plc的buck变换器控制系统设计(附件)【字数：14817】
摘 要摘 要近年来，伴随着电力电子技术的迅速发展，新能源技术的研究与运用也在快速崛起，人们对中小功率电源的需求越来越普遍，其中对DC-DC功率变换器的应用尤为普遍且作用显著。对电源的控制效率、稳压精度、功率密度和响应速率等性能指标的不断提升，使得对开关电源的控制算法的研究和应用迅速成长起来。比如基于模糊 PID 的控制算法和基于模糊神经元的离散型控制算法在电源稳态调节中都有十分显著的应用效果，在许多实际工程应用中，除了要求变换器具有杰出的操作性、适应性和稳定性外，还要求电源输出电压能够快速跟随输入电压的变化而改变输出值，这就要求变换器具有良好的快速跟踪性能。Buck变换器是典型的DC-DC功率变换器之一，但对于简单的 Buck 电路，由于负载和外部电路的干扰作用，输出电压会很不稳定。而因为 Buck 变换器固有的非线性特性，又难以创建精准的数学模型，所以目前工程应用中大多采取 PID 控制器来控制，以闭环反馈控制系统来实现输出电压和输出电流的稳定。常用 PID 控制器具有参数整定困难、跟踪性能差、调试耗时长等缺点，而模糊控制也存在着稳压精度不高的缺点。所以研究自适应算法，通过程序来实现实时改变模糊控制器的参数和控制方案，既可加强模糊控制器的自适应能力，又能进一步提高控制系统的动静态性能和鲁棒特性。可编程逻辑控制器PLC普遍应用于工业生产流程控制。对于一般控制任务，采用常规PID算法的PLC都能够胜任。通过研究发现，经过软件编程的PLC可以输出可调占空比的PWM波，从而实现对Buck变换器输出电压的改变。因此，通过PLC软件编程来调节BUCK变换器的占空比。通过MATLAB建立PID控制下的BUCK变换器控制系统模型，并得到输出电压波形图。仿真结果表明，所设计的BUCK变换器的PLC平台输出的电压响应速度快、稳定性好。关键词:Buck变换器；模糊控制；PID控制；PLC技术
目 录
第一章 绪论 1
1.1 课题背景及研究意义 1
1.2 国内外研究现状 1
1.3 课题主要研究内容 2
1.4 本章小结 3
第二章 Buck变换器的原理 4
2.1 Buck变换器的结构 4
2.2 主电路 4
2.2.1主电路 4
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072$
/> 2.2.2 工作原理 4
2.3 驱动电路 6
2.4 控制电路 7
2.4.1 PWM基本原理 7
2.4.2 PID控制原理 7
2.4.3 模糊控制原理 9
2.4.4 模糊PID控制原理 11
2.5 本章小结 12
第三章 基于MATLAB的BUCK变换器控制系统的仿真设计 13
3.1 仿真软件 13
3.2 搭建仿真模型 14
3.2.1 Buck电路仿真模型 14
3.2.2 PID控制的Buck电路仿真模型 15
3.3本章小结 17
第四章 基于PLC的BUCK变换器控制系统的设计 18
4.1 PLC的产生以及定义 18
4.2 PLC的发展趋势 18
4.3 PLC的特点 19
4.4 PLC的基本结构及工作原理 19
4.4.1 PLC的基本结构 19
4.4.2 PLC的工作原理 21
4.5 程序设计 21
4.5.1 I/O点分配 21
4.5.2 算法流程 22
4.5.3 梯形图 24
4.6 仿真分析 26
4.6.1 Buck电路仿真结果 26
4.6.2 PID控制的Buck电路仿真结果 27
4.7 本章小结 28
结 论 29
致 谢 30
参考文献 31
附 录 32
第一章 绪论
1.1 课题背景及研究意义
Buck变换器具有电路简单、电子器件少、控制简单、调压范围广等优点，普遍应用于微处理器供电的电压模块构架中。但就目前而言，在各种工程中所采用的Buck变换器大多数都是由常规PID控制器控制的，存在着参数整定困难、跟踪性能差、调试耗时长等缺点。而模糊控制由于其控制规则所限，对某些规则的变化不灵敏，使得系统抗干扰的能力加强。它既能够用于对简单被控对象的控制，也可以用于对复杂的控制系统的控制。通过把模糊控制理论与PID控制理论相结合，通过模糊逻辑控制来实现PID控制器控制参数的自动调整，这样既能简化PID控制步骤，又能增强模糊控制的稳定性。
