【正文】 畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書 題目： Buck 變換器雙閉環(huán)控制仿真研究 系 名 信息工程系 專 業(yè) 自動化 學(xué) 號 6011XXXXXXX 學(xué)生姓名 XXX 指導(dǎo)教師 XXX 2021 年 6 月 5 日 畢業(yè) 設(shè)計（ 論文 ） 任務(wù)書 題 目： Buck變換器雙閉環(huán)控制仿真研究 系 名 信息工程系 專 業(yè) 自動化 學(xué) 號 6011XXXXXX 學(xué)生姓名 XXX 指導(dǎo)教師 XXX 職 稱 副教授 2021 年 12 月 15 日 一、原始依據(jù)（包括設(shè)計或論文的工作基礎(chǔ)、研究條件、應(yīng)用環(huán)境、工作目的等。） 便攜式電子產(chǎn)品的廣泛應(yīng)用，推動了開關(guān)電源技術(shù)的迅速發(fā)展。因?yàn)殚_關(guān)電源具有體積小、重量輕以及功率密度和輸出效率高等諸多優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)逐漸取代了傳統(tǒng)的線性電源，隨之成為電源芯片中的主流產(chǎn)品。隨著開關(guān)電源技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)大，對開關(guān)電源的要求也日益提高，高效率、高可靠性以及高功率密度成為趨勢，這就對開關(guān)電源芯片設(shè)計提出了新的挑戰(zhàn)。其中 對于非隔離的 DC/DC 開關(guān)電源，按照電路功能劃分，有降壓式（ BUCK）、升壓式（ BOOST），還有升降壓式（ BUCKBOOST）等。其中品種最多，發(fā)展最快的當(dāng)屬降壓式（ BUCK）。 我國目前能源緊缺，而電源行業(yè)又是一個與能源消耗密切相關(guān)的行業(yè)，因此我們在設(shè)計 DC/DC 開關(guān)電源產(chǎn)品時，轉(zhuǎn)換效率必須作為一個重要的指標(biāo)加以考慮。尤其是隨著采用 V鋰離子電池作為電源的消費(fèi)類電子產(chǎn)品市場不斷擴(kuò)大，且功能和性能變得更多和更高，對適用于這類產(chǎn)品的 BUCK 變換器的性能提出了更高的要求。因此研究 BUCK 變換器的控制具有重要的理論和現(xiàn)實(shí)意義。 二、 參考文獻(xiàn) [1] 丘濤文 . 開關(guān)電源的發(fā)展及技術(shù)趨勢 [J]. 電力標(biāo)準(zhǔn)化與技術(shù)經(jīng)濟(jì)， 2021， 17(6)： 5860. [2] 張乃國 . 一種脈沖頻率調(diào)制型穩(wěn)壓電路的研究 [J]. 電源世界， 2021， 10（ 4）： 2123. [3] 劉樹林，輸出本質(zhì)安全型 BuckBoost DCDC變換器的分析與設(shè)計，中國電機(jī)工程學(xué)報， 2021， 28(3): 6065. [4] 馬麗梅， Buckboost DCDC 變換器的控制，河北工業(yè)大學(xué)學(xué)報， 2021， 37(4) :101105. [5] 劉樹林， BuckBoost 變換器的能量傳輸模式及輸出紋波電壓分析 ，電子學(xué)報， 2021， 20(5) :838843. [6] 彭力，新型大功率升降壓型 DCDC 變換器控制研究 ,船電技術(shù)， 1999， 3(1) :2628. [7] 鐘久明 ， BuckBoost 變換器的本質(zhì)安全特性分析及優(yōu)化設(shè)計 西安科技大學(xué) 碩士學(xué)位論 文 2021. [8] 高飛 ， 蔣贏 ， 趙小妹等，一種新型 BuckBoost 變換器，電力電子技術(shù) 2021 22(4):5052. [9] Xu Jianping， Yu circuit model of switches for SPICE Electronics， Letters， 1988， ， ， 437438. [10] Xu Jianping， Yu Juebang， Zeng simulation of switched DCDC International Symposium on Circuits and Systems， 1991， ， ， 30323026. [11] 王海鵬 ， 王立志 ， 王卓 . 