CN105356752B - 一种基于混合终端滑模的双向dc‑dc控制系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于混合终端滑模的双向DC‑DC控制系统，包括双向DC‑DC变换器、混合终端滑模控制器和滞环比较器，所述的双向DC‑DC变换器输入端设有电能存储装置，输出端设有负载电容，所述的混合终端滑模控制器采集双向DC‑DC变换器中的电感电流以及输出端电压信号，产生的控制信号经滞环比较器发送到双向DC‑DC变换器中的开关。与现有技术相比，本发明具有收敛迅速、提高精度等优点。

Description

一种基于混合终端滑模的双向DC-DC控制系统
技术领域
本发明涉及一种双向DC-DC控制器，尤其是涉及一种基于混合终端滑模的双向DC-DC控制系统。
背景技术
在控制系统的性能指标中，收敛性能是很关键的一个指标。然而，在绝大多数的控制设计方法得到的研究结果中，闭环系统最快的收敛速度为指数形式，无法得到更好的收敛性能，究其原因是，它们讨论的均是闭环系统满足Lipschitz连续性质的情况。因此，这些控制分析和综合方法都属于无限时间稳定性和控制问题。从控制系统时间优化角度来看，使闭环系统有限时间收敛的控制方法才是时间最优的控制方法。
目前双向DC-DC变换器的控制以线性滑模控制方法为主，其存在动态响应速度慢，输出电压品质不高等问题。
双向DC-DC变换器包含储能元件，功率开关管等非线性元件，是典型的非线性系统，目前直流变换器以传统的线性滑模面为主，其形式为输出电压误差及其导数和其积分的线性组合，然而这样设计的滑模控制器的收敛结果就是渐进收敛且存在稳态误差，使得系统状态不断趋近而不能达到其期望值，因此直接影响双向DC-DC变换器的输出电压的响应速度与精度。
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一种基于混合终端滑模的双向DC-DC控制系统。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种基于混合终端滑模的双向DC-DC控制系统，包括双向DC-DC变换器、混合终端滑模控制器和滞环比较器，所述的双向DC-DC变换器输入端设有电能存储装置，输出端设有负载电容，所述的混合终端滑模控制器采集双向DC-DC变换器中的电感电流以及输出端电压信号，产生的控制信号经滞环比较器发送到双向DC-DC变换器中的开关。
所述的双向DC-DC变换器为双向半桥变换器拓扑结构，包括电感、第一开关和第二开关，所述的电能存储装置的一级、电感、第一开关、负载电容和电能存储装置的另一极依次连接，所述的第二开关一端连接在电感和第一开关之间，另一端与电能存储装置的另一级连接。
所述的双向DC-DC变换器的输出端通过引入负载电流ibus模拟负载变动，当负载电流ibus的方向与能量输出方向相反时，双向DC-DC变换器工作在降压模式，当负载电流ibus的方向与能量输出方向相同时，双向DC-DC变换器工作在升压模式。
所述的双向DC-DC变换器的状态空间模型为：
其中，iL为电感电流，vc为负载电容电压，ibus为负载电流，vSC为电能存储装置电压，u为第二开关的控制信号，当u＝1时，第二开关导通；u＝0时，第二开关关断，第二开关与第一开关控制信号互补。
所述的混合终端滑模控制器以电感的电流和负载电容电压误差作为控制参量，输出滑模面S通过滞环比较器生成控制信号u控制第一开关和第二开关，当S＞0时，控制信号u为0；S＜0时，控制信号u为1所述的混合终端滑模控制器的控制函数为：
S＝iL+α1(vc-vc *)+α2∫[(vc-vc *)+(vc-vc *)λ]dt
其中，S为滑模面，iL为电感电流，vc-vc *为电压误差，vc为负载电容电压，vc *为vc的参考电压，α1、α2为滑模系数，λ为分数幂且0＜λ＜1。
所述的电能存储装置为蓄电池或者超级电容。
所述的滑模系数α1、α2的选择依照传统线性滑模控制算法来求取。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
本发明将双向DC-DC变换器的电感电流与输出电压作为混合终端滑模控制器的控制参量，采用输出电压误差以及输出电压误差积分与带有分数幂的输出电压误差积分之和的线性组合作为滑模面，保证了双向DC-DC变换器输出电压能够在有限时间内快速有效收敛，从而有效改善双向DC-DC变换器输出侧电压品质，使输出电压在有限时间内稳定，提高输出电压响应速度与精度。
附图说明
图1为双向DC-DC变换器的混合终端滑模控制结策略图。
图2为混合终端滑模控制器结构图。
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。
实施例：