PLC功能强大、应用普遍、适用范围广，不单拥有逻辑控制、定时计数、循环控制、顺序控制、中断返回等功能，还具备A/D、D/A转换、PID控制、网络通信、高级语言编程等功能。通常PLC是通过改变离散并简化后的PID计算公式中的各项参数数值，编写运算回路表来形成PID控制算法。虽然常规PID算法能够胜任一般的控制任务，但是对于控制要求复杂的控制任务却很难实现。通过研究发现，软件实现的PLC模糊控制，能够更好地满足工业实际生产过程中对复杂控制任务的需要。与硬件实现的模糊控制相比，通过软件实现模糊控制具有成本更低廉、适用性更广、结构更紧凑、灵活性更好、可移植性更强等优势。
通过PLC输入端检测电路中的电压、电流、负载和外部干扰，经过PLC模糊控制程序，可以使Buck电路的控制电路转变为PLC控制程序，使Buck电路的控制数字化。这使得Buck电路摆脱硬件的约束，节省成本，具有更广的适用性和更强的可移植性。
1.2 国内外研究现状
1965年，美国的L.A.Zadeh第一次提出了集合论，并且对模糊控制进行了定义，并提出了相关定理，模糊控制理论自此开始迅速发展起来；而在1974年，来自英国的E.H.Mamdani才第一次运用模糊控制语句编写模糊控制系统，第一台模糊控制器由此诞生。这些事件都是模糊控制理论发展史上的里程碑。但是模糊控制获得学术界承认的时间则要从1984年成立的国际模糊系统联合会(IFSA)开始算起。从此以后对于模糊控制的各种国际性探讨研究和交流推广也促进了模糊控制理论的发展。
近年来，国内各家科研机构纷纷对数字控制DCDC变换器进行了系统性的研究。复旦大学申请的国家自然科学基金项目，为针对数字控制DCDC变换器的模糊控制系统算法以及内部电路设计进行系统性研究提供了方便。西南交通大学相关专业的教授也对数字电源及其非线性现象进行了分析和研究。
PLC可编程逻辑控制器是在微处理器的平台上开发出来的一种通用的工业自动控制系统集成装置。它具有可靠性高，编程简单，模块多样，程序易修改，适应性强，使用维护便捷等技术优势。PLC主要执行基本的控制任务，如开关量逻辑控制、循环控制、顺序控制、数据通信及PID控制等。PLC在实际应用中也存在一些不足，比如缺少统一标准，各厂家产品互不兼容，价格高昂等。PLC处于快速的发展中，提高硬件性能，编程语言高级化，增强网络通信能力，进一步分散化、开放化，改善人机界面这些都是PLC的发展方向。此外，基于IEC标准的软PLC也是发展方向之一。
基于工程控制的需要，在将智能控制特别是模糊控制与PLC结合方面，有较为丰富的应用研究。LeeCC曾提出运用计算机离线计算、PLC在线查表来实现模糊控制的设计思路。齐蓉等人针对改善模糊控制器的控制性能，提出了增量式/位置式模糊控制输出算法、带死区的模糊控制算法以及二元三点插值法等针对性算法。
目 录
第一章 绪论 1
1.1 课题背景及研究意义 1
1.2 国内外研究现状 1
1.3 课题主要研究内容 2
1.4 本章小结 3
第二章 Buck变换器的原理 4
2.1 Buck变换器的结构 4
2.2 主电路 4
2.2.1主电路 4
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/> 2.2.2 工作原理 4
2.3 驱动电路 6
2.4 控制电路 7
2.4.1 PWM基本原理 7
2.4.2 PID控制原理 7
2.4.3 模糊控制原理 9
2.4.4 模糊PID控制原理 11
2.5 本章小结 12
第三章 基于MATLAB的BUCK变换器控制系统的仿真设计 13
3.1 仿真软件 13
3.2 搭建仿真模型 14
3.2.1 Buck电路仿真模型 14
3.2.2 PID控制的Buck电路仿真模型 15
3.3本章小结 17
第四章 基于PLC的BUCK变换器控制系统的设计 18
4.1 PLC的产生以及定义 18
4.2 PLC的发展趋势 18
4.3 PLC的特点 19
