BOOST变换器建模及其非线性控制方法

BOOST变换器建模及其非线性控制 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 淮阴工学院毕业设计说明 书 关于书的成语关于读书的排比句社区图书漂流公约怎么写关于读书的小报汉书pdf (论文) 第 1 页 共 25 页 目 录 1 绪论 ...................................................................................................................................................... 2 1.1 开关电源概述 .................................................................................................................................. 2 1.2 开关电源的技术追求 ...................................................................................................................... 2 1.3 DC,DC变换器的概述 ..................................................................................................................... 3 1.4 BOOST型DC/DC变换器的应用范围 ............................................................................................... 4 1.5 DC,DC变换器的研究现状 ............................................................................................................. 4 2 BOOST变换器的建模 ........................................................................................................................... 7 2.1 建模工具介绍 .................................................................................................................................. 7 2.1.1 MATLAB环境 ................................................................................................................................. 7 2.1.2 MATLAB语言简介 ......................................................................................................................... 9 2.1.3 MATLAB的主要功能 ................................................................................................................... 10 2.2 BOOST变换器的工作原理 ............................................................................................................. 10 10 2.2.1 线路组成 .................................................................................................................................... 2.2.2 工作原理 ..................................................................................................................................... 11 2.3 基于Matlab的Boost变换器状态空间建模 .............................................................................. 12 2.3.1 CCM模式下Boost变换器状态空间建模 ............................................................................... 