PID控制方式的7A开关电源MATLABWord文档下载推荐.docx
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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。
本文主要介绍基于PID控制的Buck电路设计，使其具抗干扰能力，输出电流达到所需的等级，减小其电压纹波，最终提高系统的稳定性。
2基于PID控制的Buck电路主电路设计及参数计算
2.1Buck主电路设计
主电路如图1所示
图1Buck变换器主电路
2.2设计要求
技术指标：
输入直流电压（VIN）：
10V；
输出电压（VO）：
5V；
输出电流（IN）：
7A；
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。
2.3Buck主电路各参数计算
（1）滤波电容参数计算
输出电压纹波只与电容C和电容等效电阻有关：
通常并未直接给出，但趋于常数，约为，此处取可得：
可得：
取
取
（2）滤波电感参数计算
根据基尔霍夫电压定律，可知开关管导通与关断状态下输入电压和输出电压满足下列方程:
（式1）
且有
假设Buck变换器性能要求，假设二极管D的通态压降,电感L中的电阻压降为,开关管S中的导通压降,且有串联电阻值为：
将数据代入式1，可知：
上式/下式可知：
且已知
解得：
导通时间
电感取
占空比
2.3采用参数扫描法，对所设计的主电路进行MATLAB仿真
当，电感电流和输出电压的波形分别如下:
图2电感波形
图3输出电压波形
经过MATLAB仿真可得图2电感电流波形及图3输出电压波形，可知当,电感电流、输出电压足以及输出电压纹波为50mV的要求。
3补偿网络设计
3.1原始回路增益函数
采用小信号模型分析方法可得Buck变换器原始回路增益函数：
假设PWM锯齿波幅值,采样电阻，，由此可得采样网络传
递函数为：
原始回路直流增益：
对数增益：
代入原始回路增益函数可得：
（式a）
极点频率：
零点转折频率：
使用MATLAB画出原始回路增益函数伯德图
程序如下：
num=conv（2,[7.56e-51]）;
den=[3.78e-82.54e-51];
g=tf（num,den）;
margin（g）
图4原始回路增益函数伯德图
由图4所示伯德图易看出：
相位裕度：
41.5°
穿越频率：
根据要求相位裕度应达到50°
--55°
，且有开环传递函数的穿越频率应为开关频率的
1/5--1/10之间,即为10-20kHz。
可见，原始回路增益函数既不满足相位裕度的要求，也不满足穿越频率的要求，所以必须提高其相位裕度、穿越频率。
3.2PID补偿网络设计
PID补偿网络的传递函数：
（式2.2）
加入补偿网络后，开环传递函数的穿越频率有：
------20kHz）
取相位裕度54°
，穿越频率
补偿网络零点频率:
补偿网络极点频率:
补偿网络直流增益：
零点角频率：
极点角频率：
倒置零点角频率：
将上述所计算的参数值代入式2.2，可得补偿网络传递函数为：
解得：
（式b）
使用MATLAB绘制补偿网络传递函数伯德图
num=[1.662e-354.83208992.96];
den=[3.694e-610];
g=tf（num,den）;
margin（g）;
图5PID补偿网络传递函数伯德图
补偿后的Buck变换器整个系统传递函数为：
num=conv（[3.325e-395.04],[14.398e+3]）;
den=conv（[3.78e-82.54e-51],[3.694e-610]）;
图6整个系统经补偿后的伯德图
由图6所示系统伯德图易知：
51.6°
14.1kHz
因此经过校正，系统满足了要求指标。
PID补偿后总的系统伯德图如下：
图7PID补偿后总的系统伯德图
4负载满载运行及突加突卸
4.1负载满载运行时的电路图及其波形仿真
4.1.1负载满载运行时的电路图
图8负载满载运行电路图
4.1.2负载满载运行时的仿真图
图9负载满载运行电流、电压波形图
图10负载满载运行电流、电压波形局部图
4.2负载突加突卸80%时的电路图及其波形仿真
4.2.1负载突加突卸80%运行时的电路图
图11负载突加突卸80%运行时的电路图
4.2.2负载突加突卸80%运行时的仿真图
图12负载突加突卸80%运行时电流、电压波形图
图13负载突加突卸80%运行时电流、电压局部波形图
在负载突加突卸80%时，有:
5电源扰动20%时电路图及仿真图
5.1负载满载运行时的电路图及其波形仿真
5.1.1电源扰动20%运行时的电路图
图14电源扰动20%运行时的电路图
5.1.2电源扰动20%运行时的仿真图
图15电源扰动20%运行时的电流、电压波形图
图16电源扰动20%运行时的电流、电压局部波形图
6作业小结
我想谈谈本次作业的感受与收获：
还记得第一次老师跟我们提及这份作业时，大家都一脸茫然，我的本能反应是，这是什么东西啊，我听都没听过，感觉自己做不到。
一是觉得自己相关学科很薄弱，没有形成一套较为完整的知识体系，如电力电子技术、自动控制原理等知识根本没有掌握的很好；
二是，老师要求我们每个人使用一种控制方法，使用不同软件达到不同的功能，最让人担心的是那些软件在这份作业之前从未接触过，如Psim、Matlab、Multisim等等。
刚开始的我也是完全没有思路，Buck变换器是怎样的工作原理，怎样测电压、测电流，怎样使用Matlab进行编程，怎样用Simulink进行仿真。
依稀记得第一次使用Simulink时，连基本的元器件的位置，画法都不知道，什么示波器、脉冲触发器等等完全搞不清楚。
后来老师给我推荐了以为大神学长，好在一直没有放弃，跟学长请教，从一开始什么都不懂的状态到慢慢构建出主电路图，测出主电路负载的电压、电流波形，渐渐地遇到了很多困难，比如说电流值偏大、电压偏小、响应时间很慢，后来通过一次次的调节参数，最终尽自己的能力解决了那些问题。
此次作业，我的最大体会就是，专业知识的积累是很重要的，在平时的学习过程中应该学会总结，学会积累，学会把学科之间联系起来，形成一套较为完整的学科体系。
同时，在实践过程中，我们会遇到很多问题，在问题前不应该退缩，停滞不前，而应该通过自己一次次的尝试去解决问题，遇到不懂的问题要虚心请教。
最后，我想说的是，这次作业真多让我学到了很多，不止是专业知识，更重要的是遇到问题不能急躁，要耐下心来一步一步反复实践，这样才能成功。
参考文献
[1]王兆安，黄俊.电力电子技术[M].北京：
机械工业出版社，2002:
258～263.
[2]许泽刚，李俊生，郭建江.基于电力电子的虚拟综合实验设计与实践[J].电气电子教学学报.2008
[3]陈丽兰.自动控制原理教程（第二版）：
电子工业出版社2010.8
[4]张占松，张心益.开关电源技术教程：
机械工业出版社2012
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