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域，直流變換器控制引起了學術界和工程界的重視?？紤]到傳統(tǒng)PI控制的不足，提出采用模糊推理技術結合傳統(tǒng)PI控制實現(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果，一定程度上體現(xiàn)了模糊控制優(yōu)于傳統(tǒng)PI控制。

關鍵詞：直流變換器;模糊推理;PI控制;MATLAB

中圖分類號：TM46

文獻標識碼：A

DOI： 10.15913/j.cnki.kjycx.2019.09.011

如今，電力電子電路在各類工業(yè)中的應用越來越廣泛，而電力電子電路的核心是開關變換器。直流變換器（ DC-DC）作為開關變換器中的一員，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)，要對其進行精確建模極其不易[1-3]。因此，對這樣的一個系統(tǒng)進行控制，常規(guī)的線性理論已不再適應，有必要研究新的控制方法，使直流變換器在各種領域的應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)控制理論為基礎的PID控制[2]。其中，采用PWM控制實際上是一個開環(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計簡單，所以在實際工程中應用廣泛，但傳統(tǒng)PID控制依賴于被控系統(tǒng)的精確數(shù)學模型。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雜性以及工作狀態(tài)的多樣性，給定的PID參數(shù)無法適應直流變換器的各種運行狀況，進而會導致控制結果不盡如人意。

模糊控制是一種不強調(diào)系統(tǒng)精確數(shù)學模型的智能控制，魯棒性較強，可根據(jù)復雜系統(tǒng)的實時工況，實時調(diào)整傳統(tǒng)PID參數(shù)，從而使得被控系統(tǒng)能適應所有工況的變化，達到滿意的控制效果，彌補傳統(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)結合傳統(tǒng)PI控制來實現(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)，在線實時調(diào)整傳統(tǒng)PI控制器的控制參數(shù)，從而達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 仿真結果

針對傳統(tǒng)PI控制的仿真結果如圖8所示。模糊控制下的仿真結果如圖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)結合傳統(tǒng)PI控制，實現(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)進行了建模，進一步做了仿真分析。從仿真結果可以得到如下結論：①采用模糊推理系統(tǒng)之后，直流變換器輸出的響應時間和穩(wěn)定時間比傳統(tǒng)PI控制要快。但輸出響應過程中，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)的在線實時調(diào)整有關。實際上，直流變換器的實際運用過程中，其輸出響應時間和穩(wěn)定時間對整個系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響至關重要。因此，本文進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)的在線實時調(diào)整之外，還未考慮將給定輸入與實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一步的研究。

參考文獻：

[1]曹劍平.DC-DC開關變換器建模與數(shù)字仿真分析研究[D].長沙：中南大學，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，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，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，2014.

[5]張巖.基于模糊PID算法的快速響應Buck型DC-DC變換器的設計[D].南京：東南大學，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，2008.