CN101393578B - 基于有限状态机的Boost电路建模方法及其应用 - Google Patents

Abstract

一种基于有限状态机的Boost电路建模方法及其应用，其特征在于它包括以下工作步骤：①确定工作状态个数；②确定工作状态间的转换条件；③建立数学方程；④根据参数确定矩阵；⑤建立模型；本发明的优越性在于：利用有限状态机对Boost电路建立的模型十分精确，并易于分析系统的控制特性，特别针对变换器系统的一些由开关切换引起的复杂特性；Boost电路具有体积小、结构简单、变换效率高等优点。

Description

基于有限状态机的Boost电路建模方法及其应用

(一)技术领域：

本发明涉及一种Boost电路的建模方法及其应用，特别是一种基于有限状态机(finite state machines，FSM)的Boost电路建模方法及其应用，属于电力电子技术和混杂系统领域。

(二)背景技术：

近年出现的混杂系统使得电力电子电路控制理论的研究成为可能，也为电力电子系统的建模提供了许多新的方案，诸如自动机模型、混杂Petri网模型、切换系统模型、混合逻辑动态系统模型等。

从系统工作特点看，电力电子电路是一种典型的混杂动态系统，由于开关器件的存在，而具有多种工作模式，不同的工作模式对应于不同的电路拓扑，功率开关的开通与关断来驱动系统在不同模式间转换。而作为混杂动态建模的自动机理论——用有限状态机对Boost电路建立的模型十分精确，并易于分析系统的控制特性，特别是变换器系统的一些由开关切换引起的复杂特性。

目前已研究的建模方法主要有状态空间平均法、开关平均法等方法。它们都是一种近似的方法，平均作用简化了系统模型，牺牲了系统的精确度。它只对缓慢变化的信号有效，在高频开关状态与实际有较大的偏差；它只能在宏观上了解变换器的性能，无法准确的得到它的运动规律。因此，有必要采用一种适合变换器开关特性的系统分析方法对其进行分析和建模，混杂系统能够使电力电子电路精确建模。因此，研究一种对电力电子电路精确建模的方法将是对电力电子电路分析的一个重要研究内容。

(三)发明内容：

本发明的目的在于提供一种基于有限状态机的Boost电路建模方法及其应用，利用有限状态机对Boost变换器建立精确的模型，通过所建模型能够分析得出变换器控制系统完整的控制特性，可以从混杂系统的角度来分析电路的变化规律、控制策略以及故障诊断等；在电力电子系统中引入现代非线性理论，弥补电力电子系统的控制基础理论，促使电力电子技术向更高的层次发展。

本发明的技术方案：一种基于有限状态机的Boost电路建模方法，其特征在于它包括以下工作步骤：

(1)分析Boost电路，确定系统的工作状态，得出工作状态的个数；

(2)确定Boost电路各个工作状态之间的转换条件，从而确定系统的离散事件；

(3)确定系统的状态变量和输入变量、输出变量，建立Boost电路的状态方程和输出方程；

(4)根据电路参数确定系统的输入矩阵、状态矩阵和输出矩阵；

(5)利用有限状态机建立Boost电路的模型。

上述所说的步骤(1)中Boost电路是由恒压源、电感、滤波电容、二极管、功率开关器件和负载组成；这里的负载选用的是电阻；其中，电感一端连接恒压源正极，另一端既连接二极管正极，又连接功率开关器件一端；功率开关器件另一端连接恒压源负极；二极管负极既与滤波电容相连接，又与负载连接；滤波电容另一端和负载另一端连接到恒压源负极；其中，所说的功率开关器件可以是晶闸管、IGBT等开关器件。

上述所说的步骤(1)中系统的工作状态包括3个状态：分别是电感的储能过程，滤波电容的充电过程，和电感电流的断续过程；其中，电感的储能过程是指当功率开关器件处于通态时，二极管截止，恒压源作用于电感两端，向电感充电，电感电流i_L线性上升；滤波电容的充电过程是指当功率开关器件关断时，二极管快速导通，恒压源和电感共同向电容充电，并向负载提供能量；电感电流的断续过程是指在功率开关器件处于断态的期间，电感电流i_L下降速度较快，在下一周期功率开关器件导通之前，i_L已经衰减到零，从而出现了电流的断续状态。

上述所说的步骤(2)中离散事件是触发Boost电路各个工作状态之间转换的条件，包括功率开关器件的导通与关断；电路中所有电力电子器件导通或关断的一种组合就是一个离散事件，离散事件驱动着电力电子电路在各个工作拓扑中切换，其离散事件状态总是与电路工作模式相对应。

