基于Simulink的双向DC-DC变换器双闭环控制系统

资 源 简 介

本系统是一个基于MATLAB Simulink环境开发的电力电子仿真项目，主要实现双向Buck-Boost变换器的能量双向流动控制。该模型采用了先进的电压外环与电流内环级联控制策略（双闭环控制），其核心原理是通过电压外环维持输出电压的稳定，并根据电压偏差生成电流参考值，再由电流内环快速追踪该参考值，从而实现对系统电感电流的精准限制和动态调节。这种控制结构相比于单电压闭环具有更快的动态响应速度、更好的抗负载扰动能力以及更强的电路保护特性。模型中详细包含了直流电源、功率开关管（IGBT或MOSFET）、储能电

详 情 说 明

基于MATLAB的双向DC-DC变换器双闭环控制仿真项目

项目介绍

本项目是一个模拟Simulink建模思想的电力电子仿真程序，旨在演示并验证双向Buck-Boost变换器在电压电流双闭环控制策略下的运行特性。程序通过高度离散化的数学模型，还原了功率开关管的开关动作、电感充放电过程以及滤波电容的电压波动。系统重点展示了在Buck降压模式下，如何通过串级控制维持输出电压稳定，并具备应对负载突变的能力。

功能特性

1. 串级双闭环控制：集成了电压外环和电流内环PI控制器，电压环负责追踪目标电压，电流环负责快速响应电流变化并提供电路保护。
2. 开关逻辑模拟：不同于简化的平均模型，本程序通过20kHz的载波比对生成PWM信号，能够观察到真实的电感电流纹波和电容电压脉动。
3. 负载扰动测试：在仿真过程的中段（0.2秒）自动触发负载电阻从20Ω变为10Ω的突变，用于测试控制系统的稳健性和恢复速度。
4. 电路保护机制：内置了电流参考值限幅和占空比饱和限幅，防止在启动阶段或负载变化时产生损害器件的冲击电流。
5. 自动性能分析：仿真结束后自动计算并输出上升时间、稳态误差及负载恢复时间等关键动力学指标。

系统要求

1. 软件环境：MATLAB R2016b 或更高版本。
2. 基础配置：无需安装额外的Simulink工具箱，仅需标准MATLAB运行环境。

实现逻辑与算法说明

#### 1. 系统初始化与参数配置 程序首先定义了系统的物理特性和控制参数。物理参数包括2mH的储能电感、1000uF的低压侧电容、200V高压输入以及100V的目标输出。仿真步长设定为1微秒，以确保能够精确捕捉20kHz开关频率下的动态过程。

#### 2. 双闭环控制算法实现 控制逻辑采用串级结构，每一步仿真循环中都会执行以下计算：

• 电压外环：计算目标电压与实际电压的偏差，通过PI运算得出所需的电感电流参考值。该参考值被限制在正负20A之间，以起到限幅保护作用。
• 电流内环：将电压环输出的电流参考值作为输入，与实际感应电流比对，通过PI运算并结合前馈补偿逻辑计算出占空比控制量。

#### 3. PWM调制与开关状态 系统利用锯齿波载波与占空比控制量进行实时比对。当控制量大于载波时，上管导通（模拟Buck充电）；反之，下管导通（模拟续流阶段）。这种方式精确模拟了开关电源的物理切换逻辑。

#### 4. 功率电路状态空间求解 程序使用一阶欧拉法数值解算电路的微分方程。基于开关状态动态更新电感两端的电压，进而推导出电流变化率（di/dt）；同时根据电感电流与负载电流的差值计算电容电压的变化率（dv/dt），从而实现对整个功率级物理状态的实时更新。

#### 5. 动态模拟与数据采集 在40万次循环的仿真过程中，程序实时记录输出电压、电感电流、占空比和电流参考值的变化。通过在0.2秒处强制修改负载电阻参数，模拟了系统在遭遇扰动时的动态反馈过程。

关键函数与计算细节分析

• 积分累加算法：PI控制器中的积分项通过误差与步长的乘积进行逐步累加，模拟了模拟电路中的积分器行为。
• 前馈控制策略：在占空比计算中引入了输出电压与输入电压的比值作为前馈项，这有助于提高电流环的处理速度和系统稳定性。
• 数值分析逻辑：程序在仿真结束后，通过查找函数定位输出电压达到稳态值90%的时刻来确认上升时间，并通过对仿真后期数据求均值来评估稳态误差。

结果呈现

仿真运行后将弹出包含三个子图的可视化窗口：

• 第一幅图展示电压追踪特性，重点观察启动阶段的超调量以及0.2秒扰动后的电压波动。
• 第二幅图展示电流内环表现，验证实际电感电流是否能紧跟外环给出的参考曲线。
• 第三幅图展示占空比的动态调整过程。
• 命令行窗口将同步打印系统的量化性能报告。