電子信息系統(tǒng)綜合設(shè)計(jì) 廣西大學(xué) PID

廣 西 大 學(xué)

電子信息系統(tǒng)綜合設(shè)計(jì)報(bào)告

課題名稱： 基于PID控制算法的串聯(lián)型開關(guān)電源設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

學(xué) 院 計(jì)算機(jī)與電子信息學(xué)院

專 業(yè)

班 級(jí)

學(xué) 號(hào)

姓 名

一、課設(shè)要求

基于STC12系列單片機(jī)，設(shè)計(jì)一個(gè)開關(guān)電源，要求用戶從鍵盤輸入一個(gè)電壓，并把該電壓值在LCD上面顯示出來(lái)，再由A/D轉(zhuǎn)換模塊對(duì)串聯(lián)開關(guān)電源電路的輸出端進(jìn)行電壓采集，將采集到的電壓值與鍵盤輸入的電壓值進(jìn)行比較，通過(guò)PID閉環(huán)控制算法，控制PWM的脈寬輸出，由此控制串聯(lián)開關(guān)電壓電源電路，改變輸出的電壓值，使得輸出值與設(shè)定的電壓值相等；要求輸出電壓范圍在0.5V ~ 4.5V，步進(jìn)為0.2V。在PID控制的三個(gè)系數(shù)，可以通過(guò)遺傳算法來(lái)確定。

二、系統(tǒng)框圖和整機(jī)概述

本系統(tǒng)主要包括以下部分：?jiǎn)纹瑱C(jī)模塊，開關(guān)電源模塊，PWM輸出模塊模塊，AD轉(zhuǎn)換模塊，液晶顯示模塊，鍵盤模塊。本設(shè)計(jì)由開關(guān)電源的主電路和控制電路兩部分組成，主電路主要處理電能，控制電路主要處理電信號(hào)，采用負(fù)反饋構(gòu)成一個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)。開關(guān)電源采用PWM控制方式，通過(guò)給定量與反饋量的比較得到偏差，通過(guò)調(diào)節(jié)器控制PWM輸出，從而控制開關(guān)電源的輸出。當(dāng)鍵盤輸入預(yù)置電壓后其中單片機(jī)模塊，PWM輸出，AD采樣，構(gòu)成單閉環(huán)系統(tǒng)。前端三相交流電源輸入到開關(guān)電源整流模塊，經(jīng)整流濾波后輸出平穩(wěn)的直流電壓。然后經(jīng)過(guò)高精度AD轉(zhuǎn)換器將后端輸出的電壓電流信號(hào)由模擬信號(hào)量變?yōu)閿?shù)字量供給單片機(jī)進(jìn)行PlD運(yùn)算，經(jīng)過(guò)PID控制運(yùn)算后輸出PWM從而構(gòu)成一個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)，控制電壓電流穩(wěn)定輸出，進(jìn)行LCD顯示，從而實(shí)現(xiàn)開關(guān)電源控制系統(tǒng)。

圖一 系統(tǒng)框圖

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整體程序的流程為開始進(jìn)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，然后進(jìn)行按鍵檢測(cè)，有按鍵輸入時(shí)，調(diào)用按鍵控制子程序，輸出一定占空比的PWM，并將設(shè)定的電壓顯示在LCD1602上，接著讀取AD采樣的電壓值，經(jīng)PID控制算法調(diào)節(jié)PWM的占空比，最終得到一個(gè)與設(shè)定電壓非常接近的輸出電壓。這次實(shí)驗(yàn)外接的芯片是AD1674，在程序設(shè)計(jì)時(shí)就要對(duì)AD1674芯片進(jìn)行配置，把AD轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)送入單片機(jī)。本次實(shí)驗(yàn)啟動(dòng)的是12位AD，AD1674接入10V的基準(zhǔn)電壓，所以在對(duì)電壓值進(jìn)行計(jì)算的時(shí)候要使用這個(gè)式子計(jì)算出實(shí)際電壓值。