上述所说的步骤(3)中状态变量具体是指电感电流i_L和滤波电容电压U_C，输入变量具体是指恒压源电压U_S，输出变量具体是指负载电压U_R。

上述所说的步骤(3)中Boost电路的状态方程和输出方程为：

$\begin{array}{c}\stackrel{\·}{x}=A_{m}x+B_{n}u\\ y=x\end{array},$ m＝1，2；n＝1，2；x，y，u分别是指步骤(3)

所说的状态变量，输出变量，输入变量；Am，Bn，C分别是指步骤(4)所说的状态矩阵，输入矩阵，输出矩阵。

上述所说的步骤(4)中输入矩阵有

状态矩阵有

R，L，C分别是指电阻，电感，滤波电容。

上述所说的步骤(5)中有限状态机输出二进制信号，来选择相应的状态矩阵和输入矩阵，来确定状态方程和输出方程，从而确定输出的电感电流和滤波电容的电压。

本发明的工作原理为：

该模型反映了Boost电路的每一个工作模态，利用有限状态机输出二进制信号，来选择相应的矩阵，来确定某一工作模态的状态方程和输出方程，从而确定输出的电容电压和电感电流。

Boost电路根据电感的稳态伏秒平衡原理，通过控制电压占空比来达到Boost变换器的升压性能。

结合Boost电路拓扑图，确定系统的状态变量、输入变量和输出变量，得出系统的状态方程和输出方程；由于功率开关管的作用，系统呈现出不同的工作状态，在每个工作状态有着不同的拓扑，通过分析各状态之间的转换条件，可以确定整个系统是一个典型的混杂系统，得出各个工作模式的状态方程；利用有限状态机的逻辑判断能力，通过输出参数来选择状态矩阵和输入矩阵，从而构建了不同时刻内的状态方程，来控制系统的输出电压和电感电流，建立了Boost电路的有限状态机模型；自动机理论中的有限自动机模型，是一个有效的对混杂动态系统建模的工具。

本发明的优越性在于：1、利用有限状态机对Boost电路建立的模型十分精确，并易于分析系统的控制特性，特别针对变换器系统的一些由开关切换引起的复杂特性；2、Boost电路具有体积小、结构简单、变换效率高等优点。

(四)附图说明：

附图1为本发明所涉一种基于有限状态机的Boost电路建模方法的BOOST电路拓扑图。

附图2为本发明所涉一种基于有限状态机的Boost电路建模方法的BOOST电路的有限状态机示意图。

附图3为本发明所涉一种基于有限状态机的Boost电路建模方法的BOOST电路整体结构示意图。

其中，U_s为Boost电路的输入电压源；L为储能电感；C为滤波电容；R为负载电阻；SW为功率开关器件；IDEAL为二极管；

为状态方程，其中，m＝1，2；n＝1，2；A₁，A₂，B₁，B₂分别为相应状态的状态矩阵，输入矩阵；i_L，T_s，t_on分别为有限状态机FSM的输入电感电流、周期和开关管闭合时间；S_a，S_b分别为有限状态机FSM的输出。

(五)具体实施方式：

实施例：一种基于有限状态机的Boost电路建模方法(见附图1、2、3)，其特征在于它包括以下工作步骤：

(1)分析Boost电路，确定系统的工作状态，得出工作状态的个数；

(2)确定Boost电路各个工作状态之间的转换条件，从而确定系统的离散事件；

(3)确定系统的状态变量和输入变量、输出变量，建立Boost电路的状态方程和输出方程；

(4)根据电路参数确定系统的输入矩阵、状态矩阵和输出矩阵；

(5)利用有限状态机建立Boost电路的模型。

上述所说的步骤(1)中Boost电路(见附图1)是由恒压源、电感、滤波电容、二极管、功率开关器件和负载组成；这里的负载选用的是电阻；其中，电感一端连接恒压源正极，另一端既连接二极管正极，又连接功率开关器件一端；功率开关器件另一端连接恒压源负极；二极管负极既与滤波电容相连接，又与负载连接；滤波电容另一端和负载另一端连接到恒压源负极；其中，所说的功率开关器件可以是晶闸管、IGBT等开关器件。

上述所说的步骤(1)中系统的工作状态(见附图2、3)包括3个状态：分别是电感的储能过程，滤波电容的充电过程，和电感电流的断续过程；其中，电感的储能过程是指当功率开关器件处于通态时，二极管截止，恒压源作用于电感两端，向电感充电，电感电流i_L线性上升；滤波电容的充电过程是指当功率开关器件关断时，二极管快速导通，恒压源和电感共同向电容充电，并向负载提供能量；电感电流的断续过程是指在功率开关器件处于断态的期间，电感电流i_L下降速度较快，在下一周期功率开关器件导通之前，i_L已经衰减到零，从而出现了电流的断续状态。

