CN104393756B - 一种直流升压变换器系统控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种直流升压变换器系统先进控制方法，适用于在直流升压变换器系统的高精度控制，该方法基于扩张状态观测器和有限时间控制技术，采取电流跟踪方式，首先对电压变化和电阻负载扰动分别通过设计两个扩张状态观测器来观测扰动，在此基础上设计有限时间控制器从而得到复合控制器来控制直流升压变换器系统在有电压变化和负载电阻扰动情况下能够快速的高精度跟踪目标电压，该方法实现简单，参数调节较少，不但可以提高直流升压变换器系统快速跟踪参考信号的目的，而且可以有效地减小电力电子直流升压变换器稳态波动，满足高性能电力电子升压变换器系统的应用。

Description

一种直流升压变换器系统控制方法

技术领域

本发明涉及电力电子直流升压变换器系统，尤其涉及一种基于扩张状态观测器和有限时间控制技术的直流升压变换器系统控制方法。

背景技术

随着现代科学技术的飞速发展，特别是电力电子技术、微电子技术、数字控制技术和现代控制理论的巨大进步，为电力电子直流开关电源系统的发展创造了有利条件，特别是在机器人、精密雷达、军用武器、新能源光伏系统等对直流开关电源控制性能要求越来越高的领域，直流变换器系统受到越来越多的关注。

目前，直流升压电力电子变换器系统多采用双闭环的控制结构，即内环为电流控制环，外环为电压控制环。控制器多采用PI调节器。其中电流环的作用是提高系统的快速性，及时抑制电流内部的干扰；电压环的作用是提高系统抗负载扰动的能力，抑制电压稳态波动。

在实际直流供电设备中，由于直流变换器系统的工作场合大多要求输出电压精度相当高，而且要求能够快速适应各种不同的工况，但是由于目前采用的PI控制器当系统工作在不同的工况下，例如在有扰动的情况下主要是利用积分来消除扰动对输出电压带来的影响，是一种被动且速度较慢的控制方式，特别是在系统遇到快速时变或者周期性的扰动时很难快速地跟踪给定电压，这些扰动主要包括负载波动，电压输入变化等。如果控制器不对这些扰动快速主动进行处理，则闭环系统很难达到快速且高精度电压输出性能。因此在直流升压电力电子变换器系统存在扰动的情况下，系统能够及时地对扰动进行处理，就能够进一步提高电力电子变换器系统的跟踪速度和精度，满足电力电子系统在高精度电压输出工作领域的应用。

为了能够及时对系统扰动进行处理，提高电力电子直流升压变换器系统的跟踪精度，国内外学者进行了大量的研究。文献(乐江源,谢运祥,洪庆祖等.Boost变换器精确反馈线性化滑模变结构控制[J].中国电机工程学报,2011,31(30):16-23.设计了基于精确反馈线性化的Boost变换器滑模变结构控制方法，通过精确反馈线性化方法将原系统简化成线性系统，设计滑模变结构控制器，但是该方法只考虑单一扰动且没考虑输入电压波动情况下的控制器设计，针对直流升压电力电子变换器控制系统系统，文献(Said Oucheriah,Liping Guo.PWM-based adaptive sliding-mode control for boost DC–DC converters(J).IEEE Transactions on Industrial Electronics,2013，vol.60,no.8,pp.3291-3294.)提出了利用自适应规律设计状态观测器，抑制负载扰动和外部输入电压变化，实验结果表明，该方案能够及时地对扰动进行处理，达到较高的跟踪精度。

发明内容

本发明的目的在于针对直流升压变换器的负载扰动和输入电压变化，提供一种直流升压变换器系统先进控制方法，该方法基于扩张状态观测器和有限时间技术，实现对直流升压变换器系统给定电压跟踪的快速性和准确性。

本发明具体采用如下技术方案：

一种基于扩张状态观测器和有限时间控制技术的直流升压变换器系统控制方法，其特征在于：

步骤一：建立直流升压变换器的模型，以系统的电感电流、电容电压为状态变量，依靠时间平均技术，将时变、非线性的开关电路转换为等效的时不变、线性的连续电路，由此对开关变换器进行大信号瞬态分析，建立系统的状态空间平均模型；

