CN104167915A - 一种Buck型DC/DC变换器的控制方法及控制电路 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种Buck型DC/DC变换器的控制方法及控制电路,该方法利用DMC-PID串级和并联两种控制方式对变换器具有较强的鲁棒性及良好的抗扰动性能的特点,将DMC-PID控制方法应用于Buck变换器的动静态控制中,利用DMC和PID两种控制算法分别提高系统的动态响应特性和改善变换器的静态特性,具体包括DMC-PID串级控制方式和DMC-PID并联控制方式两种实现方式。与现有技术相比,本发明具有能显著提高DC/DC变换器动静态性能等优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种DC/DC变换器控制方法及电路,尤其是涉及一种Buck型DC/DC变换器的控制方法及控制电路。
背景技术
燃料电池因具有能量转换效率高,环境友好、无噪音等许多优点被认为是21世纪最有前途的“绿色能源”,近些年来来受到各国政府的高度重视,列为未来十大科技之首。质子交换膜燃料电池因具有燃烧效率高,能量密度大,完全零排放等优点在航天、航海以及电动机车方面有着巨大的市场潜力成为近年来发展最快的燃料电池。但是,由于燃料电池的动态特性偏软,且动态响应能力相比于蓄电池、超级电容来说较为不足,并且由于不同电源的电压电流输出特性不一致当燃料电池与不同电源组合使用时必须增加DC/DC变换器进行电压匹配。
为满足目前对电源性能不断提升的要求,DC/DC变换器正朝着大功率、高效率、智能控制的方向发展。实际应用中,输入电压总是不可避免地存在一些干扰,导致buck变换器输出电压不稳定,因此,国内外学者在变换器的控制方面做了大量的研究。
模型预测控制通常被简称为预测控制,它是以各种不同的预测模型为基础,采用在线滚动优化指标和反馈校正策略,力求有效地克服对象的不确定性、时滞和时变等因素的动态影响,从而达到预期的控制目标,并使系统有良好的鲁棒性和稳定性。动态矩阵控制(Dynamic matrix control,简称DMC)算法是一种基于对象阶跃响应的预测控制算法,响应能力强。PID控制不依赖于控制对象模型,具有良好的抗干扰性,DMC与PID控制相结合可兼具两者的优点。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供Buck型DC/DC变换器的控制方法及控制电路。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现:
一种Buck型DC/DC变换器的控制方法,该方法组合DMC和PID两种算法对Buck型DC/DC变换器进行控制,具体包括DMC-PID串级控制方式或DMC-PID并联控制方式,
所述DMC-PID串级控制方式具体包括步骤:
101)设定动态矩阵算法参数,采样周期T,模型长度N,设定PID的控制参数,Kd,Kp,Ki;
102)设定变换器的参考电压,对PID和DMC的控制参数进行整定;
103)根据反馈信号和变换器的参考电压得到DMC控制信号,所述反馈信号为变换器的输出电压和扰动信号的差;
104)根据将DMC控制信号和变换器的输出电压对变换器进行PID控制;
所述DMC-PID并联控制方式具体包括步骤:
201)设定动态矩阵算法参数,采样周期T,模型长度N,设定PID的控制参数,Kd,Kp,Ki;
202)设定变换器输出的参考电压,并对PID和DMC控制参数进行整定;
203)若变换器输出电压与参考电压之间的差值大于设定切换阈值,则采用DMC控制方法对变换器进行控制,否则采用PID控制方法对变换器进行控制。
在变换器工作时对PID的参数进行调整。
所述步骤203)具体包括步骤:
2031)根据反馈信号和变换器的参考电压得到PID控制信号;
2032)根据反馈信号和变换器的参考电压得到DMC控制信号;
2033)判断偏差值是否大于设定切换阈值,若为是,则采用DMC控制信号控制变换器,若为否,则采用PID控制信号控制变换器。
所述偏差值为DMC控制过程反馈校正环节连续出现的两个输出误差中差值较小的输出误差值。
一种Buck型DC/DC变换器的控制电路,该控制电路包括DMC控制器、PID控制器和Buck型DC/DC变换器,所述PID控制器的输入端与DMC控制器连接,输出端与Buck型DC/DC变换器,所述DMC控制器的输入端分别与Buck型DC/DC、Buck型DC/DC变换器分别与PID控制器和DMC控制器输入端连接;
