Buck变换器的数字模糊PID控制

3.1控制电路设计系统的闭环控制框图如图4所示。取输出电压的误差和微分量，送入模糊控制器和PID控制器，由模糊控制器根据输入控制量偏差实时给出PID的参数，再由PID控制器给出控制信号，从而实现对变换器的精确控制。取输入电压的误差送入系统前馈校正电路中，输出补偿量加入到模糊PID控制输出量，和一起组成变换器的占空比控制量d。图中：Uref2、Uref1分别为输入和输出参考电压；采用上一周期的输出占空比值，而不用静态值D，这样可确保系统的平滑性和稳定性；M(s)为模糊PID控制器的传递函数；G2(s)为前馈补偿函数。

3.2PID参数的整定

对于线性系统，PID参数的整定方法有多种，如：

1）ZieglerNichols频率响应法[2]；

2）Cohencoon响应曲线法[3]；

3）基于积分平方准则ISE整定法[4]；

4）极点配置法；

5)根轨迹法；

6)工程整定法等等。

实际上，DC/DC变换器为一非线性系统，而PID控制只适用于线性系统或有限范围波动的非线性系统，用一组事先整定好的PID参数，难以达到很好的控制效果，故其适用范围有限。为提高PID控制系统的控制性能和适用范围，必须根据偏差实时地改变Kp、Ki、Kd这三个参数，即实时调节PID控制器的增益。其控制框图如图5所示。

首先可由DC/DC变换器静态模型，依据上述线性PID参数整定法，得到较优的Kp，Ki和Kd静态PID参数值。模糊控制器依据偏差对应每一量化等级，都可得到相对应范围内较优的Kp′，Ki′和Kd′瞬时值。

一般来说Kp′在偏差e绝对值较小时取较小值，反之取较大值，这样有利于加快响应速度，同时保证有很好的稳定性；Ki′在偏差e绝对值较小时取较大值，反之取较小值，这样既有利于保证稳态无静差，又不会引起积分饱和而使超调增大、调节时间延长；微分系数Kd′在偏差e的绝对值较小时取较大值，反之取较小值，这样有利于加快对小偏差的反应速度，提高控制器对干扰的灵敏度，在出现干扰时可及时调节。

4仿真及实验结果

本控制系统实验采用TMS320F240型DSP，输入交流电压为110～250V，输出为直流10V，频率为60kHz，L=120μH，C=960μF,带电阻性负载。应用PSPICE对本系统进行了仿真，仿真结果如下图6所示。实验结果如图7所示，在t=0.035s时，系统受到输入电压的阶跃干扰。由仿真和试验结果可知，模糊PID控制具有较满意的控制效果和较快的动态性能。 5结语

本文通过状态平均法，获得了Buck电路电压反

1数字模糊PID控制2模拟电压负反馈控制图7系统起动和受输入电压干扰响应曲线

馈控制下的动态小信号模型和传递函数，其控制系统采用数字模糊PID控制。通过使用对非线性、时滞系统具有较好控制效果的模糊控制，对PID参数进行监控，大大提高了PID控制系统的精度、响应速度和适用范围。仿真与实验结果表明，采用本控制方法，系统具有较高的电压调整精度和较快的动态响应速度，适用范围大，抗干扰能力强等特点，特别是抗输入电压干扰能力。由于采用数字控制，控制系统可调整性好，抗外界干扰能力也得到加强。另外，如果本控制方法与遗传算法相结合，利用遗传算法进行对模糊规则的设计和控制，则可弥补模糊控制器缺乏系统设计方法的缺点，从而实现对变换器的智能控制[5]。