上述所说的步骤(2)中离散事件(见附图2、3)是触发Boost电路各个工作状态之间转换的条件，包括功率开关器件的导通与关断；电路中所有电力电子器件导通或关断的一种组合就是一个离散事件，离散事件驱动着电力电子电路在各个工作拓扑中切换，其离散事件状态总是与电路工作模式相对应。

上述所说的步骤(3)中状态变量(见附图2、3)具体是指电感电流i_L和滤波电容电压U_C，输入变量(见附图2、3)具体是指恒压源电压U_S，输出变量(见附图2、3)具体是指负载电压U_R。

上述所说的步骤(3)中Boost电路的状态方程和输出方程(见附图2、3)为：

$\begin{array}{c}\stackrel{\·}{x}=A_{m}x+B_{n}u\\ y=x\end{array},$ m＝1，2；n＝1，2；x，y，u分别是指步骤(3)所说的状态变量，输出变量，输入变量；Am，Bn，C分别是指步骤(4)所说的状态矩阵，输入矩阵，输出矩阵。

上述所说的步骤(4)中输入矩阵(见附图2、3)有

状态矩阵有(见附图2、3)

R，L，C分别是指电阻，电感，滤波电容。

上述所说的步骤(5)中有限状态机(见附图2、3)输出二进制信号，来选择相应的状态矩阵和输入矩阵，来确定状态方程和输出方程，从而确定输出的电感电流和滤波电容的电压。

Claims (8)

1.一种基于有限状态机的Boost电路建模方法，其特征在于它包括以下工作步骤：

(1)分析Boost电路，确定系统的工作状态，得出工作状态的个数；

(2)确定Boost电路各个工作状态之间的转换条件，从而确定系统的离散事件；

(3)确定系统的状态变量和输入变量、输出变量，建立Boost电路的状态方程和输出方程；

(4)根据电路参数确定系统的输入矩阵、状态矩阵和输出矩阵；

(5)利用有限状态机建立Boost电路的模型。

2.根据权利要求1所说的一种基于有限状态机的Boost电路建模方法，其特征在于：所说的步骤(1)中Boost电路是由恒压源、电感、滤波电容、二极管、功率开关器件和负载组成；这里的负载选用的是电阻；其中，电感一端连接恒压源正极，另一端既连接二极管正极，又连接功率开关器件一端；功率开关器件另一端连接恒压源负极；二极管负极既与滤波电容相连接，又与负载连接；滤波电容另一端和负载另一端连接到恒压源负极；其中，所说的功率开关器件可以是晶闸管、IGBT等开关器件。

3.根据权利要求2所说的一种基于有限状态机的Boost电路建模方法，其特征在于：所说的步骤(1)中系统的工作状态包括3个状态：分别是电感的储能过程，滤波电容的充电过程，和电感电流的断续过程；其中，电感的储能过程是指当功率开关器件处于通态时，二极管截止，恒压源作用于电感两端，向电感充电，电感电流i_L线性上升；滤波电容的充电过程是指当功率开关器件关断时，二极管快速导通，恒压源和电感共同向电容充电，并向负载提供能量；电感电流的断续过程是指在功率开关器件处于断态的期间，电感电流i_L下降速度较快，在下一周期功率开关器件导通之前，i_L已经衰减到零，从而出现了电流的断续状态。

4.根据权利要求1所说的一种基于有限状态机的Boost电路建模方法，其特征在于：所说的步骤(2)中离散事件是触发Boost电路各个工作状态之间转换的条件，包括功率开关器件的导通与关断；电路中所有电力电子器件导通或关断的一种组合就是一个离散事件，离散事件驱动着电力电子电路在各个工作拓扑中切换，其离散事件状态总是与电路工作模式相对应。

5.根据权利要求1所说的一种基于有限状态机的Boost电路建模方法，其特征在于：所说的步骤(3)中状态变量具体是指电感电流i_L和滤波电容电压U_C，输入变量具体是指恒压源电压U_S，输出变量具体是指负载电压U_R。

6.根据权利要求1所说的一种基于有限状态机的Boost电路建模方法，其特征在于：所说的步骤(3)中Boost电路的状态方程和输出方程为：

m＝1，2；n＝1，2；x，y，u分别是指步骤(3)所说的状态变量，输出变量，输入变量；Am，Bn，C分别是指步骤(4)所说的状态矩阵，输入矩阵，输出矩阵。

7.根据权利要求1所说的一种基于有限状态机的Boost电路建模方法，其特征在于：所说的步骤(4)中输入矩阵有

状态矩阵有

R，L，C分别是指电阻，电感，滤波电容。

8.根据权利要求1所说的一种基于有限状态机的Boost电路建模方法，其特征在于：所说的步骤(5)中有限状态机输出二进制信号，来选择相应的状态矩阵和输入矩阵，来确定状态方程和输出方程，从而确定输出的电感电流和滤波电容的电压。

Images