基于 1394 的數(shù)據(jù)傳輸電路 [J]. 現(xiàn)代電子技術(shù)， 2021， 32(21)： 5254. [12] 王久和 . 電壓型 PWM整流器的非線性控制 [M]. 第 1 版，北京 : 機(jī)械工業(yè)出版社 , 2021. [13] 師婭 ， 唐威 . 一種電流型 PWM 控制芯片的設(shè)計 [J]. 微電子學(xué)與計算機(jī)， 2021， 24(8)： 145148. 三、設(shè)計（研究）內(nèi)容和要求（包括設(shè)計或研究內(nèi)容、主要指標(biāo)與技術(shù)參數(shù)，并根據(jù)課題性質(zhì)對學(xué)生提出具體要求。） 對直流 Buck變換器進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，利用 Simulink研究雙閉環(huán) PID控制算法，實(shí)現(xiàn)變換器電壓的魯棒輸出。 具體內(nèi)容要求如下： 1．熟悉 Buck 變換器雙閉環(huán)控制 的工作原理及電路設(shè)計 2．掌握 MATLAB/Simulink 軟件 的使用 3．掌握對 Buck 變換器雙閉環(huán)控制的數(shù)學(xué)建模 4．驗(yàn)證雙閉環(huán)控制的工作原理，采用 Simulink 對電路做仿真分析 5． 完成畢業(yè)設(shè)計論文 。 指導(dǎo)教師（簽字） 年 月 日 審題小組組長（簽字） 年 月 日 天津大學(xué)仁愛學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計（論文）開題報告 課題名稱 Buck 變換器雙閉環(huán)控制仿真研究 系 名 信息工程系 專業(yè)名稱 自動化 學(xué)生姓名 XXX 指導(dǎo)教師 XXX 一 .課題的來源與意義 隨著電子技術(shù)的快速發(fā)展，電子設(shè)備的種類越來越多，電子設(shè)備與人們的工作、生活的關(guān)系也日益密切。任何電子設(shè)備都離不開可靠的電源，它們對電源的要求也越來越高。傳統(tǒng)的晶體管串聯(lián)調(diào)整穩(wěn)壓電源是連續(xù)控制的線性穩(wěn)壓電源。這種傳統(tǒng)穩(wěn)壓技術(shù)比較成熟，并且已有大量集成化的線性穩(wěn)壓電源模塊，具有穩(wěn)定性能 好、輸出紋波電壓小、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。但由于調(diào)整管靜態(tài)損耗大，需要安裝一個很大的散熱器給它散熱。而且由于變壓器工作在 50 Hz 的工頻上，所以其重量較大。又因?yàn)檎{(diào)整管工作在線性放大狀態(tài)，為了保證輸出電壓穩(wěn)定，其集電極與發(fā)射極之間需承受較大的電壓差，導(dǎo)致調(diào)整管功耗較大，電源效率很低，一般只有 45%左右 [1]。受這些缺點(diǎn)的限制，線性穩(wěn)壓電源很難滿足現(xiàn)代電子設(shè)備發(fā)展的要求。 20 世紀(jì) 50年代，美國宇航局以小型化、重量輕為目標(biāo)，開發(fā)了開關(guān)電源。經(jīng)過近半個世紀(jì)的發(fā)展，開關(guān)電源因具有體積小、重量輕、效率高、發(fā)熱量低、性能穩(wěn)定 等優(yōu)點(diǎn)而逐漸取代線性穩(wěn)壓電源并得到了廣泛應(yīng)用 [2]，各種電池供電的電子產(chǎn)品如照相機(jī)、攝像機(jī)、錄像機(jī)、個人數(shù)字助理、手機(jī)、手提電腦都需要 DC/DC 變換器等開關(guān)電源芯片 [3]。 開關(guān)電源技術(shù)于 20 世紀(jì) 80 年代引入我國，隨著計算機(jī)、通訊、汽車等行業(yè)的迅速發(fā)展，我國開關(guān)電源市場不斷增長，開關(guān)電源控制器芯片的研究已成為國內(nèi)功率電子學(xué)領(lǐng)域中頗受關(guān)注的熱點(diǎn) [4]。