步骤二：对直流升压变换器的输入电压波动和负载电阻变化分别设计扩张状态观测器，对输入电压波动和负载电阻变化进行估计；

步骤三：在已设计的扩张状态观测器的基础上，基于系统的非最小相位特性，选择电感电流作为输出进行控制，在考虑负载电阻变化和输入电压波动的情况下设计有限时间控制器，利用得到的复合控制器实现目标电压的快速、高精度跟踪。

本发明具有以下有益结果：

本发明方法将扩张状态观测器和有限时间控制技术结合的复合控制器应用于直流升压变换器，首先利用扩张状态观测器技术在实验中采集的电压、电流状态信息基础上对扰动进行估计，得到系统中存在的负载扰动和输入电压扰动估计信息后，利用有限时间控制技术设计出复合控制器，在保证系统动态性能的情况下，可以明显地抑制负载变化和输入电压波动引起的扰动，从而大大提高直流升压变换器的跟踪的速度和精度。

基于扩张状态观测器和有限时间控制技术的控制方法应用于直流升压变换器系统，在保证原动态性能的情况下，可以明显提高直流升压变化系统的抗扰性能和跟踪性能，满足直流升压变换器在高精度领域的应用，工程人员只需要较少的调节控制器的参数，与现有的技术相比，具有设计原理简单，易于实现，参数调节相对简单，在确保动态性能的基础上对升压变换器的快速性和精确性明显改善，对负载扰动和输入电压波动都有良好的抑制性等优点，具有很好的应用价值。

附图说明

图1为本发明方法的控制框图；

图2为本发明方法的原理图；

图3为扩张状态观测器结构图；

图4A为在FTC+ESO复合控制器和P+ESO控制器下负载电阻由100Ω突变为50Ω时的直流升压变换器系统输出电压响应实验对比图；

图4B为在FTC+ESO复合控制器和P+ESO控制器下负载电阻由100Ω突变为50Ω时的直流升压变换器系统输出电流响应实验对比图；

图4C为在FTC+ESO复合控制器和P+ESO控制器下负载电阻由100Ω突变为50Ω时的直流升压变换器系统输出控制量响应实验对比图；

图5A为在FTC+ESO复合控制器和P+ESO控制器下输入电压由6V波动至5V时的直流升压变换器系统输出电压响应实验对比图；

图5B为在FTC+ESO复合控制器和P+ESO控制器下输入电压由6V波动至5V时的直流升压变换器系统输出电流响应实验对比图；

图5C为在FTC+ESO复合控制器和P+ESO控制器下输入电压由6V波动至5V时的直流升压变换器系统输出控制量响应实验对比图；

图6为直流升压变换器平台实物图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例在发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体实施过程，但本发明的保护范围不限于下述的实例。

步骤一：

如图1所示结构图，建立一个直流升压变换器的基本结构图，υ_in为输入电压,L为输入端电感,i_L为电感电流,D为二极管,T为开关管,C为输出端电容,R为负载电阻,u为开关管T的控制量输入即控制器输出,υ_c为输出电压,利用电流电压传感器采集输出电压和电感电流信号，反馈到DAQ板卡，在上位机LabVIEW中进行控制算法运算得到控制量输出，经PWM驱动模块控制开关管实现对升压变化器的闭环控制，实现输出电压υ_c对参考电压υ_r的跟踪。以系统的电感电流、电容电压为状态变量，依靠时间平均技术，考虑其强非线性的开关特性，采用连续建模法中的状态空间平均法将状态变量加权平均，将时变、非线性的开关电路转换为等效的时不变、线性的连续电路，由此可对开关变换器进行大信号瞬态分析，建立系统的状态空间平均模型。

以开关管的两种状态，建立升压变换器的模型：

开关管T关断时，控制量输入u＝0，电感电流i_L通过二极管D向输出侧流动，电源功率和电感的储能向负载和电容转移，给电容充电。此时，加在电感上的电压为υ_in-υ_c，因υ_c＞υ_in，故i_L线性减小，i_R为电阻电流，i_C为电容电流，

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\υ}}_{in}=L\frac{{\mathrm{di}}_L}{dt}+{\mathrm{\υ}}_c\\ i_L=i_R+i_C=\frac{{\mathrm{\υ}}_c}{R}+C\frac{{\mathrm{d\υ}}_c}{dt}\end{array}\right.$

开关管T导通时,控制量输入u＝1，输入电压υ_in全部加到升压电感上，电感电流i_L线性增长。此时二极管D截止，负载由滤波电容供电。

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\υ}}_{in}=L\frac{{\mathrm{di}}_L}{dt}\\ \frac{{\mathrm{\υ}}_c}{R}+C\frac{{\mathrm{d\υ}}_c}{dt}=(1-u)i_L\end{array}\right.$