12 2.4 DCM模式下Boost变换器状态空间建模 ..................................................................................... 14 3 基于线性控制方法设计Boost变换器控制器 ................................................................................ 15 3.1 PID控制理论 ................................................................................................................................. 15 3.2 PID参数整定方法 ......................................................................................................................... 16 3.2.1 Ziegler-Nichols设定方法 ..................................................................................................... 16 3.2.2 临界灵敏度法 ............................................................................................................................ 16 3.3 PI控制器的设计 ........................................................................................................................... 17 4 系统仿真研究 .................................................................................................................................... 19 5. BOOST变换器硬件仿真 ................................................................................................................... 20 结 论 ...................................................................................................................................................... 23 致 谢 ...................................................................................................................................................... 24 参 考 文 献 ............................................................................................................................................ 25 淮阴工学院毕业设计说明书(论文) 第 2 页 共 25 页 1 绪论 1.1 开关电源概述 开关电源被称为高效节能型电源，它是稳压电源的主流产品。在20世纪70年代研制出的脉宽调制器集成电路，仅对开关电源中的控制电路实现了集成化;80年代问 [1]世了单片开关稳压器。 稳压电源是各种电子的动力源，被人称为电路的心脏，所有用电设备，包括电子仪器仪表，家用电器。等对供电电压都有一定的要求。至于精密的电子仪器，对供电电压的要求更为严格。 目前，随着单片开关电源集成电源的应用，开关电源正朝着短、小、轻、薄的方向发展。单片开关电源自20世纪90年代中期问世以来就显示出来它强大的生命力， [2]它作为一项颇具发展和影响力的新产品，引起了国内外电源界的广泛重视。特别是最近两年来，国外一些著名的芯片厂家又竞相推出了一大批单片开关电源集成电路，更为新型开关电源的推广及奠定了良好的基础。单片开关电源具有高性价化、集成度高、最佳性能等指标、最简外围电路，现已成为开发中小功率开关电源、精密开关电 [3]源及电源模块的优选集成电路。 1.2 开关电源的技术追求 小型化、薄型化、轻量化、高频化:开关电源的体积、重量主要是由储能元件(磁性元件和电容)决定的，因此开关电源的小型化实质上就是尽可能减小储能元件的体积。