基于模糊推理和MATLAB的直流变换器控制与仿真

户秀琼　袁适成　陈敏　陈明洋

摘要：直流变换器已经被广泛应用于新能源发电、智能电网、工业节能、轨道交通、新能源汽车等多个领域，直流变换器控制引起了学术界和工程界的重视。考虑到传统PI控制的不足，提出采用模糊推理技术结合传统PI控制实现直流变换器的控制方式。为了验证所提方法的有效性，在MATLAB中，针对直流变换器，基于传统PI控制的系统以及基于模糊推理的控制系统进行了建模，得到了直流变换器在传统PI控制以及模糊控制下的仿真结果，一定程度上体现了模糊控制优于传统PI控制。

关键词：直流变换器;模糊推理;PI控制;MATLAB

中图分类号：TM46

文献标识码：A

DOI： 10.15913/j.cnki.kjycx.2019.09.011

如今，电力电子电路在各类工业中的应用越来越广泛，而电力电子电路的核心是开关变换器。直流变换器（ DC-DC）作为开关变换器中的一员，是将一种不可控的直流电源变换为可控的具有不同输出特点的直流电源的装置。但直流变换器的电路本质上是一个时变的、非线性的、多模态的动态系统，要对其进行精确建模极其不易[1-3]。因此，对这样的一个系统进行控制，常规的线性理论已不再适应，有必要研究新的控制方法，使直流变换器在各种领域的应用中都能得到满意的控制效果。

目前，直流变换器常用的控制方法主要有传统的脉宽调制（PWM）以及以传统控制理论为基础的PID控制[2]。其中，采用PWM控制实际上是一个开环控制，随着直流变换器工况的变化，其输出根本无法跟踪输入。在实际工程中，很少采用此控制方式。传统PID控制由于其控制器设计简单，所以在实际工程中应用广泛，但传统PID控制依赖于被控系统的精确数学模型。因此，将其用于直流变换器的控制时，由于直流变换器模型的复杂性以及工作状态的多样性，给定的PID参数无法适应直流变换器的各种运行状况，进而会导致控制结果不尽如人意。

模糊控制是一种不强调系统精确数学模型的智能控制，鲁棒性较强，可根据复杂系统的实时工况，实时调整传统PID参数，从而使得被控系统能适应所有工况的变化，达到满意的控制效果，弥补传统PID控制的不足[4-6]。

鉴于此，本文提出采用模糊推理系统结合传统PI控制来实现对直流变换器的控制，以期从一定程度上提高直流变换器控制系统的性能。

1 本文所提的模糊控制方法

1.1 控制原理图

本文所提的基于模糊推理的直流变换器控制系统如图1所示。通过模糊推理系统，在线实时调整传统PI控制器的控制參数，从而达到较为满意的控制效果。

1.2 模糊规则及隶属度函数

模糊推理系统中，至关重要的是模糊规则的制订。本文在采用MATLAB中的模糊控制工具箱设计模糊控制器时，以给定与输出之间的误差作为模糊推理系统的输入，以PI控制器的积分系数增量为输出，确定了相应的模糊规则，如图2所示。其中，输入和输出按照其大小范围分别分为了7档。输入和输出对应的隶属度函数如图3和图4所示。

2 基于MATLAB的建模与仿真分析

为了验证所提方法的有效性，在MATLAB的SIMULINK中进行了建模与仿真分析。

2.1 直流变换器的仿真模型

本文所建的Boost直流变换器的仿真模型如图5所示。

2.2 传统PI控制下的仿真模型

传统PI控制的直流变换器系统仿真模型如图6所示。图6中，直流变换器部分是将图5的仿真模型进行封装之后得到的“Subsystem”。

2.3 基于模糊推理的仿真模型

采用模糊推理系统之后的直流变换器控制系统仿真模型如图7所示。其中，模糊推理系统中的模糊规则及相应输入输出的隶属度函数如图2、图3和图4所示。

2.4 仿真结果

针对传统PI控制的仿真结果如图8所示。模糊控制下的仿真结果如图9所示。仿真过程中，直流变换器给定输入电压为150V，传统PI控制器的控制参数分别为：Kp=0.002，Ki=0.005，仿真时间为10 s。

3 结论

随着直流变换器的广泛使用，其控制越来越重要。为克服传统PI控制的不足，本文提出采用模糊推理系统结合传统PI控制，实现直流变换器的有效控制，并在MATLAB的SIMULINK中对直流变换器、传统PI控制系统以及模糊控制系统进行了建模，进一步做了仿真分析。从仿真结果可以得到如下结论：①采用模糊推理系统之后，直流变换器输出的响应时间和稳定时间比传统PI控制要快。但输出响应过程中，其超调却比传统PI控制要略大，这可能与本文未考虑PI控制器比例参数的在线实时调整有关。实际上，直流变换器的实际运用过程中，其输出响应时间和稳定时间对整个系统稳定性的影响至关重要。因此，本文进行的研究在一定程度上提高了直流变换器的控制性能，满足了实际工程需求。②本文在研究过程中，除了没有考虑传统PI控制器中比例参数的在线实时调整之外，还未考虑将给定输入与实际输出的误差变化量作为模糊控制器的另一个输入量，以此进一步缩短系统的稳定时间。因此，在后续研究中，将针对这两方面的工作展开进一步的研究。

参考文献：

[1]曹剑平.DC-DC开关变换器建模与数字仿真分析研究[D].长沙：中南大学，2008.

[2]杨国超.Buck变换器建模与非线性控制方法研究[D]。无锡：江南大学，2008.

[3]刘佳.DC-DC变换器建模与数字化控制[D].杭州：浙江大学，2016.

[4]李燕燕.基于模糊控制Boost变换器的光伏发电研究[D].西安：长安大学，2014.

[5]张岩.基于模糊PID算法的快速响应Buck型DC-DC变换器的设计[D].南京：东南大学，2015.

[6]夏顺贵.DC/DC变换器的模糊控制方法研究[D].无锡：江南大学，2008.