基于PID控制方式的10A开关电源MATLAB仿真研究

基于PID控制方式的10A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、绪论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，buck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-积分-微分（PID）等三种类型。PD控制器可以提供超前的相位，对于提高系统的相位裕量、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控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、Buck变换器主电路设计图1Buck电路图1Buck电路2.1技术指标图输入直流电压(VIN)：10V；输出电压(VO)：5V；输出电流(IN)：10A；输出电压纹波(Vrr)：50mV；基准电压(Vref)：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电容参数计算输出电压纹波只与电容C和电容等效电阻有关趋于常数，约为，此处取可得： 2.3电感参数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假设：其中L中串联电阻可得：（取)由matlab仿真，得图2，可知当取时，电感电流在8.05A-9.85A之间脉动，符合的要求图2电感电流图2电感电流三、补偿网络设计3.1交流小信号模型中电路参数计算占空比极点角频率极点频率品质因数其中假设：PWM锯齿波幅值采样电阻；则采样网络传递函数直流增益3.2采用小信号模型分析buck变换器原始回路增益函数用matlab画出的的波特图：图3原始回路伯德图图3原始回路伯德图相位裕度：40.9°穿越频率：1.49kHz根据要求相位裕度应达到50°-55°穿越频率提升到（即10kHz-20kHz）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是开关频率的十分之一，即。所以使用PID调节，PID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补偿回路图4补偿回路PID的传递函数为：式中，，，假设：期望的相位裕度；穿越频率补偿网络零点频率补偿网络极点频率则：求PID补偿网络直流增益：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;那么，在比大的频率段，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，PID补偿网络传递函数MATLAB的程序：num=conv(4.7e6,[12.4e46.7e7]);den=conv(2.1e4,[11.8e50]);g=tf(num,den);margin(g);图4校正网络伯德图(PID)图4校正网络伯德图(PID)3.4加PID补偿网络后的传递函数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);holdon;margin(g1);holdon;margin(g2);holdon;gridon;图5整个系统伯德图（PID）PD图5整个系统伯德图（PID）PD相位裕度：50.1°穿越频率：10.1kHz因此可知，经过校正，系统满足了要求指标图6总系统图(负载扰动）动)图6总系统图(负载扰动）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20%—100%负载波动则图7系统仿真图（PID）图7系统仿真图（PID）由于忽略了电容等效电阻，使得输出电压纹波极小，小于50mv，满足要求。系统在突加突卸80%负载的时候，电压约有0.3V的波动，恢复时间约为200μs，效果并不很好。图8总系统图(电源扰动）图8总系统图(电源扰动）观察系统电源突加突卸能力（电源扰动）：图9电源扰动1（PID）图9电源扰动1（PID）图10电源扰动（PID）图10电源扰动（PID）四、小结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控制在Buck变换器的应用上有了较好的认识；熟练运用Matlab仿真软件。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定的基础。参考文献[1]王中鲜，赵魁，徐建东.MATLAB建模与仿真应用教程[M].2版.机械工业出版社.2014[2]魏艳君，李向丽，张迪.电力电子电路仿真：MATLAB和PSpice应用[M].机械工业出版社.2012[3]张占松主编《开关电源技术教程》机械工业出版社，2012[4]黄忠霖，周向明主编《控制系统MATLAB计算及仿真实训》国防工业出版社[5]陈丽兰主编《自动控制原理》电子工业出版社，2006[6]王兆安，黄俊.