在一定范围内，开关频率的提高，不仅能有效地减小电容、电感和变压器的尺寸， [3]而且还能抑制干扰，改善系统的动态性能。因此高频化是开关电源的主要发展方向。 高可能性:开关电源使用的元器件比连续工作电源少数十倍，因此提高了可靠性。从寿命角度出发，电解电容、光电偶合器及排风扇等器件的寿命决定着电源的寿命。所以要从设计方面着眼，尽可能使用较少的器件，提高集成度。这样不但解决了电路复杂、可靠性差的问题，也增加了保护等功能，简化了电路，提高了平均无故障时间。 低噪声:开关电源的缺点之一是噪声大。单纯地追求高频化，噪声也会增大。采用部分谐振转换技术，在原理上既可以提高频率又可以降低噪声。所以，尽可能地降低噪声影响是开关电源的有一发展方向。 采用计算机辅助设计与控制:采用CAA和CDD技术设计最新变换拓扑和最佳参 淮阴工学院毕业设计说明书(论文) 第 3 页 共 25 页 数，使开关电源具有最简结构和最佳工况。在电路中引人微机检测和控制，可构成多功能监控系统，可以实施检测、记录并自动报警等。 1.3 DC,DC变换器的概述 DC/DC变换器属于功率电子学的研究范畴，涉及到电力电子和控制理论等学科， [4]从七十年代初发展至今，有关这类变换器的理论 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 和应用研究得到了极大的发展。 在电子设备领域中，通常将整流器称为一次电源，而将DC/DC变换器称为二次电源。一次电源的作用是将单相或三相交流电网变换成直流电压。而二次电源的作用是将频率，振幅不可调的直流电压转换为频率，振幅均可调的直流电压。通过这一过程可以有效地提高输出电能的功率因数，故DC/DC变换器又被称为功率因数变换器 [5](PFC)。 传统的开关电源，一般是基于PI控制方法设计，利用DC/DC变换的小信号模型，然而研究表明，因为DC/DC变换器本质是非线性的，因此基于小信号模型设计出来 [6]的控制器，不能保证系统在输入和负载大范围变化下的稳定性。由于这些问题的存在，研究人员不断寻找更为有效的控制策略。 目前，对于DC/DC变换器的智能控制方法的研究工作已进行了很多，现在大都采用状态反馈的方法，如基于双线性大信号模型的状念反馈控制器、带非线性前馈的线性二次型调节器、带参数辨识的自适应状态反馈控制器、滑模变结构控制、基于输入输出线性化的自适应控制器等，都取得了不错的控制效果。同时又有一部分采用了新的智能控制方法，所有这一切都使DC/DC变换器的控制研究进入了一个崭新的阶[7]段。 一般说来，比较常用的是传统模糊模型用语言描述和规则的形式来直接表达操作人员、设计者和研究人员的直觉和经验，不需要精确的数学建模。系统模糊模型大致可以分两类，即I型模糊模型和II型模糊模型。前者是指模糊规则的结论部分是一个模糊集合的模糊模型，后者是指模糊规则的结论部分是一个与输入变量有关的函数，T-S模糊模，弘是其常用形式。模糊控制算法的主要缺点是缺乏分析和设计控制系统的系统方法以及在选择隶属度函数的形状、重叠度和量化水平时缺少明确的判据。因 [8]此对于这方面的研究和改进有很广泛的应用前景和研究潜力。 淮阴工学院毕业设计说明书(论文) 第 4 页 共 25 页 1.4 BOOST型DC/DC变换器的应用范围 DC/DC变换器将一个固定的直流电压变换为可变的直流电压,这种技术被广泛应用于无轨电车、地铁、列车、电动车的无级变速和控制，同时使上述控制具有加速平稳、快速响应的性能,并同时收到节约电能的效果。用直流斩波器代替变阻器可节约20,,30,的电能。直流斩波器不仅能起到调压的作用(开关电源),同时还能起到 [6]有效抑制电网侧谐波电流噪声的作用。 DC/DC变换器是一种能高效地实现直流到直流功率变换的混合集成功率器件，主要采用了高频功率变换技术，即将直流电压通过功率开关器件变换成高频开关电压，且输入与输出之间完全隔离。该产品主要应用于航空、航天、通信、雷达、以及 [9]其他所有采用分布式供电体系的领域。其主要发展方向是:采用多芯片组件技术和 3新型高导热基板(如AIN金刚石和金属等)，进一步提高功率密度(3W/cm以上)和输出功率(达200W以上)，工作频率达1MHZ，效率为90%以上，实现多路智能化混合集成DC/DC变换器组件。 变换器广泛应用于远程及数据通讯、计算机、办公自动化设备、工业仪器仪表、军事、航天等领域，涉及到国民经济的各行各业。按额定功率的大小来划分，DC/DC可分为750W以上、750W,1W和1W以下3大类。进入20世纪90年代，DC/DC变换器在低功率范围内的增长率大幅度提高，其中6W,25WDC/DC变换器的增长率最高，这是因为它们大量用于直流测量和测试设备、计算机显示系统、计算机和军事通讯系统。由于微处理器的高速化，DC/DC变换器由低功率向中功率方向发展是必然的趋势，所以251W,750W的DC/DC变换器的增长率也是较快的，这主要是它用于服务性的医疗和实验设备、工业控制设备、远程通讯设备、多路通信及发送设备， [6]DC/DC变换器在远程和数字通讯领域有着广阔的应用前景。 1.5 DC,DC变换器的研究现状 对于功率电子学，目前的发展状况是理论的研究赶不上实用技术的发展。目前各国的研究主要集中在DC/DC开关变换器的拓扑结构，闭环控制，系统建模，开关器件的应用，软开关技术，如何减小设备的体积和重量以及测试、电磁兼容、于扰抑制 [2]等方面。但是，目前在DC/DC开关变换器的建模及其控制等方面仍未建立通用的成套方法，尤其是现有的一些理论具有较明显的局限性。 