1 1/(R*C) (1-D)*(1-D)/(L*C)];
G=tf(num,den)
Bode(G)

可得到该BOOST电路仿真系统在输入电压9V，输出电压18V时的传递函数与Bode图。

传递函数：
在这里插入图片描述

Bode图：

在这里插入图片描述

通过传递函数，写出系统特征方程：

在这里插入图片描述

列出Routh表：

在这里插入图片描述

由Bode图的闭环截止频率，可得系统带宽为1.69e3≈1500，根据经验，Simulink中PID模块的滤波器系数(N)可设为3*1500。

在这里插入图片描述

如上所述，将PID模块时域设为离散时间，控制器各参数如图：

在这里插入图片描述
除Ziegler-Nichols规则外，也可使用MATLAB的PID工具箱对PID控制器进行调参。例如设定响应时间为0.008、瞬态特性居中时，系统的阶跃响应曲线及PID控制器参数如图所示。

2.2模糊PID控制器设置

在Matlab命令行窗口中输入fuzzyLogicDesigner，打开模糊逻辑编辑器。设置2项输入、3项输出，分别命名为E、EC、KP、KI、KD，代表输出与给定的误差、误差的变化率以及PID控制器的三项参数。模糊推理方法选择Mamdani Type1。

在这里插入图片描述

根据上文计算结果以及电路系统的常规PID控制仿真调试结果，设置模糊控制的每项IO的隶属度及论域如下：

在这里插入图片描述

根据相关文献，BOOST变换器的模糊控制规则如下：

在这里插入图片描述

模糊逻辑设置完成后，可以在Rule Interface和Control Surface界面预览控制逻辑。

在这里插入图片描述

将Simulink模型内的模糊逻辑控制器模块设置为使用刚才编辑完成的fis文件。

在这里插入图片描述

3. 电路仿真结果

3.1开环控制仿真结果

在这里插入图片描述

当系统开环仿真时，可见调节过程电压波动较大。且控制精确度低，具有稳态误差，仅可升压至11.15V/16.85V，无法满足12V/18V给定。

3.2经典PID控制仿真结果

在这里插入图片描述

使用PID控制后，系统性能显著改善，可精确升压至12V/18V给定。但在18V给定下纹波较大。

3.3模糊PID控制仿真结果

在这里插入图片描述

使用模糊PID控制相比于常规PID控制，由于模糊PID控制可实时整定PID参数，从而明显可从图中看出模糊PID控制器减小了上升时间内的电压波动和稳态的纹波，可知模糊PID算法对系统性能有更大改善。

下、代码生成实物测试部分

基于模糊pid的两路交错boost变换器Simulink仿真及代码自动生成（下）F280025实物测试部分

参考文献

[1] 蔡逢煌，王武，江加辉. 微控制器原理及应用——基于TI C2000实时微控制器[M]. 北京:机械工业出版社, 2022.

[2] 王兆安，刘进军. 电力电子技术（第5版）[M]. 北京: 机械工业出版社, 2021.

[3] 刘金琨. 先进PID控制MATLAB仿真[M]. 北京:电子工业出版社, 2016.

[4] 邓孝祥,刘钰,张伟杰.双闭环BOOST变换器系统模糊PID控制[J].黑龙江电力,2021,43(03):246-250.DOI:10.13625.

[5] CSDN@h(^z)h.交错式升压DC-DC转换器(boost).[EB/OL].(2023-03-03)[2024-03-14]. https://blog.csdn.net/apple_51729737/article/details/129326020.

[6] 倪刚,金辉宇,兰维瑶. 基于Ziegler-Nichols规则的一阶线性自抗扰控制参数整定[C]//中国自动化学会控制理论专业委员会（Technical Committee on Control Theory, Chinese Association of Automation）,中国自动化学会（Chinese Association of Automation）,中国系统工程学会（Systems Engineering Society of China).第三十九届中国控制会议论文集（7）.2020:5.DOI:10.26914/c.cnkihy.2020.039671.

[7] 李晓丹. 模糊PID控制器的设计研究[D].天津大学,2006.

标签：仿真,Simulink,模块,pid,模糊,PID,控制器,电路仿真
From： https://www.cnblogs.com/DiscreteWind/p/18353208

基于模糊pid的两路交错boost变换器Simulink仿真及代码自动生成（上）电路仿真部分

上、电路仿真部分

1.Simulink模型搭建

1.1桥式交错BOOST电路

1.2脉宽调制电路

1.3开环控制电路

1.4常规PID控制电路

1.5模糊PID控制电路

2. 仿真参数设置

2.1经典PID控制器设置

2.2模糊PID控制器设置

3. 电路仿真结果

3.1开环控制仿真结果

3.2经典PID控制仿真结果

3.3模糊PID控制仿真结果

下、代码生成实物测试部分

相关链接

参考文献

相关文章

赞助商

阅读排行