趙文春　王博　劉勝道　鄭云波

摘 要： 針對普通PID控制難以應付移相全橋DC/DC變換器時變非線性的不足，提出采用模糊自適應PID控制的方法。該方法基于誤差信號，對應模糊控制規(guī)則得出PID參數的實時修改量，對復雜系統具有一定的自適應性。利用Matlab/Simulink工具箱進行了普通PID控制和模糊自適應PID控制的系統建模，并對輸入電壓和負載突變情況進行了仿真。仿真結果驗證了系統的可行性，通過對比表明模糊自適應PID控制在啟動、負載突變等情況下動、靜態(tài)性能均優(yōu)于普通PID控制，提高了系統性能。

關鍵詞： 移相全橋； DC/DC變換器； PID控制； 模糊控制

中圖分類號： TN710?34； TP273+.4 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2015）19?0110?04

Abstract： Since the traditional PID control is hard to solve time?varying nonlinear problem of phase?shifted full?bridge DC/DC converter， the method of using self?adaptive fuzzy?PID control is proposed. The real?time modifiers of PID parameters are obtained by fuzzy control rules corresponding to error signal. This method has certain adaptivity to complex system. The traditional PID control and self?adaptive fuzzy?PID control were conducted with system modeling by Matlab/Simulink toolbox， and the input voltage and load changes were simulated. The simulation results verify that this system is feasible. The static and dynamic performances of self?adaptive fuzzy?PID control are better than the traditional PID control in the situation of start?up and load changes. System performances were improved.

Keywords： phase?shifted full?bridge； DC/DC converter； PID control； fuzzy control

0 引 言

開關電源是利用現代電力電子技術，通過對開關管開關時間的控制，維持穩(wěn)定輸出的一種電源。因其具有小型、輕量和高效率的優(yōu)點，已被廣泛應用在航空、航天、鐵路、通信、工業(yè)儀器儀表等領域。開關電源是一個時變非線性系統，在實際應用中難以建立精確的數學模型，PID控制通常進行近似化處理，因此難以應付電源輸入突變、負載突變等復雜情況，控制效果差強人意。模糊控制針對系統參數的攝動具有較好的魯棒性，能適應對象時變非線性的特點，但是它控制較為粗糙，同時缺少積分作用，尤其在系統平衡點附近控制精度難以讓人滿意，因而把兩者結合起來成為必然趨勢。

移相控制ZVS PWM DC/DC全橋變換器電路結構簡潔，可實現高功率變換，同時逆變橋開關管的電壓和電流應力也得到了有效降低。逆變橋開關管采用PWM 移相控制，結合軟開關技術，利用電感和電容的諧振可以實現恒定頻率的零電壓開關，從而降低開關損耗，提高電源效率，解決了硬開關的開關損耗大、開關噪聲大等問題，并且可以通過控制移相角改變開關管導通占空比，從而方便地調節(jié)輸出電壓大小。

移相全橋電路結構簡單，和硬開關全橋電路相比僅僅增加了一個諧振電感?？刂篇毺亍㈤_關損耗功率小、能夠應用于高頻大功率等場合，開展對該變換器智能控制的研究具有現實意義。而目前國內已有文獻介紹相關內容，文獻[1]針對Buck電路小信號模型建立的傳遞函數進行了研究，文獻[2]依據倍流整流移相全橋的小信號模型進行了模糊PID仿真研究。但目前研究只是籠統依據其變換器的小信號模型進行研究，未具體針對變換器的實際仿真模型展開研究，失去了模糊控制本身不需要精確數學模型也能實現較好控制效果的優(yōu)勢，實踐指導意義有限。為此，本文利用Matlab/Simulink對移相全橋ZVS進行了系統建模，控制方式分別采用PID控制與模糊自適應PID，并進行了性能比較。

1 移相全橋ZVS變換器主電路結構

移相全橋ZVS全橋變換器主電路拓撲結構如圖1所示。由超前橋臂（開關管Q1和Q2）和滯后橋臂（開關管Q3和Q4）組成逆變橋，開關管兩邊分別并聯諧振電容（或漏源極電容）和反并聯二極管（或開關管的體二極管），[R]為模擬電路中線路實際損耗的電阻，[Lr]是諧振電感（包括串聯電感和變壓器原邊漏感），T是高頻變壓器。副邊采用全波整流，[D1]和[D2]是輸出整流二極管，[Lf]和[Cf]組成了輸出濾波電路。超前橋臂超前滯后橋臂一個相位，即移相角。通過將輸出濾波電容的電壓采樣信號與系統設置的輸出濾波電容的指令電壓進行比較，得到誤差信號，經過模糊控制器進行 PID 調節(jié)，動態(tài)地調節(jié)這個移相角來改變開關管的導通時間，從而調節(jié)輸出電壓。

2 模糊自適應PID控制器的設計

模糊控制器選擇基于誤差信號的兩輸入、三輸出結構。以輸出電壓參考值與實際值的誤差[E]及其變化率[EC]為輸入，PID控制器參數調整量[ΔKp，][ΔKi，][ΔKd]為輸出。將初始設定的PID參數與模糊控制器輸出的PID調整信號進行計算，得到實時的PID參數，以更好地適應系統變化，實現較好的系統靜、動態(tài)性能。endprint

2.1 常規(guī)PID控制初始參數確定

在Matlab中構建了電壓環(huán)反饋的仿真模型，依據傳統的PID經驗調節(jié)按以下步驟進行參數整定。

2.1.1 確定初始比例系數[Kp0]

確定初始比例系數[Kp0]時，首先取消積分、微分項，將PID設定為純比例調節(jié)。允許最大值的60%設定為系統的輸入，增大比例系數不斷調試系統至出現振蕩，再減小至振蕩消失，設定模糊自適應PID控制的初始比例系數[Kp0]為當前值的0.6～0.7倍。

2.1.2 確定初始積分系數[Ki0]

初始比例系數確定后，微分項設置為0，給積分時間常數設置一個較大的初值，逐漸減小再逐漸增大，使系統出現振蕩再逐漸消失，設定初始積分常數為當前值的1.6～1.8倍，可得初始積分系數。

分別在系統空載和帶載的情況下進行聯調，觀察靜、動態(tài)指標是否符合系統要求，適當增加微分項，確定初始微分系數[Kd0，]再對PID參數進行適當調整以滿足性能指標。結合仿真過程，PID參數最后設定為[Kp0]=0.2，[Ki0]=17.9，[Kd0]=1.5e-5。

2.2 模糊控制器輸入輸出接口設計

2.3 模糊變量隸屬函數確定

隸屬函數的選擇沒有固定的規(guī)則和模式，對控制效果的影響遠沒有論域上各[F]子集分布和相鄰子集隸屬函數重疊交叉情況等影響大。本文采用三角形隸屬函數，輸入輸出隸屬函數分布曲線如圖2所示。

從圖7可以看出，傳統PID控制的輸出電壓在24.1～31.3 V之間波動，恢復時間為0.25 s；突變時模糊自適應PID控制系統輸出電壓波形最大值為27.9 V，恢復時間約為0.12 s，調節(jié)過程平滑且無波動。

4 結 論

本文介紹了模糊自適應PID控制系統的設計過程，對普通PID控制和模糊自適應PID控制進行了系統建模，并對系統啟動和負載突變等情況進行了仿真對比，結果驗證了設計的正確性，表明模糊自適應PID控制下的系統超調量小，調節(jié)時間短，遇到擾動后動態(tài)降落和恢復時間小，調節(jié)過程平滑的特點，具有更好的靜、動態(tài)性能，更能適合高性能要求的場合。

注：本文的通訊作者為王博。

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