淮阴工学院毕业设计说明书(论文) 第 5 页 共 25 页 在DC/DC开关变换器的各种建模方法中，比较常用的是状态空间平均法，小信号建模法，大信号建模法。其中，状态空间平均法是从DC/DC开关变换器工作的各个子拓扑的状态方程出发，通过对时间进行加权平均处理而得到一个关于原电路统一的状态方程，再经小信号扰动和线性化处理，得到一个统一的等效电路模型。然而该模型与原电路拓扑相去甚远，不易理解，且连续和断续导通两种模式的等效电路也不相同。此外状态空间平均法要求开关频率远大于电路的自然频率，若两者频率接近，则该方法失效。在状态空间平均模型的基础上，蔡宣三等人推导出DC/DC开关变换 [5]器统一的大信号等效电路，分析变换器的工作特点并进行数值仿真计算。 在DC/DC变换器的控制中，现在大都采用状态反馈的方法，如基于双线性大信号模型的状态反馈控制器、带非线性前馈的线性二次型调节器、带参数辨识的自适应状态反馈控制器、滑模变结构控制、基于输入输出线性化的自适应控制器等，都取得了不错的控制效果。同时又有一部分采用了新的智能控制方法，所有这一切都使DC,DC变换器的控制研究进入了一个崭新的阶段。 智能控制是自动控制发展的高级阶段，是控制论、系统论、信息论和人工智能等多种学科交叉和综合的产物，为解决那些用传统方法难以解决的复杂系统的控制提供了有效的理论和方法。自从付京孙教授1965年最早提出来智能控制的概念以来，智能控制理论和技术得到了很大的发展，相继出现了人工神经网络控制、模糊控制、专家控制和遗传算法控制等多个较为成熟的控制方法，并在许多领域得到广泛的应用。 自1892年Lyapunov建立了稳定性的概念理论|以及20世纪20年代Black，Nyquist，Bode关于反馈放大器的研究奠定了自动控制理论的基础，传统控制得到了巨大的发展和应用，但传统控制也具有明显的局限性，特别是处理高度非线性和复杂系统、处理对象的不确定性和复杂性的效果很差，在自适应性和鲁棒性方面存在难以弥补的严重缺陷，应用的有效性受到很大的限制。传统控制缺乏和难于实现通过自学习、自适应、自组织等方法来调整控制策略和行动，自学习、自适应、自组织功能和容错能力较弱，它将整个系统置于固定的控制算法和模型框架下，灵活性和应变能力较差。智能控制和传统控制在应用领域、控制方法、知识获取和加工、系统描述、性能考核及执行等方面存在明显的不同，主要表现在: 1. 智能控制主要解决高度非线性、强不确定性和复杂系统控制问题，而传统控 [8]制则着重解决单机自动化、不太复杂的过程控制和大系统的控制问题; 2. 在知识获取方面，传统控制通常是通过各种 定理 三点共线定理勾股定理的证明证明勾股定理共线定理面面垂直的性质定理 、定律来获取精确知识，而 淮阴工学院毕业设计说明书(论文) 第 6 页 共 25 页 智能控制通常是通过直觉、学习和经验来获取和积累知识，这种知识通常是非精确知识; 3. 在系统描述上传统控制通常是用基于运动学方程、动力学方程和传递函数等数学模型来描述系统，而智能控制系统则是通过经验、规则用符号来描述; 4. 在系统分析研究设计和信息处理方法上，传统控制理论通常应用时域法、频域法、根轨迹法、状态空间法等定量方法进行处理，而智能控制系统多采用学习训练、 [9]逻辑推理、判断、决策等符号加工的方法; 5. 在执行和性能指标方面，传统控制有稳态和动态等严格的性能指标，智能控制无统一的性能指标，而注意目的和行为的达到。 淮阴工学院毕业设计说明书(论文) 第 7 页 共 25 页 2 BOOST变换器的建模 2.1 建模工具介绍 2.1.1 MATLAB环境 MATLAB的发展历程和介绍 MATLAB软件是由美国Math works公司推出的用于数值计算和图形处理的科学计算系统环境。MATLAB是英文Matrix Laboratory(短阵实验室)的缩写。它的第1版(DOS版本1.0)发行于1984年，经过10余年的不断改进，现今已推出它的Windows 98/NT版本(6.1版)。新的版本集中了日常数学处理中的各种功能，包括高效的数值计算、矩阵运算、信号处理和图形生成等功能。在MATLAB环境下，用户可以集成地进行程序设计、数值计算、图形绘制、输入输出、文件管理 [11]等各项操作。 MATLAB提供了一个人机交互的数学系统环境，该系统的基本数据结构是矩阵，在生成矩阵对象时，不要求作明确的维数说明。与利用c语言或Fortran语言作数值计算的程序设计相比，利用MATLAB可以节省大量的编程时间。在美国的一些大学里，MATLAB正在成为对数值线性代数以及其他一些高等应用数学课程进行辅助教学的有益工具。在工程技术界，MATLAB也被用来解决一些实际课题和数学模型问题。典型的应用包括数值计算、算法设计与验证，以及一些特殊的短阵计算应用，如自动控制理论、统计、数字信号处理(时间序列分拆)等。 MATLAB系统最初是由Ceve Moler用FORTRAN语言设计的，有关短阵的算法来自LINPACK和ElsPACK课题的研究成果;现在的MATLAB程序是Math Works公司用C语言开发的，第一版由steve Bangert主持开发编译解释程序，Steve Kleiman完成图形功能的设计，John Little和Cleve Moler主持开发了各类数学分分析的子模块，撰写用户指南和大部分的M文件。