基于PID控制方式的10A開(kāi)關(guān)電源MATLAB仿真研究

1、基于PID控制方式的10A開(kāi)關(guān)電源MATLAB仿真研究學(xué)院：電氣與光電工程學(xué)院專業(yè)：電氣工程及其自動(dòng)化 班級(jí)：一、緒論Buck變換器最常用的變換器，工程上常用的拓?fù)淙缯?、半橋、全橋、推挽等也屬于Buck族，其優(yōu)點(diǎn)有輸出電流紋波小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，變比可調(diào)，實(shí)現(xiàn)降壓的功能等。然而其輸出電壓紋波較大，buck電路系統(tǒng)的抗干擾能力也不強(qiáng)。為了使某個(gè)控制對(duì)象的輸出電壓保持恒定，需要引入一個(gè)負(fù)反饋。就一個(gè)實(shí)際系統(tǒng)而言，對(duì)于負(fù)載的突變、輸入電壓的突升或突降、高頻干擾等不同情況，需要系統(tǒng)能夠穩(wěn)、準(zhǔn)、快地做出合適的調(diào)節(jié)，這樣就使問(wèn)題變得復(fù)雜了。所以，開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要同時(shí)解決穩(wěn)、準(zhǔn)、快、抑制干擾等方面互相矛盾的穩(wěn)

2、態(tài)和動(dòng)態(tài)要求，這就需要一定的技巧，設(shè)計(jì)出合理的控制器，用控制器來(lái)改造控制對(duì)象的特性。常用的控制器有比例積分（PI）、比例微分（PD）、比例-積分-微分（PID）等三種類型。PD控制器可以提供超前的相位，對(duì)于提高系統(tǒng)的相位裕量、減少調(diào)節(jié)時(shí)間等十分有利，但不利于改善系統(tǒng)的控制精度；PI控制器能夠保證系統(tǒng)的控制精度，但會(huì)引起相位滯后，是以犧牲系統(tǒng)的快速性為代價(jià)提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性；PID控制器兼有二者的優(yōu)點(diǎn)，可以全面提高系統(tǒng)的控制性能，但實(shí)現(xiàn)與調(diào)試要復(fù)雜一些。本次設(shè)計(jì)就采用PID控制方式。二、Buck變換器主電路設(shè)計(jì)圖1 Buck電路2.1技術(shù)指標(biāo)圖輸入直流電壓(VIN)：10V；輸出電壓(VO)：5V

3、；輸出電流(IN)：10A；輸出電壓紋波(Vrr)：50mV；基準(zhǔn)電壓(Vref)：1.5V；開(kāi)關(guān)頻率(fs)：100kHz.設(shè)計(jì)主電路以及校正網(wǎng)絡(luò)，使?jié)M足以上要求。2.2 電容參數(shù)計(jì)算輸出電壓紋波只與電容C和電容等效電阻有關(guān)趨于常數(shù)，約為，此處取可得： 2.3 電感參數(shù)計(jì)算由基爾霍夫電壓定律可知開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通關(guān)斷滿足下列方程假設(shè)： 其中L中串聯(lián)電阻 可得： （取)由matlab仿真，得圖2，可知當(dāng)取時(shí)，電感電流在8.05A-9.85A之間脈動(dòng)，符合的要求圖2 電感電流三、補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)3.1 交流小信號(hào)模型中電路參數(shù)計(jì)算占空比 極點(diǎn)角頻率 極點(diǎn)頻率 品質(zhì)因數(shù) 其中 假設(shè)：PWM鋸齒波幅值采樣電阻；

4、則采樣網(wǎng)絡(luò)傳遞函數(shù)直流增益3.2采用小信號(hào)模型分析buck變換器原始回路增益函數(shù)用matlab畫出的的波特圖：圖3 原始回路伯德圖相位裕度：40.9°穿越頻率：1.49kHz根據(jù)要求相位裕度應(yīng)達(dá)到50°-55°穿越頻率提升到（即10kHz-20kHz）均不滿足，需要加入補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)使其增大穿越頻率和相位裕度，使其快速性和穩(wěn)定性增加。MATLAB的程序： num=2;den=3.91e-8 2.6e-5 1;g=tf(num,den);margin(g);3.3 PID補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)為了提高穿越頻率，設(shè)加入補(bǔ)償后開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)的穿越頻率是開(kāi)關(guān)頻率的十分之一，即。所以使用PI

5、D調(diào)節(jié)，PID環(huán)節(jié)是將偏差的比例（P）、積分（I）、微分（D）環(huán)節(jié)經(jīng)過(guò)線性組合構(gòu)成控制器。如圖：圖4 補(bǔ)償回路PID的傳遞函數(shù)為： 式中，假設(shè)：期望的相位裕度；穿越頻率補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)零點(diǎn)頻率補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)極點(diǎn)頻率則：求PID補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)直流增益：在這里，引入倒置零點(diǎn)的目的是改善開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)的低頻特性。但是又不希望因增加了倒置零點(diǎn)而改變開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)的中、高頻特性。假設(shè)選擇的倒置零點(diǎn)的頻率為穿越頻率的二十分之一，則有 ; 那么，在比大的頻率段，增加了倒置零點(diǎn)未改變開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)的特性，穿越頻率仍為，PID 補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)傳遞函數(shù) MATLAB的程序： num=conv(4.7e6,1 2.4e4 6.7e7); den=

