摘 要

开关电源PID参数的选择是整个开关电源系统设计中的重要一环，开关电源能否稳定可靠的工作，与其PID参数息息相关。由于开关电源本身是一个非线性时变系统，所以其PID参数的整定相当困难，传统PID参数整定方法都是通过经验来试凑，这样使得很多时候开关电源的性能达不到用户的需求。

论文提出了一种新的开关电源PID参数整定方法。从用户需求的开关电源性能入手，通过对各个环节传递函数的求解，推导和计算出相应的PID参数。从而确保在使用该参数时，开关电源系统一定能以用户需要的性能正常稳定的工作。基于此思想，论文主要进行了以下工作：

(1)建立了精确的开关电源模型，考虑了各种元件的寄生参数，使得模型更加接近现实。详细介绍了Buck、Boost、Buck.Boost三种电路的建模过程，最终得到其DC稳态模型，小信号模型，并推导出了传递函数；

(2)对影响整个开关电源系统性能的因素进行了分析，并给出了这些因素将会对系统性能造成怎样的影响，最后通过实验仿真进行了验证；

(3)详细介绍了系统时域图和频域图的绘制方法及绘制过程。给出了通过对时域图和频域图的研究，结合用户所需开关电源性能，整定出PID参数的过程；

(4)用C 语言实现了所有的研究算法，并编写软件方便用户使用。

研究结果表明，在确定的开关电源条件下，用户只需按照软件说明选定拓扑模型、负载类型，输入参数和期望的开关电源性能，软件会自动生成符合要求的PID参数，并画出该参数下系统的时域图和频域图供用户进行评估。

关键词：开关电源、PID参数、建模分析、时域图、频域图

Abstract

The selection of the PID parameters of the switching power supply is an important part in the design process of the switching power supply system. The PID parameters is closed related with the stability and reliability of the switching power supply. Since the switching power supply is a nonlinear time.varying system, so it is very difficult tuning PID parameters. And PID parameters tuning in the traditional method is selected by trial and experience, which makes the performance of the power supply couldn’t satisfy the users’ demand in most of the time.

This paper presents the status and the future trends of the switching power supply PID parameters tuning methods. Then this paper proposes a new strategy to tuning PID parameter of the switching power supply. The proposed strategy needs to analyze the performance of the switching power supply which users require first, then solves the transfer function of all loops, finally, derivate and calculate the corresponding PID parameters. Adopting the proposed method, the switching power supply system can work in a normal and stable state. Based on this conception，the main contents of this paper is in the following :

(1)Considering the parasitic parameter of the various elements, an accurate prototype of the switching power supply is established which is closer to the reality. The modeling process of the Buck, Boost and Buck.Boost circuit is detailed introduced. Furthermore, The DC stable model and small.signal is obtained, and the transfer function is deduced.

(2)The factor which can affect the performance of the switching power system is analyzed. Then the impact of the factor on the system performance is presented. Finally, a simulation and an experiment are built to verify the correctness of the proposed method.

(3)The plotting method of the system time.domain and frequency.domain Fig is detailed presented. A new method of tuning PID parameter is proposed which analyzes the time.domain and frequency.domain of the system and combines the performance of the switching power supply users need.

(4)All the research algorithms are conducted by the C language. A software is compiled to make it convenient to users.

According to the research, Under the condition of determining the switching power supply ,The users need to select the topology model, the type of load, input the parameter and the performance of the switching power supply. The software will obtain the PID parameter matching the requirement automatically. The time.domain and frequency.domain Fig of the system in this parameter is showed for the users to evaluate.

Key words: switching power supply, PID parameter, Modeling analyzation, time.domain Fig, frequency.domain Fig

