电子信息系统综合设计 广西大学 PID.doc

广 西 大 学 电子信息系统综合设计报告 课题名称：基于PID控制算法的串联型开关电源设计与实现 学 院 计算机与电子信息学院 专 业 班 级 学 号 姓 名 一、课设要求 基于STC12系列单片机，设计一个开关电源，要求用户从键盘输入一个电压，并把该电压值在LCD上面显示出来，再由A/D转换模块对串联开关电源电路的输出端进行电压采集，将采集到的电压值与键盘输入的电压值进行比较，通过PID闭环控制算法，控制PWM的脉宽输出，由此控制串联开关电压电源电路，改变输出的电压值，使得输出值与设定的电压值相等；要求输出电压范围在0.5V ~ 4.5V，步进为0.2V。在PID控制的三个系数，可以通过遗传算法来确定。 二、系统框图和整机概述 本系统，PWM输出，AD采样，构成单闭环系统。前端三相交流电源输入到开关电源整流模块，经整流滤波后输出平稳的直流电压。高精度AD转换器将后端输出的电压电流信号由模拟信号量变为数字量供给进行PlD运算，经过PID控制运算后输出PWM从而构成一个闭环系统，控制电压电流稳定输出，从而实现开关电源控制系统 图一 系统框图 整体程序的流程为开始进入初始化程序，包括LCD1602的初始化、PWM的初始化、PID控制算法的初始化等，然后进行按键检测，有按键输入时，调用按键控制子程序，输出一定占空比的PWM，并将设定的电压显示在LCD1602上，接着读取AD采样的电压值，经PID控制算法调节PWM的占空比，最终得到一个与设定电压非常接近的输出电压。这次实验外接的芯片是AD1674，在程序设计时就要对AD1674芯片进行配置，把AD转换后的数据送入单片机。本次实验启动的是12位AD，AD1674接入10V的基准电压，所以在对电压值进行计算的时候要使用这个式子计算出实际电压值。 图二 程序框图 PID增量式算法（程序核心） 因为PI系统中的I的存在会使整个控制系统的响应速度受到影响，为了解决这个问题，我们在控制中增加了D微分项，微分项主要用来解决系统的响应速度问题，其完整的公式如下：? u(t)=Kp*e(t)+Ki∑e(t)+Kd[e(t)-e(t-1)]+u0 当执行机构需要的不是控制量的绝对值，而是控制量的增量时，需要用PID的“增量算法”。在PID增量算法中，由于执行元件本身是机械或物理的积分储存单元，如果给定值发生突变时，由算法的比例部分和微分部分计算出的控制增量可能比较大，如果该值超过了执行元件所允许的最大限度，那么实际上执行的控制增量将时受到限制时的值，多余的部分将丢失，将使系统的动态过程变长。纠正这种缺陷的方法是采用积累补偿法，当超出执行机构的执行能力时，将其多余部分积累起来，而一旦可能时，再补充执行。 图三 电路原理图 三、开关电源基本原理 首先是将交流输入电源经整流滤波成脉动直流;然后通过高频PWM(脉冲宽度调制)信号控制开关管，将那个直流加到开关变压器初级上;接着开关变压器次级感应出高频电压，经整流滤波供给负载;最后，输出部分通过一定的电路反馈给控制电路，控制PWM占空比，以达到稳定输出的目的。 图四 开关稳压电源电路 开关电源是一种比较新型的电源。它具有效率高，重量轻，可升、降压，输出功率大等优点。但是由于电路工作在开关状态，所以噪声比较大。通过下图，我们来简单的说说降压型开关电源的工作原理。如图所示，电路由开关（实际电路中为三极管或者场效应管），续流二极管，储能电感，滤波电容等构成。当开关闭合时，电源通过开关、电感给负载供电，并将部分电能储存在电感以及电容中。由于电感的自感，在开关接通后，电流增大得比较缓慢，即输出不能立刻达到电源电压值。一定时间后，开关断开，由于电感的自感作用（可以比较形象的认为电感中的电流有惯性作用），将保持电路中的电流不变，即从左往右继续流。这电流流过负载，从地线返回，流到续流二极管的正极，经过二极管，返回电感的左端，从而形成了一个回路。 与线性电源相比，PWM开关电源更为有效的工作过程是通过“斩波”，即把输入的直流电压斩成幅值等于输入电压幅值的脉冲电压来实现的。脉冲的占空比由开关电源的控制器来调节。控制器的主要目的是保持输出电压稳定，其工作过程与线性形式的控制器很类似。也就是说控制器的功能块、电压参考和误差放大器，可以设计成与线性调节器相同。他们的不同之处在于，误差放大器的输出（误差电压）在驱动功率管之前要经过一