模糊自适应PID控制的移相全桥变换器设计与仿真

赵文春　王博　刘胜道　郑云波

摘 要： 针对普通PID控制难以应付移相全桥DC/DC变换器时变非线性的不足，提出采用模糊自适应PID控制的方法。该方法基于误差信号，对应模糊控制规则得出PID参数的实时修改量，对复杂系统具有一定的自适应性。利用Matlab/Simulink工具箱进行了普通PID控制和模糊自适应PID控制的系统建模，并对输入电压和负载突变情况进行了仿真。仿真结果验证了系统的可行性，通过对比表明模糊自适应PID控制在启动、负载突变等情况下动、静态性能均优于普通PID控制，提高了系统性能。

关键词： 移相全桥； DC/DC变换器； PID控制； 模糊控制

中图分类号： TN710?34； TP273+.4 文献标识码： A 文章编号： 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

开关电源是利用现代电力电子技术，通过对开关管开关时间的控制，维持稳定输出的一种电源。因其具有小型、轻量和高效率的优点，已被广泛应用在航空、航天、铁路、通信、工业仪器仪表等领域。开关电源是一个时变非线性系统，在实际应用中难以建立精确的数学模型，PID控制通常进行近似化处理，因此难以应付电源输入突变、负载突变等复杂情况，控制效果差强人意。模糊控制针对系统参数的摄动具有较好的鲁棒性，能适应对象时变非线性的特点，但是它控制较为粗糙，同时缺少积分作用，尤其在系统平衡点附近控制精度难以让人满意，因而把两者结合起来成为必然趋势。

移相控制ZVS PWM DC/DC全桥变换器电路结构简洁，可实现高功率变换，同时逆变桥开关管的电压和电流应力也得到了有效降低。逆变桥开关管采用PWM 移相控制，结合软开关技术，利用电感和电容的谐振可以实现恒定频率的零电压开关，从而降低开关损耗，提高电源效率，解决了硬开关的开关损耗大、开关噪声大等问题，并且可以通过控制移相角改变开关管导通占空比，从而方便地调节输出电压大小。

移相全桥电路结构简单，和硬开关全桥电路相比仅仅增加了一个谐振电感。控制独特、开关损耗功率小、能够应用于高频大功率等场合，开展对该变换器智能控制的研究具有现实意义。而目前国内已有文献介绍相关内容，文献[1]针对Buck电路小信号模型建立的传递函数进行了研究，文献[2]依据倍流整流移相全桥的小信号模型进行了模糊PID仿真研究。但目前研究只是笼统依据其变换器的小信号模型进行研究，未具体针对变换器的实际仿真模型展开研究，失去了模糊控制本身不需要精确数学模型也能实现较好控制效果的优势，实践指导意义有限。为此，本文利用Matlab/Simulink对移相全桥ZVS进行了系统建模，控制方式分别采用PID控制与模糊自适应PID，并进行了性能比较。

1 移相全桥ZVS变换器主电路结构

移相全桥ZVS全桥变换器主电路拓扑结构如图1所示。由超前桥臂（开关管Q1和Q2）和滞后桥臂（开关管Q3和Q4）组成逆变桥，开关管两边分别并联谐振电容（或漏源极电容）和反并联二极管（或开关管的体二极管），[R]为模拟电路中线路实际损耗的电阻，[Lr]是谐振电感（包括串联电感和变压器原边漏感），T是高频变压器。副边采用全波整流，[D1]和[D2]是输出整流二极管，[Lf]和[Cf]组成了输出滤波电路。超前桥臂超前滞后桥臂一个相位，即移相角。通过将输出滤波电容的电压采样信号与系统设置的输出滤波电容的指令电压进行比较，得到误差信号，经过模糊控制器进行 PID 调节，动态地调节这个移相角来改变开关管的导通时间，从而调节输出电压。

2 模糊自适应PID控制器的设计

模糊控制器选择基于误差信号的两输入、三输出结构。以输出电压参考值与实际值的误差[E]及其变化率[EC]为输入，PID控制器参数调整量[ΔKp，][ΔKi，][ΔKd]为输出。将初始设定的PID参数与模糊控制器输出的PID调整信号进行计算，得到实时的PID参数，以更好地适应系统变化，实现较好的系统静、动态性能。endprint

2.1 常规PID控制初始参数确定

在Matlab中构建了电压环反馈的仿真模型，依据传统的PID经验调节按以下步骤进行参数整定。

2.1.1 确定初始比例系数[Kp0]

确定初始比例系数[Kp0]时，首先取消积分、微分项，将PID设定为纯比例调节。允许最大值的60%设定为系统的输入，增大比例系数不断调试系统至出现振荡，再减小至振荡消失，设定模糊自适应PID控制的初始比例系数[Kp0]为当前值的0.6～0.7倍。

2.1.2 确定初始积分系数[Ki0]

初始比例系数确定后，微分项设置为0，给积分时间常数设置一个较大的初值，逐渐减小再逐渐增大，使系统出现振荡再逐渐消失，设定初始积分常数为当前值的1.6～1.8倍，可得初始积分系数。

分别在系统空载和带载的情况下进行联调，观察静、动态指标是否符合系统要求，适当增加微分项，确定初始微分系数[Kd0，]再对PID参数进行适当调整以满足性能指标。结合仿真过程，PID参数最后设定为[Kp0]=0.2，[Ki0]=17.9，[Kd0]=1.5e-5。

2.2 模糊控制器输入输出接口设计

2.3 模糊变量隶属函数确定

隶属函数的选择没有固定的规则和模式，对控制效果的影响远没有论域上各[F]子集分布和相邻子集隶属函数重叠交叉情况等影响大。本文采用三角形隶属函数，输入输出隶属函数分布曲线如图2所示。

从图7可以看出，传统PID控制的输出电压在24.1～31.3 V之间波动，恢复时间为0.25 s；突变时模糊自适应PID控制系统输出电压波形最大值为27.9 V，恢复时间约为0.12 s，调节过程平滑且无波动。

4 结 论

本文介绍了模糊自适应PID控制系统的设计过程，对普通PID控制和模糊自适应PID控制进行了系统建模，并对系统启动和负载突变等情况进行了仿真对比，结果验证了设计的正确性，表明模糊自适应PID控制下的系统超调量小，调节时间短，遇到扰动后动态降落和恢复时间小，调节过程平滑的特点，具有更好的静、动态性能，更能适合高性能要求的场合。

注：本文的通讯作者为王博。

参考文献

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