基于PID控制方式的10A開關(guān)電源MATLAB仿真研究

基于PID控制方式的10A開關(guān)電源MATLAB仿真研究學(xué)院：電氣與光電工程學(xué)院專業(yè)：電氣工程及其自動化班級：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)。為了使某個控制對象的輸出電壓保持恒定，需要引入一個負(fù)反饋。就一個實(shí)際系統(tǒng)而言，對于負(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)，這樣就使問題變得復(fù)雜了。所以，開關(guān)調(diào)節(jié)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要同時解決穩(wěn)、準(zhǔn)、快、抑制干擾等方面互相矛盾的穩(wěn)態(tài)和動態(tài)要求，這就需要一定的技巧，設(shè)計(jì)出合理的控制器，用控制器來改造控制對象的特性。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，對于提高系統(tǒng)的相位裕量、減少調(diào)節(jié)時間等十分有利，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，但會引起相位滯后，是以犧牲系統(tǒng)的快速性為代價提高系統(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1Buck電路圖1Buck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；輸出電流(IN)：10A；輸出電壓紋波(Vrr)：50mV；基準(zhǔn)電壓(Vref)：1.5V；開關(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，電感電流在8.05A-9.85A之間脈動，符合的要求圖2電感電流圖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；則采樣網(wǎng)絡(luò)傳遞函數(shù)直流增益3.2采用小信號模型分析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-82.6e-51];g=tf(num,den);margin(g);3.3PID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)償后開環(huán)傳遞函數(shù)的穿越頻率是開關(guān)頻率的十分之一，即。所以使用PID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)過線性組合構(gòu)成控制器。如圖：圖4補(bǔ)償回路圖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,[12.4e46.7e7]);den=conv(2.1e4,[11.8e50]);g=tf(num,den);margin(g);圖4校正網(wǎng)絡(luò)伯德圖(PID)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-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;圖5整個系統(tǒng)伯德圖（PID）PD圖5整個系統(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）動)圖6總系統(tǒng)圖(負(fù)載擾動）動)采用脈沖控制理想開關(guān)的通斷，觀察系統(tǒng)突加突卸能力（負(fù)載擾動）：由于有20%—100%負(fù)載波動則圖7系統(tǒng)仿真圖（PID）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)載的時候，電壓約有0.3V的波動，恢復(fù)時間約為200μs，效果并不很好。圖8總系統(tǒng)圖(電源擾動）圖8總系統(tǒng)圖(電源擾動）觀察系統(tǒng)電源突加突卸能力（電源擾動）：圖9電源擾動1（PID）圖9電源擾動1（PID）圖10電源擾動（PID）圖10電源擾動（PID）四、小結(jié)通過本次開關(guān)電源作業(yè)設(shè)計(jì)，使我對開關(guān)電源有了更深刻的理解和認(rèn)識。以Buck變換器為研究對象，掌握了PID補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用特點(diǎn)。通過理論的研究和推導(dǎo)設(shè)計(jì)出了PID控制小信號模型和傳遞函數(shù)，并且具體的設(shè)計(jì)出了電路的參數(shù)，并且對設(shè)計(jì)的電路進(jìn)行了仿真。通過這次設(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、開關(guān)變換器的建模知識；對PID控制在Buck變換器的應(yīng)用上有了較好的認(rèn)識；熟練運(yùn)用Matlab仿真軟件。這次的課程設(shè)計(jì)讓我深刻的體會到，僅僅靠學(xué)習(xí)書上的知識是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，解決實(shí)際的問題，是需要真正理解知識。