目录

摘 要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1 研究背景及意义 1

1.2 PID参数整定方法的国内外研究现状 1

1.3 开关电源PID参数整定难点及解决办法 2

1.4 论文的研究重点与结构安排 3

第2章 开关电源拓扑建模研究 4

2.1 Buck电路连续工作模式建模 4

2.1.1 Buck电路大信号动态模型 4

2.1.2 Buck电路大信号稳态模型 8

2.1.3 Buck电路小信号模型 9

2.1.4 Buck电路的传递函数 10

2.2 Boost电路连续工作模式建模 11

2.2.1 Boost大信号动态电路模型 11

2.2.2 Boost电路大信号稳态模型 14

2.2.3 Boost小信号模型 16

2.2.4 Boost电路连续工作模式传递函数 16

2.3 Buck.Boost电路连续工作模式建模 17

2.4 本章小结 22

第3章 开关电源性能分析 23

3.1 开关电源性能指标 23

3.1.1 开关电源时域性能指标 23

3.1.2 开关电源频域性能指标 23

3.2 影响开关电源性能的因素 24

3.2.1负载变化对系统性能的影响 24

3.2.2参数变化对系统性能的影响 25

3.2.3参数变化对系统性能的影响 30

3.2.4参数变化对系统性能的影响 31

3.3 本章小结 32

第4章 开关电源PID参数寻求 33

4.1系统时域图绘制 33

4.1.1系统时域分析的意义 33

4.1.2龙格库塔法简介与计算 33

4.1.3系统时域图绘制原理分析 34

4.1.4系统时域图绘制过程 35

4.2系统频域图绘制 36

4.2.1系统频域分析的意义 36

4.2.2频域图绘制理论分析 36

4.3 PID控制器参数整定 37

4.3.1参数整定原理 37

4.3.2整定方案选择 37

4.3.3 基于开关电源性能的参数反推方法 39

4.4本章小结 43

第5章 开关电源PID参数整定软件设计与实现 44

5.1界面设计 44

5.1.1 界面贴图 45

5.1.2 子对话框设计 45

5.2系统时域图绘制算法C 实现 48

5.2.1算法框架与流程图 48

5.2.2龙格库塔法C 语言实现 50

5.3 系统频域图绘制算法C 实现 51

5.4 PID参数整定算法C 实现 52

5.5 开关电源PID参数整定软件测试 52

5.5.1 拓扑模型选择 52

5.5.2 负载设置 53

5.5.3 参数设置 54

5.5.4 性能设置 55

5.5.5 参数输出 55

5.6 本章小结 57

第6章 总结与展望 58

6.1 全文工作总结 58

6.2 未来工作展望 58

致 谢 59

参考文献 60

第1章 绪论

• 1. 研究背景及意义

开关电源在工作时有功率开关管开通和功率开关管关断两种状态，当功率开关管开通时，功率开关管上的电压接近为零，功率开关管上的损耗很小；当功率开关管关断时，流过功率开关管上的电流接近为零，功率开关管上的损耗同样很小，所以开关电源相比传统的线性电源来说，效率很高。同时，开关电源不仅在效率上有优势，在体积、重量上与传统的线性电源相比也具有无与伦比的优势，因此，开关电源占据了电源市场绝大部分的份额，在各行各业中得到了应用。开关电源性能的提升将促进各行各业的发展，所以，近些年，学者们掀起了对开关电源研究的狂潮。

开关电源的控制作为开关电源系统中不可或缺的一部分，自然也是研究的热点之一。在电力电子这个行业，几乎所有开关变换器都是采用的PID（Proportional Integral Derivative比例 积分 微分）控制技术^[1]。PID控制器是通过所控制变量的理想值与实际值之间的误差来对占空比进行动态调节，从而实现对变量的控制，对于变换器的模型并不依赖。所以PID控制器具有系统设计简单，对类型相同，仅仅模型不同的系统适应性好等优点。传统的PID参数整定是对系统各个环节进行评估，通过试凑来整定PID参数，当系统是线性时不变的系统时，这种整定具有较好的控制效果。但是当系统环路经常发生变化时，这样整定出来的PID参数具有很大的缺陷，响应速度较慢，无法满足开关电源日益提高的动态响应和控制精度要求^[2]，而且这种整定方法带着“半经验色彩”^[3]并不能保证开关电源可以长久使用而不出现问题，对开关电源的性能提高是一个很大的阻碍。因此，研究新的开关电源PID参数整定方法迫在眉睫。

• 1. PID参数整定方法的国内外研究现状

国外对PID控制器的研究较早，当然对其参数整定方法也起步较早。在20世纪中期就开始改进PID控制，并将一些研究成果运用到工业中。在1942年，Ziegler和Nichols研究出了Z.N整定公式^[4]，1953年，Cohen和Coon将Z.N公式进行了改进，在此基础上提出了C.C整定公式，C.C公式在整定过程中考虑了时滞，使整定得到的参数更加可靠，并且第一次在控制领域得到了运用。由于常规的PID控制器参数的整定依靠的技术人员的经验，操作人对整个回路是否熟悉，操作过程与操作条件是否频繁变化都影响着最终参数的整定结果。这种不稳定的整定结果一直持续到1984年。在1984年，瑞典的学者Astrom提出了基于继电反馈的PID参数自整定方法^[5]。近些年来，国外对PID参数的整定有了更大的进步，从最开始将模糊控制技术与PID参数整定相结合得到模糊PID控制，专家经验与PID参数整定相结合得到专家PID控制到后来的基于人工神经网络，遗传算法等模糊复合控制技术，对PID控制系统的响应速度、稳定性等有了极大的提升。