自从第1版发行以来，已有众多的科技工作者加入到MATLAB的开发队伍中，并为形成今天约MATLAB系统做出了巨大的贡献。 MATLAB以商品形式出现后，仅短短几年，就以其良好的开放性和运行的可靠性，使原先控制领域里的封闭式软件包(如英国的UMIST，瑞典的LUND和SIMNON，德国的KEDDC)纷纷淘汰，而改以MATLAB为平台加以重建。在时间进入20世纪九十年代的时候，MATLAB已经成为国际控制界公认的标准计算软件。 到九十年代初期，在国际上30几个数学类科技应用软件中，MATLAB在数值计算方面独占鳌头， 淮阴工学院毕业设计说明书(论文) 第 8 页 共 25 页 而Mathematical和Maple则分居符号计算软件的前两名。MathCAD因其提供计算、图形、文字处理的统一环境而深受中学生欢迎。Math Works公司于2001年推出MATLAB6.0版本，6.x版在继承和发展其原有的数值计算和图形可视能力的同时，出现了以下几个重要变化: 1. 推出了SIMULINK。这是一个交互式操作的动态系统建模、仿真、分析集成环境。它的出现使人们有可能考虑许多以前不得不做简化假设的非线性因素、随机因素，从而大大提高了人们对非线性、随机动态系统的认知能力。 2. 开发了与外部进行直接数据交换的组件，打通了MATLAB进行实时数据分析、处理和硬件开发的道路。 3. 推出了符号计算工具包。1993年Math Works公司从加拿大滑铁卢大学购得Maple的使用权，以Maple为“引擎”开发了Symbolic Math Toolbox 1.0。Math Works公司此举加快结束了国际上数值计算、符号计算孰优孰劣的长期争论，促成了两种计算的互补发展新时代。 4( 构造了Notebook。Math Works公司瞄准应用范围最广的Word，运用DDE和OLE，实现了MATLAB与Word的无缝连接，从而为专业科技工作者创造了图形可视、文字处理于一体的高水准环境。 MTALAB系统由五个主要部分组成，下面分别加以介绍。 MATALB语言体系:MATLAB是高层次的矩阵,数组语言(具有条件控制、函数调用、数据结构、输入输出、面向对象等程序语言特性。利用它既可以进行小规模端程，完成算法设计和算法实验的基本任务，也可以进行大规模编程，开发复杂的应用程序。 MATLAB工作环境:这是对MATLAB提供给用户使用的管理功能的总称(包括管理工作空间中的变量据输入输出的方式和方法，以及开发、调试、管理M文件的各种工具。 图形句柄系统:这是MATLAB图形系统的基础，包括完成2D和3D数据图示、图像处理、动画生成、图形显示等功能的高层MATLAB命令，也包括用户对图形图像等对象进行特性控制的低层MATLAB命令，以及开发GUI应用程序的各种工具。 MATLAB数学函数库:这是对MATLAB使用的各种数学算法的总称(包括各种初等函数的算法，也包括矩阵运算、矩阵分析等高层次数学算法。 MATLAB应用程序接口(API):这是MATLAB为用户提供的一个函数库，使得 淮阴工学院毕业设计说明书(论文) 第 9 页 共 25 页 用户能够在MATLAB环境中使用c程序或FORTRAN程序，包括从MATLAB中调用于程序(动态链接)，读写MAT文件的功能。 可以看出MATLAB是一个功能十分强大的系统，是集数值计算、图形管理、程序开发为一体的环境。除此之外，MA丁LAB还具有根强的功能扩展能力，与它的主系统一起，可以配备各种各样的工具箱，以完成一些特定的任务。用户可以根据自己的工作任务，开发自己的工具箱。 在欧美大学里，诸如应用代数、数理统计、自动控制、数字信号处理、模拟与数字通信、时间序列分析、动态系统仿真等课程的教科书都把MATLAB作为内容。这几乎成了九十年代教科书与旧版书籍的区别性标志。在那里，MATLAB是攻读学位的大学生、硕士生、博士生必须掌握的基本工具。 在国际学术界，MATLAB已经被确认为准确、可靠的科学计算标准软件。在许多国际一流学术刊物上，(尤其是信息科学刊物)，都可以看到MATLAB的应用。 在设计研究单位和工业部门，MATLAB被认作进行高效研究、开发的首选软件工具。如美国National Instruments公司信号测量、分析软件LabVIEW，Cadence公司信号和通信分析设计软件SPW等，或者直接建筑在MATLAB之上，或者以MATLAB为主要支撑。又如HP公司的VXI硬件，TM公司的DSP，Gage公司的各种硬卡、仪器等都接受MATLAB的支持。 2.1.2 MATLAB语言简介 MATLAB语言是一种交互性的数学脚本语言，其语法与C/C++类似。它支持包括逻辑(bole)、数值(numeric)、文本(text)、函数柄(function handle)和异质数据容器(heterogeneous container)在内的15种数据类型，每一种类型都定义为矩阵或阵列的形式(0维至任意高维)。 执行MATLAB代码的最简单方式是在MATLAB程序的命令窗口(Command Window)的提示符处(>> )输入代码，MATLAB会即时返回操作结果(如果有的话)。此时, MATLAB可以看作是一个交互式的数学终端，简单来说，一个功能强大的“计算器”。MATLAB代码同样可以保存在一个以.m为后缀名的文本文件中，然后在命令窗口或其它函数中直接调用[11]。 MATLAB语言具有下述显着特点: 1(具有强大的矩阵运算能力:Matrix Laboratory(矩阵实验室)，使得矩阵运算非常简单。 