我國目前能源緊缺，而電源行業(yè)又是一個與能源消耗密切相關(guān)的行業(yè)，因此我們在設(shè)計 DC/DC 開關(guān)電源產(chǎn)品時，轉(zhuǎn)換效率必須作為一個重要的指標(biāo)加以考慮。尤其是隨著采用 V鋰離子電池作為電源的消費(fèi)類電子產(chǎn)品市場不斷擴(kuò)大，且功能和性能變得更多和更高，對適用于這類產(chǎn)品的BUCK 變換器的性能提出了更高的要求。因此研究 BUCK 變換器的性能具有重要的理論和現(xiàn)實(shí)意義 [5][6]。 二 .國內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r DC/DC 變換器是一種強(qiáng)非線性系統(tǒng)，由于電氣參數(shù)的不確定性以及負(fù)載的多變性，使得 DC/DC 變換器的控制變得較為復(fù)雜。傳統(tǒng)的控制方法都是基于線性系統(tǒng)理論，很難實(shí)現(xiàn)較好的動態(tài)性能。于是，進(jìn)一步的研究在于對系統(tǒng)建立精確的數(shù)學(xué)模型和采用先進(jìn)的控制算法。隨著現(xiàn)代控制理論的發(fā)展，出現(xiàn)了許多 DCDC 變換器新的控制方法以提高系統(tǒng)性能。例如： (1) 雙線性理論； (2) 魯棒控制； (3) 滑模變結(jié)構(gòu)控制； (4) 自適應(yīng)控制； (5) 智能控制。這些新控制方法的提出，使 DC/DC變換器的穩(wěn)態(tài)誤差趨于零，動態(tài)性能獲得很大改善，而且對參數(shù)的不確定性和負(fù)載的多變性也有很好的魯棒性。 雙線性理論 此系統(tǒng)為非線性系統(tǒng)，能夠取得較好的控制效果。文獻(xiàn) [7]應(yīng)用此模型對 Boost電路進(jìn)行閉環(huán)控制，不僅保證了充足的穩(wěn)定裕量，而且實(shí)現(xiàn)了較好的瞬態(tài)響應(yīng)。此方法一般適用于兩個狀態(tài)變量以上的 DC/DC 變換器拓?fù)?。但這種控制方案的 缺點(diǎn)是忽略了輸入電壓擾動，若輸入電壓擾動不為零，將會影響系統(tǒng)的性能甚至導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定 [7]。 魯棒控制 魯棒控制是處理外加擾動和不確定性模型的有力工具，基于 DC/ DC 變換器的線性化小信號建模。文獻(xiàn) [8]中提出了兩個自由度控制的設(shè)計思想，來實(shí)現(xiàn) DC/ DC 變換器的魯棒控制。它能夠?qū)ω?fù)載和輸入電壓的變化保證充足的魯棒性。 雖然魯棒控制解決了輸入電壓變化的問題，但其線性化小信號建模精確度不高，而且控制器結(jié)構(gòu)不可變，下面介紹的滑?？刂坪妥赃m應(yīng)控制 ，這兩種控制 能夠?qū)崿F(xiàn)更理想的控制效果 [8]。 滑模變結(jié)構(gòu)控 制 滑模變結(jié)構(gòu)理論由前蘇聯(lián)學(xué)者歐曼爾揚(yáng)諾夫 ( . Emelyanov)、尤特金 ( V. )于 20 世紀(jì) 50 年代提出并發(fā)展至今?；Ｗ兘Y(jié)構(gòu)控制與常規(guī)控制的根本區(qū)別在于控制的不連續(xù)性 ，它 使得系統(tǒng)在滑動模態(tài)下不僅保持對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)不確定性、參數(shù)不確定性以及外界干擾等不確定性因素的魯棒性，而且可以獲得較為滿意的動態(tài)性能 。 因此，它特別適用于 DC/DC 變換器這樣的非線性系統(tǒng)和離散系統(tǒng)。 自適應(yīng)控制 20 世紀(jì) 50 年代初提出的自適應(yīng)控制方法是根據(jù)響應(yīng)系統(tǒng)與目標(biāo)系統(tǒng)對應(yīng)變量的偏差和控制參數(shù)的偏差來調(diào)整響應(yīng)系 統(tǒng)的參數(shù)變化，最終使響應(yīng)系統(tǒng)與目標(biāo)系統(tǒng)同步。 