boost变换器建模及其非线性控制方法

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1、目录1绪论21.1开关电源概述21.2开关电源的技术追求21.3DC／DC变换器的概述31.4BOOST型DC/DC变换器的应用范围41.5DC／DC变换器的研究现状42BOOST变换器的建模62.1建模工具介绍62.1.1MATLAB环境62.1.2MATLAB语言简介92.1.3MATLAB的主要功能92.2BOOST变换器的工作原理102.2.1线路组成102.2.2工作原理102.3基于Matlab的Boost变换器状态空间建模112.3.1CCM模式下Boost变换器状态空间建模112.4DCM模式下Boost变换器状态空间建模133基于

2、线性控制方法设计Boost变换器控制器153.1PID控制理论153.2PID参数整定方法163.2.1Ziegler-Nichols设定方法163.2.2临界灵敏度法163.3PI控制器的设计174系统仿真研究195.BOOST变换器硬件仿真20结论23致谢24参考文献251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年代问世了单片开关稳压器[1]。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，

3、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，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[2]。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、精密开关电源及电源模块的优选集成电

4、路[3]。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，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[3]。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

5、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。1.3DC／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，从

6、七十年代初发展至今，有关这类变换器的理论分析和应用研究得到了极大的发展[4]。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(PFC)[5]。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的控制器，

7、不能保证系统在输入和负载大范围变化下的稳定性[6]。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段[7]。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

8、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。