所述DMC变换器接收反馈信号,并根据该反馈信号和变换器的参考电压得到DMC控制信号,所述PID控制器根据DMC控制信号和Buck型DC/DC变换器的输出电压得到PID控制信号,所述PID控制信号对Buck型DC/DC变换器进行控制。
一种Buck型DC/DC变换器的控制电路,该控制电路包括DMC控制器、PID控制器、选择开关和Buck型DC/DC变换器,所述DMC控制器和PID控制器并联构成控制模块,所述控制模块的输出端通过选择开关与Buck型DC/DC变换器的输入端连接,所述Buck型DC/DC变换器的输出端与所述控制模块的输入端连接;
所述PID控制器和DMC控制器同时接收反馈信号,并根据该反馈信号和变换器的参考电压分别得到PID控制信号和DMC控制信号,所述选择开关根据偏差值与设定切换阈值选择相应的控制信号对变换器进行控制。
所述偏差值为DMC控制过程反馈校正环节连续出现的两个输出误差中差值较小的输出误差值。
一种Buck型DC/DC变换器的控制电路,该控制电路包括DMC控制器、PID控制器、选择开关和Buck型DC/DC变换器,所述DMC控制器和PID控制器并联构成控制模块,所述控制模块的输出端与Buck型DC/DC变换器的输入端连接,输入端通过选择开关与Buck型DC/DC变换器的输出端连接;
所述选择开关接收反馈信号,并根据反馈信号和变换器的参考电压选择导通PID控制器或DMC控制器,所述控制模块根据所述反馈信号和变换器的参考电压对变换器进行控制。
与现有技术相比,本发明通过将动态矩阵控制与PID控制引入DC/DC变换器控制系统,提高了变换器的动、静态性能指标,特别是使得变换器在动态响应与抗干扰性方面的性能有了显著地改善。
附图说明
图1为本发明方法的Buck变换器DMC-PID串级控制系统构成图;
图2为本发明方法的Buck变换器DMC-PID并联控制系统构成图(选择开关在控制器后);
图3为本发明方法的Buck变换器DMC-PID并联控制系统构成图(选择开关在控制器前);
图4为本发明实施方式中系统从初始状态到稳态时的输出电压动态响应图;
图5为本发明实施方式中系统负载发生变化时的输出电压动态响应图;
图6为本发明实施方式中输出电压参考值发生变化时输出电压动态响应图;
其中,SWITCH:选择开关,zouto:阻抗。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施,给出了详细的实施方式和具体的操作过程,但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
一种Buck型DC/DC变换器的控制方法,该方法组合DMC和PID两种算法对Buck型DC/DC变换器进行控制,具体包括DMC-PID串级控制方式或DMC-PID并联控制方式,
DMC-PID串级控制方式具体包括步骤:
101)设定动态矩阵算法参数,采样周期T,模型长度N,设定PID的控制参数,Kd,Kp,Ki;
102)设定变换器的参考电压,对PID和DMC的控制参数进行整定;
103)根据反馈信号和变换器的参考电压得到DMC控制信号,反馈信号为变换器的输出电压和扰动信号的差;
104)根据将DMC控制信号和变换器的输出电压对变换器进行PID控制;
DMC-PID并联控制方式具体包括步骤:
201)设定动态矩阵算法参数,采样周期T,模型长度N,设定PID的控制参数,Kd,Kp,Ki;
202)设定变换器输出的参考电压,并对PID和DMC控制参数进行整定;
203)若变换器输出电压与参考电压之间的差值大于设定切换阈值,则采用DMC控制方法对变换器进行控制,否则采用PID控制方法对变换器进行控制。
在变换器工作时对PID的参数进行调整。
步骤203)具体包括步骤:
2031)根据反馈信号和变换器的参考电压得到PID控制信号;
2032)根据反馈信号和变换器的参考电压得到DMC控制信号;
2033)判断偏差值是否大于设定切换阈值,若为是,则采用DMC控制信号控制变换器,若为否,则采用PID控制信号控制变换器。
偏差值为DMC控制过程反馈校正环节连续出现的两个输出误差中差值较小的输出误差值。
一种Buck型DC/DC变换器的控制电路,该控制电路包括DMC控制器、PID控制器和Buck型DC/DC变换器,PID控制器的输入端与DMC控制器连接,输出端与Buck型DC/DC变换器,DMC控制器的输入端分别与Buck型DC/DC、Buck型DC/DC变换器分别与PID控制器和DMC控制器输入端连接;