以开关管的两种状态u＝0或1，将上式统一为

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\υ}}_{in}=L\frac{{\mathrm{di}}_L}{dt}+{\mathrm{\υ}}_c=L\frac{{\mathrm{di}}_L}{dt}+(1-u){\mathrm{\υ}}_c\\ \frac{{\mathrm{\υ}}_c}{R}+C\frac{{\mathrm{d\υ}}_c}{dt}=(1-u)i_L\end{array}\right.$

整理模型如下：

$\left\{\begin{array}{c}L\frac{{\mathrm{di}}_L}{dt}=(u-1){\mathrm{\υ}}_c+{\mathrm{\υ}}_{in}\\ C\frac{{\mathrm{d\υ}}_c}{dt}=(1-u)i_L-\frac{{\mathrm{\υ}}_c}{R}\end{array}\right.$

步骤二：如图2框图所示，为直流升压Boost转换器控制系统的框图，利用系统输出电压υ_c、电感电流i_L以及控制器输出u分别设计扩张状态观测器(ESO I,ESOII)分别观测输入电压波动和负载电阻变化产生的扰动d₁(t)和d₂(t)，基于估计的扰动值设计有限时间控制器产生控制量输入u，经PWM驱动放大控制开关管实现输出电压υ_c调节。控制器是指控制的算法，考虑到直流变换器的输入电压波动和负载电阻变化，分别对其设计扩张状态观测器，对负载电阻变化和输入电压波动进行估计，在直流升压变化器统一模型的基础上，将负载电阻变化的扰动定义为根据扩张状态观测器的理论，其观测器可以设计为：

$\left\{\begin{array}{c}{\stackrel{\·}{z}}_1=\frac{(1-u)}{C}{i}_L-\frac{{\mathrm{\υ}}_c}{R_{0}C}-2p_1(z_1-{\mathrm{\υ}}_c)+z_2\\ {\stackrel{\·}{z}}_2=-{p_1}^2(z_1-{\mathrm{\υ}}_c)\end{array}\right.$

式中为负载电阻变化下输出电压的估计值，为负载电阻变化下负载扰动的估计值，参数p₁＞0。将输入电压波动的扰动定义为根据扩张状态观测器的理论，其观测器可以设计为：

$\left\{\begin{array}{c}{\stackrel{\·}{z}}_3=\frac{(u-1)}{L}{\mathrm{\υ}}_c+\frac{{\mathrm{\υ}}_{in0}}{L}-2p_2(z_3-i_L)+z_4\\ {\stackrel{\·}{z}}_4=-{p_2}^2(z_3-i_L)\end{array}\right.$

式中为输入电压波动下输出电压的估计值，为输入电压波动下负载扰动的估计值，R₀为电阻的标称值，参数p₂＞0，分别是z₁,z₂,z₃,z₄的导数。扩张状态观测器结构如图3所示，利用控制量u(t)、输出电压υ_c，通过扩张状态观测器(ESO)获得系统扰动d(t)和输出电压υ_c(t)的观测值和在控制器中进行补偿，实现输出电压υ_c(t)对参考电压υ_r(t)的跟踪，其中G_n(s)为被控对象。

步骤三：在已设计的扩张状态观测器的基础上，Boost变换器选择电压作为输出变量时系统为非最小相位系统，而选择电感电流为系统输出变量时为最小相位系统。因此，考虑到系统的非最小相位特性，选择电感电流作为输出去控制，有利于保证系统的稳定性。在负载电阻变化和输入电压波动的情况下设计有限时间控制器：

$x_1=i_L\left(t\right)-\frac{{\mathrm{\υ}}_r^2}{({\mathrm{\υ}}_{in0}+L{\hat{d}}_2(t\left)\right)}(\frac{1}{R_0}-\frac{C}{{\mathrm{\υ}}_c}{\hat{d}}_1(t\left)\right)$

其中υ_in0为输入电压υ_in的标称值，x₁为重新定义的状态。

根据有限时间控制设计的规律，控制器可以设计为：

$u\left(t\right)=1-\frac{L}{{\mathrm{\υ}}_c}(\frac{{\mathrm{\υ}}_{in0}}{L}+{\hat{d}}_2(t)+\mathrm{\η}\mathrm{sgn}(x_1\left)\right|x_1{|}^{\mathrm{\α}})$