如图1所示，本发明选用电能存储装置作为可充放电元件连接在双向DC-DC变换器的输入端，负载侧电容连接在双向DC-DC变换器的输出端，负载侧电容与电能存储装置通过双向DC-DC变换器连接，形成能量双向传输回路。在负载变动的情况下，双向DC-DC变换器的输出电压会因此发生变动，这时通过控制器控制双向DC-DC变换器，使双向DC-DC变换器的输出电压趋于平稳，采集的双向DC-DC变换器的电感电流信号与输出电压信号作为控制参量，输入到混合终端滑模控制器中，经混合终端滑模控制器运算处理，并通过滞环比较器产生控制信号，控制双向DC-DC变换器，进而控制电能存储装置的充放电，来平稳双向DC-DC变换器的输出电压。
双向DC-DC变换器为双向半桥变换器拓扑结构，它可以实现能量在输入端和输出端之间双向传输，功率不仅可以从输入端流向输出端，也能从输出端流向输入端。电能存储装置连接在双向DC-DC变换器的输入端，负载侧电容连接在双向DC-DC变换器的输出端。负载变动通过负载电流ibus来模拟，当负载电流ibus为负方向(如图1所示负载电流ibus方向为正方向)时，负载侧电容电压vc将高于其参考值vc *，这时控制器使双向DC-DC变换器工作在降压模式，电能存储装置将吸收能量，工作在充电状态，实现能量从负载侧到电能存储装置转移；当负载电流ibus为正方向时，这时，控制器控制双向DC-DC变换器，使其工作在升压模式，电能存储装置将释放能量，通过双向DC-DC变换器，将能量传输给负载侧。通过对双向DC-DC变换器的控制，即可实现负载侧电压vc稳定。
如图2所示，混合终端滑模控制器的设计依据其采用的滑模面S，其滑模面设计为S＝iL+α1(vc-vc *)+α2∫[(vc-vc *)+(vc-vc *)λ]dt，因此该控制器由三部分组成：电感电流iL、输出电压误差vc-vc *和输出电压误差的混合积分∫(vc-vc *)+(vc-vc *)λdt。混合终端滑模控制器的输出为以上三部分的线性组合，即为：S＝iL+α1(vc-vc *)+α2∫[(vc-vc *)+(vc-vc *)λ]dt，其中，α1、α2为控制器的滑模系数，λ为分数幂。在该控制器中，通过引入分数幂λ，使得该控制器具有非线性结构。非线性积分项∫(vc-vc *)+(vc-vc *)λdt的存在，这不仅使得双向DC-DC变换器在较大范围的负载电流ibus作用下，输出电压vc能够快速有效收敛到其参考值vc *，而且能够在有限时间内收敛，改善了双向DC-DC变换器输出电压的收敛性能。
混合终端滑模控制器输出通过滞环比较器，产生双向DC-DC变换器开关控制信号，混合终端滑模控制器输出为S＝iL+α1(vc-vc *)+α2∫[(vc-vc *)+(vc-vc *)λ]dt，由于起支配作用的变量为vc-vc *，因此双向DC-DC变换器的输出电压误差的正负决定了混合终端滑模控制器输出S的方向。当输出电压误差即输出电压vc高于电压参考值vc *时，混合终端滑模控制器输出S＞0，通过滞环比较器，产生控制信号u＝0，将控制信号u＝0输送给第二开关VT2，使VT2关断；同时将滞环比较器输出信号取反得u＝1，将其输送给第一开关VT1，使VT1导通，这时，双向DC-DC变换器工作在降压模式，实现输出电压vc的降低；当输出电压误差时，混合终端滑模控制器输出S＜0，滞环输出为1，将滞环输出信号u＝1输送给第二开关VT2，滞环输出信号取反输送给第一开关VT1，使双向DC-DC变换器工作在升压模式。
构建本控制装置的方法为：
1)双向DC-DC变换器的状态空间模型的建立：
双向DC-DC变换器的电路结构，包括两个控制开关VT1、VT2，电感L，电能存储装置SC及负载侧电容C。在负载侧扰动电流ibus变动的情况下，负载侧电容电压vc会产生波动，为了保持其电压vc的稳定，可通过控制双向DC-DC变换器来维持。
根据基尔霍夫定律,
其中，u为开关VT2的控制律，当u＝1时，开关VT2导通；u＝0时，开关VT2关断，开关VT2与开关VT1控制信号互补。
2)设计双向DC-DC变换器的混合终端滑模控制器：
21)双向DC-DC变换器的混合终端滑模控制器的设计，其滑模面可设计为：
S＝iL+α1(vc-vc *)+α2∫[(vc-vc *)+(vc-vc *)λ]dt (2)
其中，iL为电感电流，vc-vc *为输出电压误差，α1、α2为滑模系数，λ为分数幂，分数幂的取值范围为0＜λ＜1。
22)滑模系数α1、α2的选择
滑模系数α1、α2的选择可依照传统线性滑模控制算法来求取，将求取出来的滑模系数带入到混合终端滑模面S中，根据实际需要再进一步确定参数λ的选取。
令线性滑模面S1＝iL+α1(vc-vc *)+α2∫(vc-vc *)dt，其导数S1′为
将双向DC-DC变换器的状态空间方程(1)带入方程(3)，推出等效控制律：