在变换器的串级控制电路中,首先对变换器实行闭环PID控制以克服变换器自身的各种非测量扰动。然后,将整个PID闭环控制系统作为被控对象对其实行DMC控制,使Buck变换器控制系统的优化与鲁棒性得以实现,以提高Buck变换器的性能。Buck变换器的DMC-PID双层串级控制系统的结构图如图中所示。
图中,uref为输出电压的参考值,u0(k)为实际输出电压值,为外电路中的电流值。
DMC变换器接收反馈信号,并根据该反馈信号和变换器的参考电压得到DMC控制信号,PID控制器根据DMC控制信号和Buck型DC/DC变换器的输出电压得到PID控制信号,PID控制信号对Buck型DC/DC变换器进行控制。
一种Buck型DC/DC变换器的控制电路,该控制电路包括DMC控制器、PID控制器、选择开关和Buck型DC/DC变换器,DMC控制器和PID控制器并联构成控制模块,控制模块的输出端通过选择开关与Buck型DC/DC变换器的输入端连接,Buck型DC/DC变换器的输出端与控制模块的输入端连接;
在变换器的并联控制系统中,由于DMC对惯性、延迟适应能力强。因此首先采用DMC控制方法,使得系统能够快速的进入稳定状态。由于PID控制的抗干扰能力较强因此当变换器的电压输出值与参考电压值之间的偏差小于某一个值时系统自动转换为PID控制。当系统的电压输出值与参考电压值出现较大的偏差时系统自动重复执行上述过程。Buck变换器的DMC-PID双层并联控制系统的结构图如图中所示。
图中,uref为输出电压的参考值,ue(k)为电压偏差,u0(k)为实际输出电压值,为外电路中的电流值。
PID控制器和DMC控制器同时接收反馈信号,并根据该反馈信号和变换器的参考电压分别得到PID控制信号和DMC控制信号,选择开关根据偏差值与设定切换阈值选择相应的控制信号对变换器进行控制。
偏差值为DMC控制过程反馈校正环节连续出现的两个输出误差中差值较小的输出误差值。
一种Buck型DC/DC变换器的控制电路,如图3所示,该控制电路包括DMC控制器、PID控制器、选择开关和Buck型DC/DC变换器,DMC控制器和PID控制器并联构成控制模块,控制模块的输出端与Buck型DC/DC变换器的输入端连接,输入端通过选择开关与Buck型DC/DC变换器的输出端连接;
选择开关接收反馈信号,并根据反馈信号和变换器的参考电压选择导通PID控制器或DMC控制器,控制模块根据反馈信号和变换器的参考电压对变换器进行控制。
图中,uref为输出电压的参考值,ue(k)为电压偏差,u0(k)为实际输出电压值,为外电路中的电流值。
以下分别对PID串级控制系统,DMC控制系统、DMC-PID并联和DMC-PID串联控制系统进行仿真对比。以验证所设计控制器在系统多种状态下的控制效果。
(1)系统从初始状态到稳态:
系统的输出电压为12V,图4为四种控制策略下的系统动态响应。在四种控制系统中,PID控制系统的调节时间为t=0.35s,无稳态误差,超调量为10%;DMC-PID并联控制系统调节时间为t=0.02s,不存在超调和稳态误差;DMC-PID串联控制系统的调节时间为t=0.25s,超调量为6.83%,稳态误差为0.017V;DMC控制系统的调节时间为0.018s,无超调,但存在0.044V的稳态误差。
(2)系统的负载发生变化:
为验证系统在负载发生波动时,输出电压保持恒定的能力。在t=3s时,使系统的负载产生0.1V的扰动。图5为对应的输出电压动态响应。可以看出,DMC控制系统在受到负载增加的干扰时输出端电压会产生明显的下降,然后随时间的变化逐渐调整输出电压值至稳态值,此过程需要较长的调节时间。而PID与DMC-PID串联、并联控制系统则具有较强的抗干扰能力使得电压不会产生较大波动,从而保持输出电压稳定。
(3)输出电压参考值发生变化
当T=6s时,改变Buck变换器输出电压的参考值使。图6为Buck变换器输出电压的动态响应。PID控制系统的调节时间为t=0.48s,超调量为3.2%,无稳态误差。DMC控制系统的调节时间为t=0.028s,无超调,但存在0.08V的稳态误差。DMC-PID串联控制系统存的调节时间为t=0.25s,超调为1.9%,稳态误差为0.05V。DMC-PID并联控制系统的调节时间为t=0.03s,无稳态误差。