文獻(xiàn) [9]、 [10]分別提出了 PI 自適應(yīng)串級控制和自適應(yīng) PID 串級控制，并很好地應(yīng)用于 DC/ DC 升壓變換器中。此外，逆向自適應(yīng)控制，雙環(huán)自適應(yīng)控制和模型參考自適應(yīng)控制等均已成功用于 DC/ DC 變換器。 這些控制方法的優(yōu)點(diǎn)是控制器結(jié)構(gòu)靈活，能夠?qū)崿F(xiàn)精確控制，并對參數(shù)變化具有很好的魯棒性。但由于其設(shè)計需要在線估計或辨識參數(shù)，導(dǎo)致實(shí)現(xiàn)困難，而且存在實(shí)時性問題。自適應(yīng)控制與其它控制方法以及智能控制相結(jié)合可以避免這些問題并得到更好的控制效果 [9][10]。 智能控制 智能控制是現(xiàn)代控制理論的發(fā)展，包括模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等先進(jìn)控制策略。這些方法不需要建立精確的數(shù)學(xué)模型，對系統(tǒng)參數(shù)變化具有很好的魯棒性，因此用于 DC/DC 變換器的控制中，可以簡化非常復(fù)雜的建模問題而更適于實(shí)際應(yīng)用。 三 .研究目標(biāo) 對直流 Buck 變換器進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，利用 Simulink 研究雙閉環(huán) PID 控制算法，實(shí)現(xiàn)變換器電壓的魯棒輸出。 四 .研究內(nèi)容 1．熟悉 Buck 變換器雙閉環(huán)控制 的工作原理及電路設(shè)計。 2．掌握對 Buck 變換器雙閉環(huán)控制的數(shù)學(xué)建模。 3．驗(yàn)證雙閉環(huán)控制的工作原理，采用 Simulink 對電路做仿真分析 。 五 .研究方法及手段 ，熟悉 Buck 變換器雙閉環(huán)控制 的工作原理及電路設(shè)計 ，并進(jìn)行數(shù)學(xué)建模。 Buck 電路器雙閉環(huán)控制的閉環(huán)參數(shù)與不同補(bǔ)償方法。 Buck 電路閉環(huán)仿真，并根據(jù)要求的功能和性能指標(biāo)進(jìn)行誤差分析。 Buck 變換器雙閉環(huán)控制設(shè)計實(shí)例，總結(jié)經(jīng)驗(yàn)。 課題系統(tǒng)框架圖 六 .進(jìn)度安排 — 了解課題， 查閱相關(guān)文獻(xiàn)資料，完成開題報告； — 查閱關(guān)于 BUCK 電路的相關(guān)書籍，熟悉其原理及其應(yīng)用； — 查找相關(guān)外文資料并翻譯外文資料，完成中期報告； — 熟悉 MATLAB 仿真軟件，進(jìn)行仿真分析，調(diào)整電路結(jié)構(gòu)，元件和仿真參數(shù)； — 對仿真電路和數(shù)學(xué)模型進(jìn)行測試，誤差分析，整理資料； — 按要求認(rèn)真撰寫畢業(yè)設(shè)計報告，準(zhǔn)備畢業(yè)設(shè)計答辯。 七 .實(shí)驗(yàn)方案的可行性分析 Buck 變換器應(yīng)用廣泛，在實(shí)際應(yīng)用上有著豐富的設(shè)計經(jīng)驗(yàn)；并且此實(shí)驗(yàn)只需要 用 MATLAB 軟件仿真 。因此無論從理論的成熟角度來講，還是從實(shí)驗(yàn)條件的具備方面來說，這個課題都具備良好的可操作性，此方案可行。 八 .參考文獻(xiàn) [1] 何宏，魏克新，王紅軍，等 . 開關(guān)電源電磁兼容性 [M]. 第 1 版，北京 : 國防工業(yè)出版社，2021： 1521. [2] 丘濤文 . 開關(guān)電源的發(fā)展及技術(shù)趨勢 [J]. 電力標(biāo)準(zhǔn)化與技術(shù)經(jīng)濟(jì)， 2021， 17(6)： 5860. [3] T. Regan. Low dropout linear regulators improve automotive and batterypowered systems[M]