将公式(4)带入双向DC-DC变换器的模型方程(1)中，得到系统滑动阶段的运动方程。由于滑动阶段运动方程具有非线性，需在平衡点处将方程线性化，经计算化简，最终得出输入电流扰动和输出电压波动间的传递函数：
该传递函数为二阶系统的标准形式，调节系统的阻尼比ξ与系统的角频率ωn，即可得出满足期望运动性能的滑动系数α1、α2。
23)、将步骤22)中计算得到的滑动系数α1、α2带入公式(2)中后需确定参数λ的取值，该值可根据实际需要进一步确定。

Claims (3)

1.一种基于混合终端滑模的双向DC-DC控制系统，其特征在于，包括双向DC-DC变换器、混合终端滑模控制器和滞环比较器，所述的双向DC-DC变换器输入端设有电能存储装置(SC)，输出端设有负载电容(C)，所述的混合终端滑模控制器采集双向DC-DC变换器中的电感电流以及输出端电压信号，产生的控制信号经滞环比较器发送到双向DC-DC变换器中的开关，所述的双向DC-DC变换器为双向半桥变换器拓扑结构，包括电感(L)、第一开关(VT1)和第二开关(VT2)，所述的电能存储装置(SC)的一级、电感(L)、第一开关(VT1)、负载电容(C)和电能存储装置(SC)的另一极依次连接，所述的第二开关(VT2)一端连接在电感(L)和第一开关(VT1)之间，另一端与电能存储装置(SC)的另一级连接，所述的双向DC-DC变换器的输出端通过引入负载电流ibus模拟负载变动，当负载电流ibus的方向与能量输出方向相反时，双向DC-DC变换器工作在降压模式，当负载电流ibus的方向与能量输出方向相同时，双向DC-DC变换器工作在升压模式，
所述的双向DC-DC变换器的状态空间模型为：
<mfenced open = "{" close = ""> <mtable> <mtr> <mtd> <mi>C</mi> <mfrac> <mrow> <msub> <mi>dv</mi> <mi>c</mi> </msub> </mrow> <mrow> <mi>d</mi> <mi>t</mi> </mrow> </mfrac> <mo>=</mo> <mo>-</mo> <msub> <mi>i</mi> <mrow> <mi>b</mi> <mi>u</mi> <mi>s</mi> </mrow> </msub> <mo>+</mo> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>-</mo> <mi>u</mi> <mo>)</mo> <msub> <mi>i</mi> <mi>L</mi> </msub> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <mrow> <mi>L</mi> <mfrac> <mrow> <msub> <mi>di</mi> <mi>L</mi> </msub> </mrow> <mrow> <mi>d</mi> <mi>t</mi> </mrow> </mfrac> <mo>=</mo> <msub> <mi>v</mi> <mrow> <mi>S</mi> <mi>C</mi> </mrow> </msub> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>-</mo> <mi>u</mi> <mo>)</mo> </mrow> <msub> <mi>v</mi> <mi>c</mi> </msub> </mrow> </mtd> </mtr> </mtable> </mfenced>
其中，iL为电感电流，vc为负载电容电压，ibus为负载电流，vSC为电能存储装置电压，u为第二开关的控制信号，当u＝1时，第二开关导通；u＝0时，第二开关关断，第二开关与第一开关控制信号互补；
所述的混合终端滑模控制器以电感(L)的电流和负载电容电压误差作为控制参量，输出滑模面S通过滞环比较器生成控制信号u控制第一开关(VT1)和第二开关(VT2)，所述的混合终端滑模控制器的控制函数为：
S＝iL+α1(vc-vc *)+α2∫[(vc-vc *)+(vc-vc *)λ]dt
其中，S为滑模面，vc-vc *为电压误差，vc为负载电容电压，vc *为vc的参考电压，α1、α2为滑模系数，λ为分数幂且0＜λ＜1。
2.根据权利要求1所述的一种基于混合终端滑模的双向DC-DC控制系统，其特征在于，所述的电能存储装置为蓄电池或者超级电容。
3.根据权利要求1所述的一种基于混合终端滑模的双向DC-DC控制系统，其特征在于，所述的滑模系数α1、α2的选择依照传统线性滑模控制算法来求取。
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