2(是一种演算式语言 淮阴工学院毕业设计说明书(论文) 第 10 页 共 25 页 3(MATLAB的基本数据单元是既不需要指定维数，也不需要说明数据类型的矩阵(向量和标量为矩阵的特例)，而且数学表达式和运算规则与通常的习惯相同。 4(MATLAB语言编程简单，使用方便。 2.1.3 MATLAB的主要功能 1. 基本的数据处理 2. 优化和解方程 3. 动态过程仿真:实时的和非实时的 4. 数据来源:Excel、数据库、A/D等等 5. 嵌入式的控制:Pc/104和DSP 6. 神经元网络、小波分析、GA等等 7. 虚拟现实仿真 2.2 BOOST变换器的工作原理 Boost变换器又称为升压变换器、并联开关电路、三端开关型升压稳压器 2.2.1 线路组成 线路由开关S、电感L、电容C组成，如图2.1所示，完成把电压Vs升压到Vo [12]的功能。 L S R C Vo (a)Boost变换器原理图 淮阴工学院毕业设计说明书(论文) 第 11 页 共 25 页 L DS R C Vo (b)由晶体管和二极管组成的Boost电路 图2.1 Boost变换器分解图 2.2.2 工作原理 当开关S在位置a时，如图2.2(a)所示电流i流过电感线圈L，电流线性增加，L 电能以磁能形式储在电感线圈L中。此时，电容C放电，R上流过电流Io，R两端为输出电压Vo，极性上正下负。由于开关管导通，二极管阳极接Vs负极，二极管承受反向电压，所以电容不能通过开关管放电。开关S转换到位置b时，构成电路如2(b)所示，由于线圈L中的磁场将改变线圈L两端的电压极性，以保持i不变。这样线圈LL磁能转化成的电压V与电源V串联，以高于Vo电压向电容C、负载R供电。高Ls 于Vo时，电容有充电电流;等于Vo时，充电电流为零;当Vo有降压趋势时，电容向负载R放电，维持Vo不变。 L R C Vo (a) L RCVo (b) 图2.2 BOOST变换器的工作过程 淮阴工学院毕业设计说明书(论文) 第 12 页 共 25 页 由于V+V向负载R供电时，Vo高于Vs，故称它为升压变换器。工作中输入电Ls 流is=i是连续的。但流经二极管D1电流确实脉动的。由于有C的存在，负载R上L 仍有稳定、连续的负载电流I0。 2.3 基于Matlab的Boost变换器状态空间建模 Matlab提供了很多仿真工具箱，能够对系统进行各种动态分析，在各种仿真工具中应用最为广泛，功能最为强大。Matlab仿真一般有两种方法:用S函数编程实现和用MATLAB模块化实现。S函数编程的方法需进行复杂的编程工作，且很难实现闭环控制;而使用Matlab模块化方法可对变换电路的工作原理有较深入的了解，还可方便地加入PID(LV,例积分微分)，模糊等各种控制方法构成闭环控制系统。对于Boost变换器，建模将分为CCM(电感电流连续模式)和DCM(电感电流断续模式)两种情况分 [13]别讨论。 2.3.1 CCM模式下Boost变换器状态空间建模 电感电流连续状况下，Boost变换器的工作分为两个阶段: 1. 开关管Q导通时，为电感三储能，此时电源不向负载提供能量，负载靠储能维持工作。如图2-1所示。 2. 开关管Q关断时，电源和电感同时向负载供电，此时还给电容C充电。如图2-2所示。 因此，Boost变换器的输入电流就是升压电感三电流的平均值。开关管Q和二极管D轮流工作，开关管导通，流过它的电流就是i;开关管截至时，流过D的电流也L 是i。通过它们的电流i和i相加就是升压电感的电流i。稳态工作时，电容C充LQDL 电量等于放电量，通过电容的平均电流为零，故通过二极管D的电流平均值就是负载电流I。 0 LD QREC 淮阴工学院毕业设计说明书(论文) 第 13 页 共 25 页 图2.1 开关管Q开通 LD QREC 图2.2 开关管Q关断 LD QREC 图2.3 开关管关断时电感电流为零 非理想BOOST变换器的工作状态 [15]根据图2.1、2.2所示电路的原理分析可知，开关管导通时微分方程为: d,iEL,,d,t (2.1) ,dvv,0,，C,dtR, 开关管关断时，微分方程为: d,i0,，Lv,d,t (2.2) ,dvv,iC,，,dRt, 综合方程得到: d,iELuv,，,(1),d,t (2.3) ,dvv,1,,，uiC，，,dRt, u,1u,0开关管开通时，关断时。 淮阴工学院毕业设计说明书(论文) 第 14 页 共 25 页 同理，经过标准化，可得状态方程如(2.4)如下: ,,ft* 11v,,,,0,,,,,iiuLfLfLf，，，，，，d,,,, (2.4) ,，,,,,,,,vvE111d,,,,，，，，，，,,0,,,,CfRCfCf,,,, 根据以上的状态方程可建立模型。 2.4 DCM模式下Boost变换器状态空间建模 [16]电感电流断续情况下，Boost变换器工作有三种开关模态: i1. 开关管Q导通，从零增长到最大; L iL2. 开关管Q关断，二极管D续流，从最大降到零; iL3. 开关管Q和二极管D均截止，在此期间，保持为零，负载由输出滤波电容供电，直到下一周期开关管Q导通后又增长。 具体等效电路如图2.1、2.1、2.3所示，由此建立模型。 淮阴工学院毕业设计说明书(论文) 第 15 页 共 25 页 3 基于线性控制方法设计Boost变换器控制器 在生产过程中，PID控制是一种最为普遍采用的控制方法，在冶金机械等行业中都有广泛的应用。