Buck变换器的模糊PI控制研究周痛快宾洋罗文广张坤摘要：随着DC-DC变换器的适用领域不断扩大，对输入波动、负载跳变的适应性及输出的响应速度、稳定性等有了越来越高的要求，而DC-DC變换器是一种强非线性的系统，常规的PI控制已不能满足对控制系统的需求.以Buck变换器为例，在进行双闭环控制的同时加入模糊PI控制算法，能实时跟踪系统参数的变化并及时对控制参数进行调优，使得变换器在复杂的应用环境中也能具有良好的动态响应及超调量，并用Simulink建立了仿真模型.经验证，较传统的PI和模糊控制算法而言，在动态响应及超调量等方面得到一定的改善.关键词：Buck变换器;PI控制;双闭环;模糊控制：T6DOI：10.16375/jki45-1395/t.2021.03.0120引言随着工业的迅猛发展，传统能源由于不可再生及引起的污染问题已经对人们的生产生活产生了不利的影响.新能源以可再生、无污染的优势备受科研工作者的青睐，但其在推广过程中存在一些问题.例如，燃料电池的输出特性偏软，输出电压受供氢量、催化剂等因素的影响而形成一定的波动[1];光能发电因太阳光照强度及角度的不同而影响输出电压的稳定性.因此，这些能源不能直接与负载相连接使用，DC-DC变换器就成为其与负载之间连接的重要纽带.DC-DC变换器是开关电源的一种，较传统线性电源而言，具有功率密度高、效率高的特点.它能通过PWM波控制开关闭合与导通的方式来实现电压稳定输出[2].DC-DC变换器是一种强非线性系统，随着应用场景越来越广泛及应用系统的复杂多变，输入电压波动和负载突化都可能使系统的性能欠佳，因此，经典的PI控制已经难以满足良好的控制需求.近年来智能控制算法不断发展并完善，而模糊控制算法就是基于相关领域专家知识经验的一种智能化控制系统，它能通过一系列的规则设定以模拟人的思维方式来对系统进行相应的控制.模糊控制的优点在于对被控对象的数学模型精确度要求不高，控制过程可使用语言规则来代替精确的数学模型，因而运用灵活.模糊控制还具有良好的动态特性、容错性、鲁棒性，适合解决控制过程中的非线性、强耦合时变、滞后等问题.在模糊控制中加入传统的PI控制方法能消除模糊控制所产生的系统稳定误差，提高系统控制的精度，增加系统稳态控制性能，所以工程上常用模糊控制与PI控制相结合，可以实时检测系统的变化，从而使控制参数自动适应变化后的系统，使控制参数始终处于一个较优的状态.文献[3]采用PI与模糊控制复合控制的方式来对变换器进行控制，当电压误差超过设定阈值时，变换器控制策略就会从PI控制变为模糊控制，虽然超调量和动态响应有所改善但是系统的稳态性能不足.文献[4]把模糊PI控制应用于单闭环DC-DC变换器，虽然输出电压稳定性较好，但是单环控制情况下电感电流易失控.本文在双闭环的基础上加入了模糊与PI控制相结合的控制策略，对Buck变换器进行设计与研究，并验证了其可行性.1Buck变换器双闭环控制设计Buck变换器在结构上分为主拓扑电路和控制回路两大部分，主拓扑电路包括电源（Uin）、开关管（Q1）、二极管（D）、电感（L）、电容（C）及负载（R）.控制回路主要分为电压环、电流环以及脉冲宽度调节器（pulsewidthmodulation，PWM）.Buck变换器在工作的时候，通过PWM波控制开关管的导通与闭合，从而对输入电压进行斩波，通过LC滤波器后输出稳定的电压供给负载.双闭环指的是电压闭环和电流闭环.通过采集负载上的输出电压与给定的电压值进行比较得出误差Ue，再经过电压环PI整定之后输出一个值，这个值再与采集到的电感上的电流值进行比较得出误差Ie，再经过电流环PI整定之后，输出一个电压值u，最后与三角波进行比较最终生成一个PWM波，从而形成一个调节的双闭环系统.常用的有PWM脉冲宽度调制，即PWM的波频率不变，加在开关管上PWM波的占空比会随着调制信号值的变化而变化.本文基于变换器在连续工作模式（continuousconductionmode，CCM）下选择各元器件的参数.考虑到实际应用问题，滤波电感的取值一定要大于临界电感值：[L=（1-d）Uo2fI]，这里取L=50μH，占空比[d=UoUin]，变换器工作频率[f]=100kHz.MOS管通常选取通态电阻小且耐压值是输出电压2～3倍的[Um]，这样可以降低功率开关管的功率损耗....