在考慮問題時候，既然認(rèn)真計(jì)算每個細(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，會間接影響到最后系統(tǒng)的穩(wěn)定性。如何正確的確定每個參數(shù)，是能否達(dá)到最優(yōu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。在此過程中復(fù)習(xí)了自控所學(xué)的知識，對閉環(huán)控制有了更直觀的了解，同時也意識到自己學(xué)的知識還不夠扎實(shí)，當(dāng)真正運(yùn)用于實(shí)際問題的時候就出現(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.2014[2]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.2012[3]張占松主編《開關(guān)電源技術(shù)教程》機(jī)械工業(yè)出版社，2012[4]黃忠霖，周向明主編《控制系統(tǒng)MATLAB計(jì)算及仿真實(shí)訓(xùn)》國防工業(yè)出版社[5]陳麗蘭主編《自動控制原理》電子工業(yè)出版社，2006[6]王兆安，黃俊.電力電子技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2002:258～263.[7]張占松，張心益.開關(guān)電源技術(shù)教程：機(jī)械工業(yè)出版社2012.8基于C8051F單片機(jī)直流電動機(jī)反饋控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究基于單片機(jī)的嵌入式Web服務(wù)器的研究MOTOROLA單片機(jī)MC68HC（8）05PV8/A內(nèi)嵌EEPROM的工藝和制程方法及對良率的影響研究基于模糊控制的電阻釬焊單片機(jī)溫度控制系統(tǒng)的研制基于MCS-51系列單片機(jī)的通用控制模塊的研究基于單片機(jī)實(shí)現(xiàn)的供暖系統(tǒng)最佳啟停自校正（STR）調(diào)節(jié)器單片機(jī)控制的二級倒立擺系統(tǒng)的研究基于增強(qiáng)型51系列單片機(jī)的TCP/IP協(xié)議棧的實(shí)現(xiàn)基于單片機(jī)的蓄電池自動監(jiān)測系統(tǒng)基于32位嵌入式單片機(jī)系統(tǒng)的圖像采集與處理技術(shù)的研究基于單片機(jī)的作物營養(yǎng)診斷專家系統(tǒng)的研究基于單片機(jī)的交流伺服電機(jī)運(yùn)動控制系統(tǒng)研究與開發(fā)基于單片機(jī)的泵管內(nèi)壁硬度測試儀的研制基于單片機(jī)的自動找平控制系統(tǒng)研究基于C8051F040單片機(jī)的嵌入式系統(tǒng)開發(fā)基于單片機(jī)的液壓動力系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測儀開發(fā)模糊Smith智能控制方法的研究及其單片機(jī)實(shí)現(xiàn)一種基于單片機(jī)的軸快流CO〈,2〉激光器的手持控制面板的研制基于雙單片機(jī)沖床數(shù)控系統(tǒng)的研究基于CYGNAL單片機(jī)的在線間歇式濁度儀的研制基于單片機(jī)的噴油泵試驗(yàn)臺控制器的研制基于單片機(jī)的軟起動器的研究和設(shè)計(jì)基于單片機(jī)控制的高速快走絲電火花線切割機(jī)床短循環(huán)走絲方式研究基于單片機(jī)的機(jī)電產(chǎn)品控制系統(tǒng)開發(fā)基于PIC單片機(jī)的智能手機(jī)充電器基于單片機(jī)的實(shí)時內(nèi)核設(shè)計(jì)及其應(yīng)用研究基于單片機(jī)的遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究基于單片機(jī)的煙氣二氧化硫濃度檢測儀的研制基于微型光譜儀的單片機(jī)系統(tǒng)單片機(jī)系統(tǒng)軟件構(gòu)件開發(fā)的技術(shù)研究基于單片機(jī)的液體點(diǎn)滴速度自動檢測儀的研制基于單片機(jī)系統(tǒng)的多功能溫度測量儀的研制基于PIC單片機(jī)的電能采集終端的設(shè)計(jì)和應(yīng)用基于單片機(jī)的光纖光柵解調(diào)儀的研制氣壓式線性摩擦焊機(jī)單片機(jī)控制系統(tǒng)的研制基于單片機(jī)的數(shù)字磁通門傳感器基于單片機(jī)的旋轉(zhuǎn)變壓器-數(shù)字轉(zhuǎn)換器的研究基于單片機(jī)的光纖Bragg光柵解調(diào)系統(tǒng)的研究單片機(jī)控制的便攜式多功能乳腺治療儀的研制基于C8051F020單片機(jī)的多生理信號檢測儀基于單片機(jī)的電機(jī)運(yùn)動控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)Pico專用單片機(jī)核的可測性設(shè)計(jì)研究基于MCS-51單片機(jī)的熱量計(jì)基于雙單片機(jī)的智能遙測微型氣象站MCS-51單片機(jī)構(gòu)建機(jī)器人的實(shí)踐研究基于單片機(jī)的輪軌力檢測基于單片機(jī)的GPS定位儀的研究與實(shí)現(xiàn)基于單片機(jī)的電液伺服控制系統(tǒng