电力电子技术[M].北京：机械工业出版社，2002:258～263.[7]张占松，张心益.开关电源技术教程：机械工业出版社2012.8基于C8051F单片机直流电动机反馈控制系统的设计与研究基于单片机的嵌入式Web服务器的研究MOTOROLA单片机MC68HC（8）05PV8/A内嵌EEPROM的工艺和制程方法及对良率的影响研究基于模糊控制的电阻钎焊单片机温度控制系统的研制基于MCS-51系列单片机的通用控制模块的研究基于单片机实现的供暖系统最佳启停自校正（STR）调节器单片机控制的二级倒立摆系统的研究基于增强型51系列单片机的TCP/IP协议栈的实现基于单片机的蓄电池自动监测系统基于32位嵌入式单片机系统的图像采集与处理技术的研究基于单片机的作物营养诊断专家系统的研究基于单片机的交流伺服电机运动控制系统研究与开发基于单片机的泵管内壁硬度测试仪的研制基于单片机的自动找平控制系统研究基于C8051F040单片机的嵌入式系统开发基于单片机的液压动力系统状态监测仪开发模糊Smith智能控制方法的研究及其单片机实现一种基于单片机的轴快流CO〈,2〉激光器的手持控制面板的研制基于双单片机冲床数控系统的研究基于CYGNAL单片机的在线间歇式浊度仪的研制基于单片机的喷油泵试验台控制器的研制基于单片机的软起动器的研究和设计基于单片机控制的高速快走丝电火花线切割机床短循环走丝方式研究基于单片机的机电产品控制系统开发基于PIC单片机的智能手机充电器基于单片机的实时内核设计及其应用研究基于单片机的远程抄表系统的设计与研究基于单片机的烟气二氧化硫浓度检测仪的研制基于微型光谱仪的单片机系统单片机系统软件构件开发的技术研究基于单片机的液体点滴速度自动检测仪的研制基于单片机系统的多功能温度测量仪的研制基于PIC单片机的电能采集终端的设计和应用基于单片机的光纤光栅解调仪的研制气压式线性摩擦焊机单片机控制系统的研制基于单片机的数字磁通门传感器基于单片机的旋转变压器-数字转换器的研究基于单片机的光纤Bragg光栅解调系统的研究单片机控制的便携式多功能乳腺治疗仪的研制基于C8051F020单片机的多生理信号检测仪基于单片机的电机运动控制系统设计Pico专用单片机核的可测性设计研究基于MCS-51单片机的热量计基于双单片机的智能遥测微型气象站MCS-51单片机构建机器人的实践研究基于单片机的轮轨力检测基于单片机的GPS定位仪的研究与实现基于单片机的电液伺服控制系统用于单片机系统的MMC卡文件系统研制基于单片机的时控和计数系统性能优化的研究基于单片机和CPLD的粗光栅位移测量系统研究单片机控制的后备式方波UPS提升高职学生单片机应用能力的探究基于单片机控制的自动低频减载装置研究基于单片机控制的水下焊接电源的研究基于单片机的多通道数据采集系统基于uPSD3234单片机的氚表面污染测量仪的研制基于单片机的红外测油仪的研究96系列单片机仿真器研究与设计基于单片机的单晶金刚石刀具刃磨设备的数控改造基于单片机的温度智能控制系统的设计与实现基于MSP430单片机的电梯门机控制器的研制基于单片机的气体测漏仪的研究基于三菱M16C/6N系列单片机的CAN/USB协议转换器基于单片机和DSP的变压器油色谱在线监测技术研究基于单片机的膛壁温度报警系统设计基于AVR单片机的低压无功补偿控制器的设计基于单片机船舶电力推进电机监测系统基于单片机网络的振动信号的采集系统基于单片机的大容量数据存储技术的应用研究基于单片机的叠图机研究与教学方法实践基于单片机嵌入式Web服务器技术的研究及实现基于AT89S52单片机的通用数据采集系统基于单片机的多道脉冲幅度分析仪研究机器人旋转电弧传感角焊缝跟踪单片机控制系统基于单片机的控制系统在PLC虚拟教学实验中的应用研究基于单片机系统的网络通信研究与应用基于PIC16F877单片机的莫尔斯码自动译码系统设计与研究基于单片机的模糊控制器在工业电阻炉上的应用研究基于双单片机冲床数控系统的研究与开发基于Cygnal单片机的μC/OS-Ⅱ的研究基于单片机的一体化智能差示扫描量热仪系统研究基于TCP/IP协议的单片机与Internet互联的研究与实现变频调速液压电梯单片机控制器的研究基于单片机γ-免疫计数器自动换样功能的研究与实现基于单片机的倒立摆控制系统设计与实现单片机嵌入式以太网防盗报警系统基于51单片机的嵌入式Internet系统的设计与实现单片机监测系统在挤压机上的应用MSP430单片机在智能水表系统上的研究与应用基于单片机的嵌入式系统中TCP/IP协议栈的实现与应用单片机在高楼恒压供水系统中的应用基于ATmega16单片机的流量控制器的开发基于MSP430单片机的远程抄表系统及智能网络水表的设计基于MSP430单片机具有数据存储与回放功能的嵌入式电子血压计的设计基于单片机的氨分解率检测系统的研究与开发锅炉的单片机控制系统基于单片机控制的电磁振动式播种控制系统的设计基于单片机技术的WDR-01型聚氨酯导热系数测试仪的研制一种RISC结构8位单片机的设计与实现基于单片机的公寓用电智能管理系统设计HYPERLI