基于PID控制方式的10A开关电源MATLAB仿真研究报告

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--基于PID控方式的开关电源MATLAB仿真研究学院：电气与光电工程学院专业：电气工程及其自动化班级：一绪Buck变换器最常用的变换器工程上常用的拓扑如正激半桥全桥推挽等也属于Buck-资料

IN-IN

--族，其优点有输出电流纹波小，结构简单，变比可调，实现降压的功能等。然而其输出电压纹波较大，电路系统的抗干扰能力也不强。为了使某个控制对象的输出电压保持恒定，需要引入一个负反馈。就一个实际系统而言，对于负载的突变、输入电压的突升或突降、高频干扰等不同情况，需要系统能够稳、准、快地做出合适的调节，这样就使问题变得复杂了。所以，开关调节系统设计要同时解决稳、准、快、抑制干扰等方面互相矛盾的稳态和动态要求，这就需要一定的技巧，设计出合理的控制器，用控制器来改造控制对象的特性。常用的控制器有比例积分（PI、比例微分（PD）、比例-分-微分（PID）等三种类型。PD控制器可以提供超前的相位，对于提高系统相位裕量、减少调节时间等十分有利，但不利于改善系统的控制精度；PI制器能够保证系统的控制精度，但会引起相位滞后，是以牺牲系统的快速性为代价提高系统的稳定性；PID控制器兼有二者的优点，可以全面提高系统的控制性能，但实现与调试要复杂一些。本次设计就采用PID控制方式。二换主路计图1电2.1技指标

图输入直流电压(V

)：-资料

TL-TL

--输出电压(V

)：；O输出电流(I

N

)：；输出电压纹波(V

)：50mV；rr基准电压(V

)：1.5V；开关频率(fs)100kHz.设计主电路以及校正网络，使满足以上要求。2.2电容参计算输出电压纹波只与电容C和电容等效电阻有关CR

C

VrrL

VrrI

N

500.210

25R趋于常数，约为，此处取C75C可得：C30002.3电感参计算

由基尔霍夫电压定律可知开关管导通关断满足下列方程VLLOLVLLDT假设V0.1L

其中L中串联电阻R0.01I100.10.5250.10.5L11TONf100000

2可得：ON

5.6

OFF

L12.32

（取L13

由matlab仿真，得图，可知当取L13时，电感电流在8.05A-9.85A之间脉动，符-资料

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--合

I

0.22A的要求图2电电流三补网设3.1交流小号模中电路数计占空比

D

V5OV10IN

0.5极点角频率极点频率

0fp0

p0

310105.06805.7Hz

10

/s品质因数

7.6其中

R

V5OVI10N假设：PWM锯波幅值VVM采样电阻C1

k；

3k-资料

233-233

--则采样网络传递函数H

c1

c1R

c

1.31.3

0.3直流增益u0

HVIN

1VM

10.3101.5

23.2采小信号型分析buck变换器原始回路增益函数(s)Gs)T0uo

•

1

1scRcss)Qww0pp0

1

21.510ss5.067.6

2

21.53.91s22.6

s1用matlab出的G(

的波特图：图3原始路伯德图-资料

1-1

--相位裕度：°穿越频率：1.49kHz根据要求相位裕度应达到°-55°穿越频率提升到ff（即10kHz-20kHzss均不满足，需要加入补偿网络使其增大穿越频率和相位裕度，使其快速性和稳定性增加。MATLAB的程序：num=[2];den=[3.91e-82.6e-51];g=tf(num,den);margin(g);3.3PID补偿网络设计为了提高穿越频率设加入补偿后开环传递函数的穿越频率f是开关频率f的十分之一，即f

c

f100kHZ101010

。所以使用PID调节，环节是将偏差的比例（P）、积分（I、微分（D）环节经过线性组合构成控制器。如图：

图4补回路-资料

，ww，w1c0zp22-，ww，w1c0zp22

--PID的传递函数为：(s)0

sw)(1L)wss)wp式中

11RG2，LRCRRC1221假设：期望的相位裕度

52

；穿越频率fc补偿网络零点频率f

z

f

c

1sin1sin

152m152m

补偿网络极点频率f

f

c

11

152msin52m

则：w

z

z

2.14e/

p

p

1.82e5rad/s求PID补偿网络直流增益：G

c0

f1(c)fTp0u0

f101z()f0.812p

3.429

26.3在这里，引入倒置零点的目的是改善开环传递函数的低频特性。但是又不希望因增加了倒置零点而改变开环传递函数的中、高频特性。假设选择的倒置零点的频率为穿越频率的二十分之一，则有fL

fc20

0.5kHZ

;w3.143/sLL那么，在比f大的频率段，增加了倒置零点未改变开环传递函数的特性，穿越频率仍为L10，补偿网络传递函数-资料

Gs5sGs5s2s2.1101.810

--s10(1)(1104scs)104.7106s104s10745MATLAB的程序：num=conv(4.7e6,[12.4e46.7e7]);den=conv(2.1e4,[11.8e50]);g=tf(num,den);margin(g);

3

)图4校正络伯德(PID)3.4加PID补网络后传递函数Gs)C

4.710s2(3.91s210

1046.77s104s5

s

-资料

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--MATLAB的程序：num=[2];den=[3.91e-82.6e-51];g=tf(num,den);num1=conv(4.7e6,[12.4e46.7e7]);den1=conv(2.1e4,[11.8e50]);g1=tf(num1,den1);g2=series(g,g1);margin(g);holdmargin(g1);holdmargin(g2);holdgridon;图5整系统伯德图）相位裕度：°穿越频率：10.1kHz因此可知，经过校正，系统满足了要求指标-资料

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--图6总系图负扰动）采用脉冲控制理想开关的通断，观察系统突加突卸能力（负载扰动）：由于有—100%负载波动20%I

N

2R

b

52

2.52.5//

a

510

0.5则

R

a

0.625图7系统真图（）-资料

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--由于忽略了电容等效电阻，使得输出电压纹波极小，小于，满足要求。系统在突加突卸负载的时候，电压约有0.3V的波动，恢复时间约为μ，效果并不很好。图8总统图电源扰动）观察系统电源突加突卸能力（电源扰动）：图9电源动1（PID）-资料

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--图电源动（PID）四小通过本次开关电源作业设计，使我对开关电源有了更深刻的理解和认识。以Buck变换器为研究对象，掌握了PID补偿网络的应用特点。通过理论的研究和推导设计出了PID控制小信号模型和传递函数，并且具体的设计出了电路的参数，并且对设计的电路进行了仿真。通过这次设计主要取得了如下成果掌握了一定的电力电子建模知识开关变换器的建模知识对PID-资料

-控制在Buck变换器的应用上有了较好的认识；熟练运用Matlab真软件。

--这次的课程设计让我深刻的体会到，仅仅靠学习书上的知识是远远不够的，解决实际的问题，是需要真正理解知识。在考虑问题时候，既然认真计算每个细节，又要考虑整体的可行性，如主电路中电感的取值等等，会间接影响到最后系统的稳定性。如何正确的确定每个参数，是能否达到最优设计的关键在此过程中复习了自控所学的知识对闭环控制有了更直观的了解，同时也意识到自己学的知识还不够扎实，当真正运用于实际问题的时候就出现了困难，理论与实际相结合是非常重要的。除此之外此次课程设计还提高了我查阅资料的能力有些知识并不能在现有书本上找到，需要自己去借阅图书，上网查找其他的学术文章作为参考。也为之后的毕业设计打下了一