)用于單片機(jī)系統(tǒng)的MMC卡文件系統(tǒng)研制基于單片機(jī)的時控和計(jì)數(shù)系統(tǒng)性能優(yōu)化的研究基于單片機(jī)和CPLD的粗光柵位移測量系統(tǒng)研究單片機(jī)控制的后備式方波UPS提升高職學(xué)生單片機(jī)應(yīng)用能力的探究基于單片機(jī)控制的自動低頻減載裝置研究基于單片機(jī)控制的水下焊接電源的研究基于單片機(jī)的多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)基于uPSD3234單片機(jī)的氚表面污染測量儀的研制基于單片機(jī)的紅外測油儀的研究96系列單片機(jī)仿真器研究與設(shè)計(jì)基于單片機(jī)的單晶金剛石刀具刃磨設(shè)備的數(shù)控改造基于單片機(jī)的溫度智能控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)基于MSP430單片機(jī)的電梯門機(jī)控制器的研制基于單片機(jī)的氣體測漏儀的研究基于三菱M16C/6N系列單片機(jī)的CAN/USB協(xié)議轉(zhuǎn)換器基于單片機(jī)和DSP的變壓器油色譜在線監(jiān)測技術(shù)研究基于單片機(jī)的膛壁溫度報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)基于AVR單片機(jī)的低壓無功補(bǔ)償控制器的設(shè)計(jì)基于單片機(jī)船舶電力推進(jìn)電機(jī)監(jiān)測系統(tǒng)基于單片機(jī)網(wǎng)絡(luò)的振動信號的采集系統(tǒng)基于單片機(jī)的大容量數(shù)據(jù)存儲技術(shù)的應(yīng)用研究基于單片機(jī)的疊圖機(jī)研究與教學(xué)方法實(shí)踐基于單片機(jī)嵌入式Web服務(wù)器技術(shù)的研究及實(shí)現(xiàn)基于AT89S52單片機(jī)的通用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)基于單片機(jī)的多道脈沖幅度分析儀研究機(jī)器人旋轉(zhuǎn)電弧傳感角焊縫跟蹤單片機(jī)控制系統(tǒng)基于單片機(jī)的控制系統(tǒng)在PLC虛擬教學(xué)實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用研究基于單片機(jī)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)通信研究與應(yīng)用基于PIC16F877單片機(jī)的莫爾斯碼自動譯碼系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究基于單片機(jī)的模糊控制器在工業(yè)電阻爐上的應(yīng)用研究基于雙單片機(jī)沖床數(shù)控系統(tǒng)的研究與開發(fā)基于Cygnal單片機(jī)的μC/OS-Ⅱ的研究基于單片機(jī)的一體化智能差示掃描量熱儀系統(tǒng)研究基于TCP/IP協(xié)議的單片機(jī)與Internet互聯(lián)的研究與實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)速液壓電梯單片機(jī)控制器的研究基于單片機(jī)γ-免疫計(jì)數(shù)器自動換樣功能的研究與實(shí)現(xiàn)基于單片機(jī)的倒立擺控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)單片機(jī)嵌入式以太網(wǎng)防盜報(bào)警系統(tǒng)基于51單片機(jī)的嵌入式Internet系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)單片機(jī)監(jiān)測系統(tǒng)在擠壓機(jī)上的應(yīng)用MSP430單片機(jī)在智能水表系統(tǒng)上的研究與應(yīng)用基于單片機(jī)的嵌入式系統(tǒng)中TCP/IP協(xié)議棧的實(shí)現(xiàn)與應(yīng)用單片機(jī)在高樓恒壓供水系統(tǒng)中的應(yīng)用基于ATmega16單片機(jī)的流量控制器的開發(fā)基于MSP430單片機(jī)的遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)及智能網(wǎng)絡(luò)水表的設(shè)計(jì)基于MSP430單片機(jī)具有數(shù)據(jù)存儲與回放功能的嵌入式電子血壓計(jì)的設(shè)計(jì)基于單片機(jī)的氨分解率檢測系統(tǒng)的研究與開發(fā)鍋爐的單片機(jī)控制系統(tǒng)基于單片機(jī)控制的電磁振動式播種控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)基于單片機(jī)技術(shù)的WDR-01型聚氨酯導(dǎo)熱系數(shù)測試儀的研制一種RISC結(jié)構(gòu)8位單片機(jī)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)基于單片機(jī)的公寓用電智能管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)HYPERLI