圖二 程序框圖

PID增量式算法（程序核心）

因?yàn)镻I系統(tǒng)中的I的存在會(huì)使整個(gè)控制系統(tǒng)的響應(yīng)速度受到影響，為了解決這個(gè)問(wèn)題，我們?cè)诳刂浦性黾恿薉微分項(xiàng)，微分項(xiàng)主要用來(lái)解決系統(tǒng)的響應(yīng)速度問(wèn)題，其完整的公式如下：

u(t)=Kp*e(t)+Ki∑e(t)+Kd[e(t)-e(t-1)]+u0

當(dāng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)需要的不是控制量的絕對(duì)值，而是控制量的增量時(shí)，需要用PID的“增量算法”。在PID增量算法中，由于執(zhí)行元件本身是機(jī)械或物理的積分儲(chǔ)存單元，如果給定值發(fā)生突變時(shí)，由算法的比例部分和微分部分計(jì)算出的控制增量可能比較大，如果該值超過(guò)了執(zhí)行元件所允許的最大限度，那么實(shí)際上執(zhí) 2

行的控制增量將時(shí)受到限制時(shí)的值，多余的部分將丟失，將使系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)過(guò)程變長(zhǎng)。糾正這種缺陷的方法是采用積累補(bǔ)償法，當(dāng)超出執(zhí)行機(jī)構(gòu)的執(zhí)行能力時(shí)，將其多余部分積累起來(lái)，而一旦可能時(shí)，再補(bǔ)充執(zhí)行。

所以積分項(xiàng)是一個(gè)歷史誤差的累積值，如果光用比例控制時(shí)，我們知道要不就是達(dá)不到設(shè)定值要不就是振蕩，在使用了積分項(xiàng)后就可以解決達(dá)不到設(shè)定值的靜態(tài)誤差問(wèn)題，比方說(shuō)一個(gè)控制中使用了PI控制后，如果存在靜態(tài)誤差，輸出始終達(dá)不到設(shè)定值，這時(shí)積分項(xiàng)的誤差累積值會(huì)越來(lái)越大，這個(gè)累積值乘上Ki后會(huì)在輸出的比重中越占越多，使輸出u(t)越來(lái)越大，最終達(dá)到消除靜態(tài)誤差的目的。

圖三 電路原理圖

三、開關(guān)電源基本原理

首先是將交流輸入電源經(jīng)整流濾波成脈動(dòng)直流;然后通過(guò)高頻PWM(脈沖寬度調(diào)制)信號(hào)控制開關(guān)管，將那個(gè)直流加到開關(guān)變壓器初級(jí)上;接著開關(guān)變壓器次級(jí)感應(yīng)出高頻電壓，經(jīng)整流濾波供給負(fù)載;最后，輸出部分通過(guò)一定的電路反饋給控制電路，控制PWM占空比，以達(dá)到穩(wěn)定輸出的目的。

根據(jù)調(diào)整管的工作狀態(tài)，我們常把穩(wěn)壓電源分成兩類：線性穩(wěn)壓電源和開關(guān)穩(wěn)壓電源。線性穩(wěn)壓電源，是指調(diào)整管工作在線性狀態(tài)下的穩(wěn)壓電源。

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圖四 開關(guān)穩(wěn)壓電源電路

開關(guān)電源是一種比較新型的電源。它具有效率高，重量輕，可升、降壓，輸出功率大等優(yōu)點(diǎn)。但是由于電路工作在開關(guān)狀態(tài)，所以噪聲比較大。通過(guò)下圖，我們來(lái)簡(jiǎn)單的說(shuō)說(shuō)降壓型開關(guān)電源的工作原理。如圖所示，電路由開關(guān)（實(shí)際電路中為三極管或者場(chǎng)效應(yīng)管），續(xù)流二極管，儲(chǔ)能電感，濾波電容等構(gòu)成。當(dāng)開關(guān)閉合時(shí)，電源通過(guò)開關(guān)、電感給負(fù)載供電，并將部分電能儲(chǔ)存在電感以及電容中。由于電感的自感，在開關(guān)接通后，電流增大得比較緩慢，即輸出不能立刻達(dá)到電源電壓值。一定時(shí)間后，開關(guān)斷開，由于電感的自感作用（可以比較形象的認(rèn)為電感中的電流有慣性作用），將保持電路中的電流不變，即從左往右繼續(xù)流。這電流流過(guò)負(fù)載，從地線返回，流到續(xù)流二極管的正極，經(jīng)過(guò)二極管，返回電感的左端，從而形成了一個(gè)回路。

