摘 要

DC/DC变换器以效率高和体积小等优点广泛应用于开关电源和直流电机驱动等。其常用的控制策略是PID控制，因为算法简单、鲁棒性好和可靠性高，而且是一种技术比较成熟的控制策略

本文主要研究降压DC/DC变换器的常规PID控制和新型PID控制，并比较他们的优点和局限性。首先介绍了Buck电路，开环状态下存在稳态性能差和抗干扰能力弱等不足。其次研究了常规PID控制的降压DC/DC变换器，负反馈系统中稳态性能有所改善，抗干扰能力有明显好转。最后通过引入与积分项串联的超前相位补偿器，来替代原有微分项，设计了新型数字PID控制器。与常规PID控制器相比，超调量明显减少，提高了系统的阻尼，但也减缓了误差收敛速度。

新的设计方法降低了PID控制器的设计难度，比常规PID控制器少一维。也通过仿真验证了新的设计方法的有效性。

关键词：DC/DC变换器；Buck变换器；新型PID控制；Simulink

Abstract

The DC/DC converters are widely employed in switch-mode power supplies and dc motor drive applications because of high efficiency and small size. The common control strategy is PID control, because the algorithm is simple, the robustness is good and the reliability is high, moreover its technology is quite mature.

This paper mainly studies the conventional PID control and the new PID control of buck converter, and compares their merits and limitations. First, this paper introduces the buck chopper. In the open-loop state, there are some shortcomings such as poor steady-state performance and weak capacity of resisting disturbance. Secondly, the conventional PID controlled buck converter is studied. The steady-state performance and anti-interference capability in the negative feedback system are improved obviously. Finally, a new digital PID controller is designed by introducing a lead phase compensator in series with the integral term to replace the original differential term. Compared with the conventional PID controller, the overshoot of the output signal is reduced significantly and the damping ratio is increased, but the error convergence rate is slowed down.

The new design method reduces the complexity of the PID controller design, which is one dimension less than conventional PID controller. Also the effectiveness of the new design method is verified by some simulations.

Key Words：DC/DC Converter；Buck Converter；New PID Control；Simulink

目录

第1章绪论 1

1.1 论文研究背景及意义 1

1.2 国内外研究现状 1

1.3 本文内容及结构 2

第2章 Buck电路的研究 3

2.1 工作原理分析 3

2.2 小信号模型推导 4

2.3 开环Buck电路的仿真分析 6

2.3.1 突加负载时的仿真分析 6

2.3.2 电源波动时的仿真分析 7

2.4 本章小结 8

第3章常规PID控制器设计 9

3.1 工作原理分析 9

3.2 参数设计 10

3.3 仿真分析 11

3.3.1 突加负载时的仿真分析 11

3.3.2 电源波动时的仿真分析 12

3.4 本章小结 13

第4章新型PID控制器设计 14

4.1 工作原理分析 14

4.1.1 新积分项分析 14

4.1.2 数字控制器设计 14

4.1.3 稳定性判据分析 15

4.2 参数设计 16

4.3 仿真分析 16

4.3.1 突加负载时的仿真分析 16

4.3.2 电源波动时的仿真分析 17

4.3.3 有无超前相位补偿器的对比分析 18

4.3.4 极点配置法与新设计方法比较 18

4.4 本章小结 19

第5章 总结与展望 20

5.1 总结 20

5.2 展望 21

参考文献 22

致谢 24

第1章 绪论

1.1 论文研究背景及意义

随着电源技术的发展，各种新型器件、不断改进的电路拓扑结构及先进的控制策略应用到电源变换器中，使得高频开关变换器在各个领域中得到了越来越广泛的应用^[1]。同时，对于DC/DC变换器^[2]的参数指标和性能要求也水涨船高，许多开关电源生产厂商也随之不断推出性能更为优异的DC/DC变换器。

DC/DC变换器，也称斩波器（DC Chopper），是现代高频开关电源的基本构件。它通过电力电子器件的开关调节，将直流电源的恒定直流电压转变为恒定或可调直流电压^[3]，从而实现电能传输。而降压斩波器（Buck Chopper）是直流-直流变换器中具有代表性的拓扑结构之一。

DC/DC变换器中常用的控制方法是线性PID控制（比例-积分-微分控制），即将偏差的比例（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^[4]。比例项用于调节系统响应的快慢，积分项用于保证对直流信号的无差跟踪，微分项用于调节控制系统的阻尼，这三项涵盖了控制过程中过去、现在和未来的信息，用来实现输出电压或电流的无差控制，达到快、准、稳的控制效果。藉由调整控制器的三个参数可以调整控制器的输出，满足无差系统及抗干扰性能等要求。

本次设计任务是新型PID控制器设计。常规PID控制器的设计多采用试错法，凭经验选取三个参数。而本次设计将为降压DC/DC变换器设计一种新型的等效PID控制器，该控制器通过引入超前相位补偿器而简化控制器参数的选取，即只需要选取两个参数即可。同时，超前相位补偿器的应用性能也优于常规PID控制器中的微分项，提高了系统的阻尼，但也影响了系统的误差收敛速度。