η和α为要设计的参数，当η＞0,0＜α＜1时，闭环系统的输出电压υ_c就实现了对于参考电压υ_r的快速跟踪。

如图6所示，为了进一步验证本实施例提出的基于扩张状态观测器和有限时间控制技术的直流升压变化系统控制的有效性，本实施例中的实验平台是直流升压Boost转换器系统，采用基于NI实时控制板卡的全数字控制实现方式，编程语言为LabVIEW语言。系统的主要组成部分有：由NI公司的控制板卡为核心组成的控制电路部分、由单极性功率场效应管MOSFET为核心的直流升压Boost电路部分及负载功率电阻，霍尔器件等传感器，还包括键盘及显示模块。各个器件的主要用途为：霍尔传感器用于采集电流和电压信号，NI公司的控制板卡为为整个直流升压转换器系统的核心，用于采集电流电压信号，对系统的误差进行观测以及计算输出PWM的占空比等核心运算；上位机键盘和显示模块用于设定参数及显示当前系统状态；功率器件的驱动电路以功率器件MOSFET为核心，它根据上位机生成的PWM控制信号，控制MOSFET导通关断时间。

为了验证所设计的控制器的抗干扰特性，我们将P+ESO和有限时间控制FTC+ESO的控制器的控制效果进行对比。首先考虑无输入电压波动时的情况，输入电压6V，目标值12V，理想占空比为u＝0.5，参数见下表1。

表1系统基本参数

描述	参数	正常数值
			输入电压	υin	6(V)
参考输出电压	υr	12(V)
			电感	L	10(mH)
电容	C	1000(μF)
			负载电阻	R	0(Ω)-200(Ω)

当负载从50Ω变为100Ω，输出电压、电感电流和控制量的对比如图4A-图4C所示，基于扩张状态观测器和有限时间的控制器(FTC+ESO)在负载改变输出电压经小幅扰动后恢复12V，而普通的基于比例和扩张状态观测器(P+ESO)的控制效果无论在上升时间和跟踪精度方面都有较大差距。将负载从输入电压由6V波动至5V时，输出电压、电感电流和控制量的对比见图5A-图5C，同理，系统输出电压其中有限时间控制器的参数设置为η＝20，扩张状态观测器的参数设置为p₁＝p₂＝100000。从图4A-图4C和图5A-图5C可以看出FTC+ESO很大程度上提高了直流升压变换器系统的快速性和准确性。

本实施例将基于扩张状态观测器和有限时间控制技术用于直流升压变换器系统的控制，在直流升压电力电子变换器系统存在扰动的情况下，系统能够及时的对扰动进行处理，能够进一步提高电力电子变换器系统的跟踪精度和速度，满足电力电子直流升压变换器系统在高性能电压输出工作领域的应用。实验结果表明：本方法普适性强，在系统存在扰动的情况下有良好的抗扰动性能，而且可以明显地提高电力电子直流变换器系统的跟踪速度和精度。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干可以预期的改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种直流升压变换器系统控制方法，其特征在于：

步骤一：建立直流升压变换器的模型，以系统的电感电流、电容电压为状态变量，依靠时间平均技术，将时变、非线性的开关电路转换为等效的时不变、线性的连续电路，由此对开关变换器进行大信号瞬态分析，建立系统的状态空间平均模型；

步骤二：对直流升压变换器的输入电压波动和负载电阻变化分别设计扩张状态观测器，对输入电压波动和负载电阻变化进行估计；

步骤三：在已设计的扩张状态观测器的基础上，基于系统的非最小相位特性，选择电感电流作为输出进行控制，在考虑负载电阻变化和输入电压波动的情况下设计有限时间控制器，利用得到的复合控制器实现目标电压的快速、高精度跟踪。

2.如权利要求1所述的直流升压变换器系统控制方法，其特征是步骤一包括以下步骤：

以开关管T的两种状态，建立直流升压变换器的模型：

开关管关断时，控制量输入u＝0，电感电流i_L通过二极管D向输出侧流动，电源功率和电感的储能向负载和电容转移，给电容充电，此时，加在电感上的电压为υ_in-υ_c，υ_in为输入电压，υ_c为输出电压，因υ_c＞υ_in，故i_L线性减小，其中，R为负载电阻，L为输入端电感，C为输出端电容，i_R为电阻电流，i_C为电容电流，