6、conv(2.1e4,1 1.8e5 0); g=tf(num,den); margin(g); 圖4 校正網(wǎng)絡(luò)伯德圖(PID)3.4加PID補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)后的傳遞函數(shù) MATLAB的程序： num= 2; den=3.91e-8 2.6e-5 1; g=tf(num,den); num1=conv(4.7e6,1 2.4e4 6.7e7); den1=conv(2.1e4,1 1.8e5 0); g1=tf(num1,den1); g2=series(g,g1); margin(g);hold on; margin(g1);hold on; margin(g2);hold on; grid on;

7、圖5 整個(gè)系統(tǒng)伯德圖（PID）PD相位裕度：50.1°穿越頻率：10.1kHz因此可知，經(jīng)過(guò)校正，系統(tǒng)滿足了要求指標(biāo)圖6 總系統(tǒng)圖(負(fù)載擾動(dòng)）動(dòng))采用脈沖控制理想開(kāi)關(guān)的通斷，觀察系統(tǒng)突加突卸能力（負(fù)載擾動(dòng)）：由于有20%100%負(fù)載波動(dòng) 則 圖7 系統(tǒng)仿真圖（PID）由于忽略了電容等效電阻，使得輸出電壓紋波極小，小于50mv，滿足要求。系統(tǒng)在突加突卸80%負(fù)載的時(shí)候，電壓約有0.3V的波動(dòng)，恢復(fù)時(shí)間約為200s，效果并不很好。圖8 總系統(tǒng)圖(電源擾動(dòng)）觀察系統(tǒng)電源突加突卸能力（電源擾動(dòng)）：圖9 電源擾動(dòng)1（PID）圖10 電源擾動(dòng)（PID）四、小結(jié)通過(guò)本次開(kāi)關(guān)電源作業(yè)設(shè)計(jì)，使我對(duì)開(kāi)關(guān)

8、電源有了更深刻的理解和認(rèn)識(shí)。以Buck變換器為研究對(duì)象，掌握了PID補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用特點(diǎn)。通過(guò)理論的研究和推導(dǎo)設(shè)計(jì)出了PID控制小信號(hào)模型和傳遞函數(shù)，并且具體的設(shè)計(jì)出了電路的參數(shù)，并且對(duì)設(shè)計(jì)的電路進(jìn)行了仿真。通過(guò)這次設(shè)計(jì)主要取得了如下成果：掌握了一定的電力電子建模知識(shí)、開(kāi)關(guān)變換器的建模知識(shí)；對(duì)PID控制在Buck變換器的應(yīng)用上有了較好的認(rèn)識(shí)；熟練運(yùn)用Matlab仿真軟件。這次的課程設(shè)計(jì)讓我深刻的體會(huì)到，僅僅靠學(xué)習(xí)書上的知識(shí)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，解決實(shí)際的問(wèn)題，是需要真正理解知識(shí)。在考慮問(wèn)題時(shí)候，既然認(rèn)真計(jì)算每個(gè)細(xì)節(jié)，又要考慮整體的可行性，如主電路中電感的取值等等，會(huì)間接影響到最后系統(tǒng)的穩(wěn)定性。如何正確的

9、確定每個(gè)參數(shù)，是能否達(dá)到最優(yōu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。在此過(guò)程中復(fù)習(xí)了自控所學(xué)的知識(shí)，對(duì)閉環(huán)控制有了更直觀的了解，同時(shí)也意識(shí)到自己學(xué)的知識(shí)還不夠扎實(shí)，當(dāng)真正運(yùn)用于實(shí)際問(wèn)題的時(shí)候就出現(xiàn)了困難，理論與實(shí)際相結(jié)合是非常重要的。除此之外，此次課程設(shè)計(jì)還提高了我查閱資料的能力，有些知識(shí)并不能在現(xiàn)有書本上找到，需要自己去借閱圖書，上網(wǎng)查找其他的學(xué)術(shù)文章作為參考。也為之后的畢業(yè)設(shè)計(jì)打下了一定的基礎(chǔ)。參考文獻(xiàn)1王中鮮，趙魁，徐建東.MATLAB建模與仿真應(yīng)用教程M.2版.機(jī)械工業(yè)出版社.20142魏艷君，李向麗，張迪.電力電子電路仿真：MATLAB和PSpice應(yīng)用M.機(jī)械工業(yè)出版社.20123張占松主編 開(kāi)關(guān)電源技術(shù)教程