DMC与PID相结合的控制策略继承了DMC控制系统响应速度快,无超调的优点,同时又结合了PID控制无稳态误差和抗负载扰动的优点,因此混合控制系统的综合控制性能优于单独的PID或DMC控制。
相对于DMC-PID串级控制系统,DMC-PID并联控制系统能够获得较高的控制精度,并具有对外部扰动的快速响应等优良的动态特性,更适用于DC/DC变换器以提高系统的整体性能。
Claims (8)
1.一种Buck型DC/DC变换器的控制方法,其特征在于,该方法组合DMC和PID两种算法对Buck型DC/DC变换器进行控制,具体包括DMC-PID串级控制方式或DMC-PID并联控制方式,
所述DMC-PID串级控制方式具体包括步骤:
101)设定动态矩阵算法参数:采样周期T、模型长度N,设定PID的控制参数:Kd、Kp、Ki;
102)设定变换器的参考电压,对PID和DMC的控制参数进行整定;
103)根据反馈信号和变换器的参考电压得到DMC控制信号,所述反馈信号为变换器的输出电压和扰动信号的差;
104)根据将DMC控制信号和变换器的输出电压对变换器进行PID控制;
所述DMC-PID并联控制方式具体包括步骤:
201)设定动态矩阵算法参数:采样周期T、模型长度N,设定PID的控制参数:Kd、Kp、Ki;
202)设定变换器输出的参考电压,并对PID和DMC控制参数进行整定;
203)若变换器输出电压与参考电压之间的差值大于设定切换阈值,则采用DMC控制方法对变换器进行控制,否则采用PID控制方法对变换器进行控制。
2.根据权利要求1所述的一种Buck型DC/DC变换器的控制方法,其特征在于,在变换器工作时对PID的参数进行调整。
3.根据权利要求1所述的一种Buck型DC/DC变换器的控制方法,其特征在于,所述步骤203)具体包括步骤:
2031)根据反馈信号和变换器的参考电压得到PID控制信号;
2032)根据反馈信号和变换器的参考电压得到DMC控制信号;
2033)判断偏差值是否大于设定切换阈值,若为是,则采用DMC控制信号控制变换器,若为否,则采用PID控制信号控制变换器。
4.根据权利要求1所述的一种Buck型DC/DC变换器的控制方法,其特征在于,所述偏差值为DMC控制过程反馈校正环节连续出现的两个输出误差中差值较小的输出误差值。
5.一种实现如权利要求1所述的Buck型DC/DC变换器的控制方法的控制电路,其特征在于,该控制电路包括DMC控制器、PID控制器和Buck型DC/DC变换器,所述PID控制器的输入端与DMC控制器连接,输出端与Buck型DC/DC变换器,所述DMC控制器的输入端分别与Buck型DC/DC、Buck型DC/DC变换器分别与PID控制器和DMC控制器输入端连接;
所述DMC变换器接收反馈信号,并根据该反馈信号和变换器的参考电压得到DMC控制信号,所述PID控制器根据DMC控制信号和Buck型DC/DC变换器的输出电压得到PID控制信号,所述PID控制信号对Buck型DC/DC变换器进行控制。
6.一种实现如权利要求1所述的Buck型DC/DC变换器的控制方法的控制电路,其特征在于,该控制电路包括DMC控制器、PID控制器、选择开关和Buck型DC/DC变换器,所述DMC控制器和PID控制器并联构成控制模块,所述控制模块的输出端通过选择开关与Buck型DC/DC变换器的输入端连接,所述Buck型DC/DC变换器的输出端与所述控制模块的输入端连接;
所述PID控制器和DMC控制器同时接收反馈信号,并根据该反馈信号和变换器的参考电压分别得到PID控制信号和DMC控制信号,所述选择开关根据偏差值与设定切换阈值选择相应的控制信号对变换器进行控制。
7.根据权利要求6所述的一种Buck型DC/DC变换器控制电路,其特征在于,所述偏差值为DMC控制过程反馈校正环节连续出现的两个输出误差中差值较小的输出误差值。
8.一种实现如权利要求1所述的Buck型DC/DC变换器的控制方法的控制电路,其特征在于,该控制电路包括DMC控制器、PID控制器、选择开关和Buck型DC/DC变换器,所述DMC控制器和PID控制器并联构成控制模块,所述控制模块的输出端与Buck型DC/DC变换器的输入端连接,输入端通过选择开关与Buck型DC/DC变换器的输出端连接;
所述选择开关接收反馈信号,并根据反馈信号和变换器的参考电压选择导通PID控制器或DMC控制器,所述控制模块根据所述反馈信号和变换器的参考电压对变换器进行控制。
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