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\υ}}_{in}=L\frac{{\mathrm{di}}_L}{dt}+{\mathrm{\υ}}_c\\ i_L=i_R+i_C=\frac{{\mathrm{\υ}}_c}{R}+C\frac{{\mathrm{d\υ}}_c}{dt}\end{array}\right.$

开关管导通时,控制量输入u＝1，输入电压υ_in全部加到升压电感上，电感电流i_L线性增长，此时二极管D截止，负载由滤波电容供电；

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\υ}}_{in}=L\frac{{\mathrm{di}}_L}{dt}\\ \frac{{\mathrm{\υ}}_c}{R}+C\frac{{\mathrm{d\υ}}_c}{dt}=(1-u)i_L\end{array}\right.$

以开关管的两种状态，将上式统一为

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\υ}}_{in}=L\frac{{\mathrm{di}}_L}{dt}+{\mathrm{\υ}}_c=L\frac{{\mathrm{di}}_L}{dt}+(1-u){\mathrm{\υ}}_c\\ \frac{{\mathrm{\υ}}_c}{R}+C\frac{{\mathrm{d\υ}}_c}{dt}=(1-u)i_L\end{array}\right.$

整理得到系统的状态空间平均模型如下：

$\left\{\begin{array}{c}L\frac{{\mathrm{di}}_L}{dt}=(u-1){\mathrm{\υ}}_c+{\mathrm{\υ}}_{in}\\ C\frac{{\mathrm{d\υ}}_c}{dt}=(1-u)i_L-\frac{{\mathrm{\υ}}_c}{R}\end{array}\right..$

3.根据权利要求2所述的直流升压变换器系统控制方法，其特征是步骤二包括以下步骤：

在步骤一建立的状态空间平均模型基础上，将负载电阻变化的扰动表示为d₁(t)，根据扩张状态观测器的理论，其观测器设计为：

$\left\{\begin{array}{c}{\stackrel{\·}{z}}_1=\frac{(1-u)}{C}{i}_L-\frac{{\mathrm{\υ}}_c}{R_{0}C}-2p_1(z_1-{\mathrm{\υ}}_c)+z_2\\ {\stackrel{\·}{z}}_2=-{p_1}^2(z_1-{\mathrm{\υ}}_c)\end{array}\right.$

式中为负载电阻变化下输出电压的估计值，为负载电阻变化下负载扰动的估计值，参数p₁＞0；

将输入电压波动的扰动表示为d₂(t)，根据扩张状态观测器的理论，其观测器设计为：

$\left\{\begin{array}{c}{\stackrel{\·}{z}}_3=\frac{(u-1)}{L}{\mathrm{\υ}}_c+\frac{{\mathrm{\υ}}_{in0}}{L}-2p_2(z_3-i_L)+z_4\\ {\stackrel{\·}{z}}_4=-{p_2}^2(z_3-i_L)\end{array}\right.$

式中为输入电压波动下输出电压的估计值，为输入电压波动下负载扰动的估计值，R₀为电阻的标称值，参数p₂＞0，分别是z₁,z₂,z₃,z₄的导数。

4.根据权利要求3所述的直流升压变换器系统控制方法，其特征是步骤三包括以下步骤：

以电感电流作为目标输出去控制，在负载电阻可变和输入电压波动的条件下设计有限时间控制器：

$x_1=i_L\left(t\right)-\frac{{\mathrm{\υ}}_r^2}{({\mathrm{\υ}}_{in0}+L{\hat{d}}_2(t\left)\right)}(\frac{1}{R_0}-\frac{C}{{\mathrm{\υ}}_c}{\hat{d}}_1(t\left)\right)$

其中υ_in0为输入电压υ_in的标称值，x₁为重新定义的状态；

根据有限时间稳定控制的规律，控制器设计为：

$u\left(t\right)=1-\frac{L}{{\mathrm{\υ}}_c}(\frac{{\mathrm{\υ}}_{in0}}{L}+{\hat{d}}_2(t)+\mathrm{\η}\mathrm{sgn}(x_1\left){\left|x_1\right|}^{\mathrm{\α}}\right)$

η和α为要设计的参数，当η＞0,0＜α＜1时，闭环系统的输出电压υ_c就实现了对于参考电压υ_r的跟踪。

5.根据权利要求1-4任一所述的直流升压变换器系统控制方法，其特征在于：所述的直流升压变换器是直流升压电力电子变换器。