4.4 PLC的基本结构及工作原理 19
4.4.1 PLC的基本结构 19
4.4.2 PLC的工作原理 21
4.5 程序设计 21
4.5.1 I/O点分配 21
4.5.2 算法流程 22
4.5.3 梯形图 24
4.6 仿真分析 26
4.6.1 Buck电路仿真结果 26
4.6.2 PID控制的Buck电路仿真结果 27
4.7 本章小结 28
结 论 29
致 谢 30
参考文献 31
附 录 32
第一章 绪论
1.1 课题背景及研究意义
Buck变换器具有电路简单、电子器件少、控制简单、调压范围广等优点，普遍应用于微处理器供电的电压模块构架中。但就目前而言，在各种工程中所采用的Buck变换器大多数都是由常规PID控制器控制的，存在着参数整定困难、跟踪性能差、调试耗时长等缺点。而模糊控制由于其控制规则所限，对某些规则的变化不灵敏，使得系统抗干扰的能力加强。它既能够用于对简单被控对象的控制，也可以用于对复杂的控制系统的控制。通过把模糊控制理论与PID控制理论相结合，通过模糊逻辑控制来实现PID控制器控制参数的自动调整，这样既能简化PID控制步骤，又能增强模糊控制的稳定性。
PLC功能强大、应用普遍、适用范围广，不单拥有逻辑控制、定时计数、循环控制、顺序控制、中断返回等功能，还具备A/D、D/A转换、PID控制、网络通信、高级语言编程等功能。通常PLC是通过改变离散并简化后的PID计算公式中的各项参数数值，编写运算回路表来形成PID控制算法。虽然常规PID算法能够胜任一般的控制任务，但是对于控制要求复杂的控制任务却很难实现。通过研究发现，软件实现的PLC模糊控制，能够更好地满足工业实际生产过程中对复杂控制任务的需要。与硬件实现的模糊控制相比，通过软件实现模糊控制具有成本更低廉、适用性更广、结构更紧凑、灵活性更好、可移植性更强等优势。
通过PLC输入端检测电路中的电压、电流、负载和外部干扰，经过PLC模糊控制程序，可以使Buck电路的控制电路转变为PLC控制程序，使Buck电路的控制数字化。这使得Buck电路摆脱硬件的约束，节省成本，具有更广的适用性和更强的可移植性。
1.2 国内外研究现状
1965年，美国的L.A.Zadeh第一次提出了集合论，并且对模糊控制进行了定义，并提出了相关定理，模糊控制理论自此开始迅速发展起来；而在1974年，来自英国的E.H.Mamdani才第一次运用模糊控制语句编写模糊控制系统，第一台模糊控制器由此诞生。这些事件都是模糊控制理论发展史上的里程碑。但是模糊控制获得学术界承认的时间则要从1984年成立的国际模糊系统联合会(IFSA)开始算起。从此以后对于模糊控制的各种国际性探讨研究和交流推广也促进了模糊控制理论的发展。
近年来，国内各家科研机构纷纷对数字控制DCDC变换器进行了系统性的研究。复旦大学申请的国家自然科学基金项目，为针对数字控制DCDC变换器的模糊控制系统算法以及内部电路设计进行系统性研究提供了方便。西南交通大学相关专业的教授也对数字电源及其非线性现象进行了分析和研究。
PLC可编程逻辑控制器是在微处理器的平台上开发出来的一种通用的工业自动控制系统集成装置。它具有可靠性高，编程简单，模块多样，程序易修改，适应性强，使用维护便捷等技术优势。PLC主要执行基本的控制任务，如开关量逻辑控制、循环控制、顺序控制、数据通信及PID控制等。PLC在实际应用中也存在一些不足，比如缺少统一标准，各厂家产品互不兼容，价格高昂等。PLC处于快速的发展中，提高硬件性能，编程语言高级化，增强网络通信能力，进一步分散化、开放化，改善人机界面这些都是PLC的发展方向。此外，基于IEC标准的软PLC也是发展方向之一。
基于工程控制的需要，在将智能控制特别是模糊控制与PLC结合方面，有较为丰富的应用研究。LeeCC曾提出运用计算机离线计算、PLC在线查表来实现模糊控制的设计思路。齐蓉等人针对改善模糊控制器的控制性能，提出了增量式/位置式模糊控制输出算法、带死区的模糊控制算法以及二元三点插值法等针对性算法。
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