Boost电路双闭环控制MATLAB仿真

一、Boost电路电流内环控制MATLAB仿真模型

1.MATLAB仿真模型

1.1.仿真模型图

因为要使用电流内环控制，相比较于开环控制中直接给定MOS开关的占空比，这里通过把电路的平均电流和一电流基准值相比较来控制MOS开关的占空比，因此称为闭环控制。

1.2.器件参数设置

主电路参数设置和上节Bosst电路开环控制模型参数（Boost电路原理及开环仿真-CSDN博客）一致。

1.2.1.PWM波的生成

基本原理图：这里的0.421是我们想要达到的占空比，1和0.421相减之后的数值与三角载波对比，当三角载波大于这个数值的时候输出1（MOS导通），反之输出0（MOS关断）。这样输出的PWM的占空比就是0.421（这个方法基于电路工作在CCM模式下）。如果想要改变占空比，修改0.421这个数值。

三角载波参数：

生成结果：生成占空比为0.421的PWM波。

1.2.2.获取电路的平均电流

基于CCM模式：

由上篇实验结果如下图可知，电感电流IL（MOS管电流和二极管电流同理也可以）的平均值位置是在上升过程和下降过程中的中间位置，对应了PWM波输出1和0的中间位置，根据上文生成PWM波可知，这个位置也对应了三角载波的峰值位置，因此我们可知，当三角波出现峰值的时候，电感电流，即电路的电流就是平均电流，我们就基于这个思想找电路平均电流。

设置电路如下，将三角载波与0.99对比产生SH信号，大致逻辑就是取三角载波峰值的时刻产生一个信号。使用Sample and Hold器件，在SH信号产生的时刻（即三角载波峰值时刻）取IL的数值然后一直输出这个数值（这个时刻IL就是平均电流），直到下次SH信号到来，再取下次SH信号时刻位置对应的IL数值（在实际应用中，想要控制电路的平均电流也可以把IL换成Imo或者Id，同样也能实现功能，并且MOS上测量电流更方便，但是也会有别的问题，可以在网上查阅）。

实验结果

红色为电感电流IL，蓝色是取得平均电流，黄色为SH信号。从图中可知我们在SH信号出现的时候取了电感电流作为平均电流一直输出，最终取得基本就是平均电流。

1.2.3.电流内环控制

我们既然要实现闭环控制，那么占空比肯定不是我们外部输入的，应当是电路自己计算出来的。我们设一个目标平均电流基准值2A，将实际的电路平均电流与目标平均电流相比较得到偏差，通过PI计算出合适得占空比控制MOS导通与关断。

1.3.实验结果

实际平均电流（IL橙色）、目标平均电流（2A黄色）、Sample and Hold取得平均电流（蓝色）。

PWM和电感处电压：

输出电压：大致为350V

当增加目标平均电流为3A时，输出电压明显增大，PWM占空比也增大：

总结：

通过电流内环控制，我们可以改变目标平均电流基准值的大小来闭环改变占空比，再改变输出电压与电路电流，直到电路电流达到基准电流才达到稳态。但是我们的基准电流依旧是外部提供的，下边的电压外环控制就是电路自己计算基准电流。

二、Boost电路电压外环Matlab仿真模型

1. MATLAB仿真模型

1.1.仿真模型图

在上一节中是根据电路的平均电流和一目标平均电流基准做对比来控制输出电压。我们实际要控制的是输出电压，电流只是一个中间值，因此这个目标平均电流基准可以通过电压外环来获得。

1.2.器件参数设置

除了电压外环控制部分，其余的参数设置与上节一致。

将输出电压与目标输出电压基准值作差，计算出输出电压误差值，然后经过PI调节后输出一个目标电流基准值。目标平均电流基准值就是在上节的电流内环中使用的那个基准电流数值。

PI参数如下（随意设定的）

1.3.实验结果

总结：

在添加了电压外环调节之后，稳态后的输出电压趋近于380V.

三、占空比前馈控制原理

Boost电路中的占空比前馈控制是一种常用于电力电子变换器的控制策略，特别是升压（Boost）直流-直流转换器中。该控制方法通过测量输入电压或负载情况，并根据这些输入信号直接计算占空比，从而快速调整输出电压。这种方法可以减少系统对反馈环路的依赖，提高响应速度，并且在输入电压波动较大时具有良好的鲁棒性。

1. 占空比前馈控制的核心思想

前馈控制（Feedforward Control）是一种基于已知或实时测量的输入信号来直接调整控制变量的控制方法。在Boost电路中，前馈控制通过测量输入电压（Vin）和目标输出电压来计算所需的占空比 D，从而维持输出电压稳定，在这个过程中如果没有占空比前馈控制，那么占空比就是从0出发到达稳态后的占空比，耗费时间比较长，如果提前告知稳态后的占空比，电路会基于这个占空比微调，更快速的输出趋于目标输出电压值的输出电压。

2. 占空比前馈控制的优点

快速响应：由于直接根据输入电压计算出占空比，前馈控制可以在输入电压波动时迅速做出调整，而不需要等待反馈回路的响应时间。
抗扰性强：前馈控制能够有效应对输入电压的大幅波动，使系统保持相对稳定的输出电压。
减少反馈环路依赖：通过前馈路径调整占空比，反馈控制环路的负担减轻，系统响应速度更快。

3. 前馈控制与反馈控制的结合

前馈控制可以提供快速响应和良好的扰动抑制能力，但在实际应用中，完全依赖前馈控制并不能保证输出电压始终精确稳定，因为系统中可能存在不确定因素（如负载变化、参数漂移等）。因此，通常会将前馈控制与反馈控制结合起来使用，前馈控制用于快速粗略调整，而反馈控制用于精确的稳态调节。这种组合的控制方式即为“前馈-反馈复合控制”，可以同时实现良好的动态响应和稳态精度。

如下图仿真模型中，在双闭环控制中又添加了前馈控制，提前告知稳态后的占空比。