與線性電源相比，PWM開關(guān)電源更為有效的工作過(guò)程是通過(guò)“斬波”，即把輸入的直流電壓斬成幅值等于輸入電壓幅值的脈沖電壓來(lái)實(shí)現(xiàn)的。脈沖的占空比由開關(guān)電源的控制器來(lái)調(diào)節(jié)�？刂破鞯闹饕�目的是保持輸出電壓穩(wěn)定，其工作過(guò)程與線性形式的控制器很類似。也就是說(shuō)控制器的功能塊、電壓參考和誤差放大器，可以設(shè)計(jì)成與線性調(diào)節(jié)器相同。他們的不同之處在于，誤差放大器的輸出（誤差電壓）在驅(qū)動(dòng)功率管之前要經(jīng)過(guò)一個(gè)電壓/脈沖寬度轉(zhuǎn)換單元。

通過(guò)控制開關(guān)閉合跟斷開的時(shí)間（即PWM——脈沖寬度調(diào)制），就可以控制輸出電壓。如果通過(guò)檢測(cè)輸出電壓來(lái)控制開、關(guān)的時(shí)間，以保持輸出電壓不變，這就實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)壓的目的。

在開關(guān)閉合期間，電感存儲(chǔ)能量；在開關(guān)斷開期間，電感釋放能量，所以

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電感L叫做儲(chǔ)能電感。二極管在開關(guān)斷開期間，負(fù)責(zé)給電感提供電流通路，所以二極管叫做續(xù)流二極管。開關(guān)式穩(wěn)壓電源接控制方式分為調(diào)寬式和調(diào)頻式兩種，在實(shí)際的應(yīng)用中，調(diào)寬式使用得較多，在目前開發(fā)和使用的開關(guān)電源集成電路中，絕大多數(shù)也為脈寬調(diào)制型。

四、在設(shè)計(jì)中所遇到的故障現(xiàn)象、原因及修復(fù)方法及數(shù)據(jù)處理

PWM輸出程序和LCD程序的定時(shí)器中斷沖突，不能跳出循環(huán)。在仿真時(shí)只能運(yùn)行一個(gè)程序，將PWM放進(jìn)定時(shí)器中，不再進(jìn)入主程序循環(huán)，就可以互不影響，兩個(gè)程序就可以同時(shí)運(yùn)行。

穩(wěn)壓電路效果不好，誤差略大。調(diào)整串連穩(wěn)壓電路電感參數(shù)后誤差減小并趨于穩(wěn)定。

原先是對(duì)PWM調(diào)整周期和占空比，發(fā)現(xiàn)周期調(diào)整沒(méi)有效果。在一個(gè)計(jì)時(shí)口不能同時(shí)改變周期和占空比，需要用到兩個(gè)計(jì)時(shí)口才可以。改正之后是可以達(dá)到分別調(diào)整周期和占空比的效果。

實(shí)際測(cè)得的電壓與設(shè)置的電壓對(duì)比表格如下：

五、總結(jié)