由于PID控制算法的日趋成熟，本章只对PID控制原理及其参数自整定的几种常用方法做简要介绍，并设计Boost变换器的PI控制器。 3.1 PID控制理论 在模拟控制系统中，控制器最常用的可控制规律是PID控制。常规PID控制系统 [17]原理框图如图3(1所示，系统由模拟PID控制器和被控对象组成。 比例 R(t)U(t)被控对象C(t)×积分× 微分 图3.1 PID控制器原理图 rtct，，，，PID控制器是一种线性控制器，它根据给定值，与构成控制偏差etrtct,,，，，，，，，将偏差的比例(P)、积分(I)和微分(D)通过线性组合构成控制量，对被控对象进行控制。其控制规律为: ，， ,,Tdet，，1D,,utKet,，， (3.1) ，，，，p1d,,tTetd，，1t,,,0，， 改写成传递函数形式: Us,,，，1 (3.2) GsKTs,,，，1，，,,pDEsTs，，1,, 式中，K，——比例系数;T1——积分时间常数;TD——微分时间常数。简单说来，PID控制器各校正环节的作用如下: et，，1. 比例环节:即时成比例地反映控制系统的偏差信号，偏差信号一旦产生，控制器立即产生控制作用，以减少偏差; 淮阴工学院毕业设计说明书(论文) 第 16 页 共 25 页 2. 积分环节:主题用于消除静差，提高系统的无差度。积分作用的强弱取决于 TT11积分时间常数，越大，积分作用越弱，反之则越强; 3. 微分环节:能反映偏差信号的变化趋势(变化速率)，并能在偏差信号值变得太大之前，在系统中引入一个有效的早期修正信号，从而加快系统的动作速度，减小调节时问。 3.2 PID参数整定方法 PID控制器的参数整定是控制系统设计的核心内容。它是根据被控过程的特性确定PID控制器的比例系数、积分时问和微分时间的大小。 PID控制器参数整定的方法很多，概括起来有两大类:一是实验凑试法，它主要依赖调试经验，直接在控制系统的试验中进行，且方法简单、易于掌握，在工程实际中被广泛采用。二是理论计算整定法，它主要是依据系统的数学模型，经过理论计算确定控制器参数。这种方法所得到的计算数据未必可以直接用，还必须通过工程实际 [17]进行调整和修改。 根据理论公式整定PID参数的方法，如:Ziegler-Nichols法，ISTE最优设定法，临界灵敏度法，基于增益优化的整定法，基于总和时间常数整定法，基于幅值相位裕度(GPM)的方法等。本文主要对Ziegler-Nichols法和临界灵敏度法的方法作简要介绍。 3.2.1 Ziegler-Nichols设定方法 可有如下的整定公式: 1.2T,K,p,K,,,T,2, (3.3) ,1 , , T,0.5,,D, ,在实际应用，一般可根据阶跃响应曲线测出K，T，然后计算PID参数。 3.2.2 临界灵敏度法 KTcc当已知系统的临界比例增益和振荡周期时，也可用经验整定公式确定PID控制器的参数。整定公式为: 淮阴工学院毕业设计说明书(论文) 第 17 页 共 25 页 KK,0.6,pc,TT,0.5 (3.4) ,ic ,TT,0.125Dc, KTcc其中，比例增益和振荡周期(一般由实验或频率特性分析确定。 若根据实验确定，则建立控制对象的PID闭环模型，将积分微分参数设为0，逐 KTcc步增大比例环节，直到输出波形出现震荡，此时的比例系数即为比例增益，而即为输出波形的振荡周期。 若依据频率特性分析确定，则需得出控制对象的传递函数模型，然后画出控制对 ,gmc象的波德图(Bode)，根据波德图可以得出增益裕量，和剪切频率，此时可据下 KTcc式可确定和。 2,,T,c,, (3.5) c, gm/20，，,K,10c, 3.3 PI控制器的设计 Vref 电压控电流控开关控BOOST变++制器制器制器换器 -电流传 感器V0 电压传 感器 图3.2 双闭环BOOST变换器控制原理图 由图3—2所示的Boost变换器电流型双闭环控制原理图，Boost变换器的输出电压参考值与实际值的偏差通过电压控制器得到电感电流的期望值，该值经过电流控制器与电感电流实际值相比较产生误差值，再通过开关控制器产生Boost变换器开关管的控制信号，调节电感电流和输出电压值，最终使电感电流和输出电压值均趋于稳态[17]值。 在传统的电流型双闭环控制中，电压控制器采用PI或PID调节器，电流控制器 淮阴工学院毕业设计说明书(论文) 第 18 页 共 25 页 即为一个减法器和增益环节。开关控制器一般选择PWM或滞环控制器。其中，滞环控制时开关频率不确定，由滞环带宽决定，而使用PWM控制时，开关频率由三角波确定，属于定频控制。本节中使用的是滞环控制。 淮阴工学院毕业设计说明书(论文) 第 19 页 共 25 页 4 系统仿真研究 本文选定临界灵敏度法进行参数整定，取定电路参数为:仿真的参数数据:E=12V，R=8Q，L=200uH，C=100uF，期望输出24V。电容、电感，开关管以及二极管的等效电阻均取为0。以上参数仅为理论值，由于计算过程中取值的偏差，实际仿真参数可在此范围上进行调节。 基于上文公式，工作于DCM的BOOST变换器的波形仿真图如图所示: 28.8 28.6 28.4 28.2 28 27.8 27.6 27.4 27.2 27 26.8012345678910 图4.1 输出电压波形图 20 18 16 14 12 10 8 6 4 2 0012345678910 图4.2 输出电流波形图 淮阴工学院毕业设计说明书(论文) 第 20 页 共 25 页 5. BOOST变换器硬件仿真 为了验证上述控制 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 的有效性，本文利用IRFP450A设计了BOOST变换器的工作电路。实际硬 LMH,1fKHz,10件调试中，我选用输入电压为E=5V，电感，电容，开关管，反CuF,50s馈系数为K=5000，具体调试图如下所示: 图5.1 输入的控制波形 图5.2 输出电压波形 当控制频率设置为100KHz时，输出的电压波形如图5.2所示，此时可以看出迫 淮阴工学院毕业设计说明书(论文) 第 21 页 共 25 页 性为一条直线，进过测试，输出电压为7.532V，较输入电压有了明显的提高。 图5.3输出电压波形 当输入的控制频率设置为10KHz时，输出的电压如图5.3. 图5.4 输出电压波形 当输入控制电压为1KHz时，输出电压波形如图5.4，此时可以看出电压开始出现断续现象。 淮阴工学院毕业设计说明书(论文) 第 22 页 共 25 页 图5.5 输出电压必行图 当输入控制频率为0.1KHz时，波形输出图形如5.5，此时可以看出电压的断续现象更加明显。 淮阴工学院毕业设计说明书(论文) 第 23 页 共 25 页 结 论 本文提出一种新型Boost 变换器非线性电流控制方法。采用输入输出线性化方法，首先实现了该系统的局部线性化，通过研究系统的内动态稳定性可知:直接电压控制时，系统为非最小相位系统，其内动态不稳定;电流模式控制时，系统为最小相位系统，其内动态渐进稳定，可通过控制电感电流间接控制输出电压，并推导出新的非线性控制律。实验结果表明，该控制方案能保证电感电流精确跟踪给定值，但输出电压存在稳态误差。考虑实际电 路附属参数的影响，对该电流控制方案进行了修正。实验结果表明修正方案正确有效，输出电压无稳态误差，控制系统动稳态特性良好;与已有的实现Boost 变换器完全线性化的状态反馈精确线性化方法相比，本文提出的控制方法更简单，容易数字实现，控制系统性能良好;同时，研究结果验证了实现非线性系统的完全精确线性化并不一定比部分精确线性化性能更理想。 淮阴工学院毕业设计说明书(论文) 第 24 页 共 25 页 致 谢 毕业设计是对我们知识运用能力的一次全面的考核，也是对我们在学校所学科目的一个综合训练，培养我们运用知识解决生活或工作中的实际问题的能力，为以后工作打下了良好的基础。 本次毕业设计能顺利完成，首先要感谢我的指导老师陈奇老师，老师认真负责的工作态度，严谨的治学精神和深厚的理论实践水平都使我们深感敬佩。他无论是在理论上还是在实践上都给了我们很大的帮助，使我们都有了很大的提高。尤其是他对我们耐心执着的态度使我深受鼓舞。其次我要感谢各位答辩委员会的全体老师，感谢你们对我提出的宝贵建议。 本片论文是我自己汗水的结果，但是没有老师和同学们的帮助，我是无法完成的。当我完成论文的时候，涌上我心头的不是欣喜，而是对各位帮助过我的老师和同学的谢意。 谨此向所有老师和帮助我们的同学们表示真诚的谢意～ 淮阴工学院毕业设计说明书(论文) 第 25 页 共 25 页 参 考 文 献 1 周志敏,周纪海.开关电源实用技术设计与应用[J].北京:人民邮电出版社，2003,1_31( 2 郑国川，李洪英.实用开关电源技术.福建:福建科学技术出版社，2004. 3 何希才,新型开关电源设计与应用[J].北京:科学出版社，2001. 4 张卫平,开关变换器的建模与控制[M](北京:中国电力出版社，2006( 5 Rashid M H(Power electronics handbook[M].London:Academic Press,2001. 6 沈锦飞.电源变换应用技术[M].北京:机械工业出版社,2007,78.100. 7 欧阳长莲.DC,DC开关变换器的建模分析与研究[D](南京:南京航空航天大学，2004( 8 林维明,黄是朋,张冠生,等.具有快速负载动态响应的DC/DC开关变换器开环控制新策略[J].中国电机工程学报,2001,21(9):79-81( 9 Motorola Inc.MC34063A DC-DC Converter Control Circuits[M].Motorola Inc,1996 10 周志敏,周纪海,纪爱华.模块化DC/DC实用电路[M].北京:电子工业出版社,2004,1_31( 11 刘卫国.MATLAB程序设计与应用[M](高等教育出版社,2006,07 12 李建林，高志刚，赵斌，等(直驱型风电系统大容量Boost PFC 拓扑及控制方法[J](电工技术学报，2008，23(1):104-109( 13 胡跃明(非线性控制系统理论与应用[M](北京:国防工业出社，2005:68-105( 14 程代展(应用非线性控制[M](北京:机械工业出版社，2006:138-182( 15 卢强，孙元章(电力系统非线性控制[M](北京:科学出版社，1993:20-85( 16 邓卫华，张波，胡宗波，等(CCM Buck 变换器的状态反馈精确线 性化的非线性解耦控制研究[J](中国电机工程学报，2004，24(5):120-125( 17 梁薇，基于FPGA的BOOST变换器建模和智能控制的研究[学位论文]，2009