經(jīng)過(guò)近一周的電子信息系統(tǒng)綜合設(shè)計(jì)，終于完成了我的串聯(lián)型開關(guān)電源的設(shè)計(jì)，達(dá)到設(shè)計(jì)要求。對(duì)于此次課程設(shè)計(jì)，有許多的感觸與體會(huì)，遇到的難題多，學(xué)習(xí)到的知識(shí)也就更多。這次電子信息系統(tǒng)綜合設(shè)計(jì)是一次理論聯(lián)系實(shí)際的過(guò)程，在這次課程設(shè)計(jì)中遇到了許多實(shí)際問(wèn)題，在理論上正確的結(jié)果可能會(huì)在試驗(yàn)中出現(xiàn)各種意料之外的結(jié)果，這就要我們?cè)谠O(shè)計(jì)過(guò)程中從實(shí)際出發(fā)，盡可能多地考慮各種因素對(duì)實(shí)驗(yàn)的影響。另外，在遇到問(wèn)題時(shí)要學(xué)會(huì)用理論聯(lián)系實(shí)際的方法分析問(wèn)題，解決問(wèn)題。

本次試驗(yàn)我個(gè)人認(rèn)為難在電壓校準(zhǔn)階段，需要耐心的計(jì)算和調(diào)整。在設(shè)計(jì)穩(wěn)壓電路的時(shí)候，我可以連接單片機(jī)電路，這樣就加快了完成的進(jìn)度。最重要 5

的是要熟練地掌握課本上的知識(shí)，這樣才能對(duì)試驗(yàn)中出現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行分析解決。在整個(gè)課程設(shè)計(jì)完后，總的感覺(jué)是：有收獲。以前上課都是上一些最基本的東西而現(xiàn)在卻可以將以前學(xué)的東西作出有實(shí)際價(jià)值的東西。在這個(gè)過(guò)程中，我的確學(xué)得到很多在書本上學(xué)不到的東西，如：如何設(shè)計(jì)一些常用穩(wěn)壓電路等等。但也遇到了不少的挫折，有時(shí)遇到了一個(gè)錯(cuò)誤怎么找也找不到原因所在，找了老半天結(jié)果卻是接頭的方向接錯(cuò)了，有時(shí)更是忘接電源了。在動(dòng)手的過(guò)程中卻很有可能犯錯(cuò)誤，特別是在接電路時(shí)，一不小心就會(huì)犯錯(cuò)，而且很不容易檢查出來(lái)。但現(xiàn)在回過(guò)頭來(lái)看，還是挺有成就感的。通過(guò)這次實(shí)驗(yàn)我對(duì)PWM控制電源使用又有了新的認(rèn)識(shí)。

單片機(jī)在現(xiàn)實(shí)生活中有很大的的實(shí)用價(jià)值，學(xué)好單片機(jī)對(duì)于我們電子專業(yè)非常關(guān)鍵，可以讓自己的知識(shí)儲(chǔ)備更加豐富，而這次課程設(shè)計(jì)正好提供了一個(gè)很好的機(jī)會(huì)加深對(duì)單片機(jī)知識(shí)的掌握。通過(guò)這次課程設(shè)計(jì)，我對(duì)proteus以及Keil等軟件的使用掌握的更加熟練，對(duì)C語(yǔ)言程序與單片機(jī)的結(jié)合有了更深層次的理解。也讓我了解了關(guān)于串聯(lián)型開關(guān)電源的原理與設(shè)計(jì)理念。

最后，本次設(shè)計(jì)讓我充分認(rèn)識(shí)到自己的空想與實(shí)踐的差別，認(rèn)識(shí)莫眼高手低，莫閉門造車，知識(shí)都在不斷更新和流動(dòng)之中，而扎實(shí)的基礎(chǔ)是一切創(chuàng)造的源泉，只有從本質(zhì)上理解了原理，才能更好的學(xué)習(xí)我們這個(gè)電子信息專業(yè)，實(shí)現(xiàn)自己的理想。

六、參考文獻(xiàn)：

1、開關(guān)電源原理、設(shè)計(jì)及實(shí)例 陳純凱

2、模擬電子技術(shù)基礎(chǔ) 童詩(shī)白

3、C 語(yǔ)言模塊化編程 譚浩強(qiáng)

4、遺傳算法入門_經(jīng)典書籍

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