CN105493389A - 基于瞬态归一化的自适应控制器 - Google Patents

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CN105493389A CN201480044122.9A CN201480044122A CN105493389A CN 105493389 A CN105493389 A CN 105493389A CN 201480044122 A CN201480044122 A CN 201480044122A CN 105493389 A CN105493389 A CN 105493389A
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Abstract

本发明涉及一种用于根据控制律来控制功率变换器的功率级的控制器，该控制律实现特定类型的补偿器，并被预先设计成针对功率级的组件的默认参数值产生默认功率变换器的目标响应。该控制器还被配置成针对功率级的组件的实际参数值确定实际响应，并针对功率级的组件的实际参数值改变控制律，以使得实际响应与目标响应相匹配。控制器通过对实际响应进行滤波以产生经滤波的实际响应并将经滤波的实际响应与延迟的实际响应的乘积进行积分来确定实际响应和目标响应之间的匹配程度。

Description

基于瞬态归一化的自适应控制器
技术领域
本发明涉及一种基于瞬态标准化的自适应控制器、相关的功率变换器以及相关的方法。本发明具体地涉及在自动表征DC/DC变换器的功率级并响应于该表征来调谐补偿器的系统中的DC/DC变换控制器。
背景技术
现有技术系统已经通过借助对用户来说方便和可使用的装置手动调节控制器响应解决了DC-DC变换器调谐的问题(例如[0])。在[0]中，可以认识到，DC-DC转换功率级具有这样的性能，其导致一种方便的方法，该方法用于按比例调节预先设计的补偿器以使得其开环交叉频率和相位裕度在功率级参数变化时近似保持恒定，适合于由终端用户手动调谐而不必重新设计补偿器。
自适应控制方法已经被应用于DC-DC变换器调谐的问题。在[3]和[4]中应用了非参数方法，涉及添加正弦波干扰[3]或感应的环路振荡[4]到系统中以测量诸如相位裕度的环路特性。然而，这些方法可能会受到例如在负载点调节应用中可能常见的外部干扰的影响，并且此外，可能会引入对输出电压的显著的干扰而影响调节性能。
在[5]中，介绍了模型参考脉冲响应方法，其中，提出了两种方法以表征系统的脉冲响应，涉及系统的一次性快速表征和长期统计表征。虽然可以在线使用[5]和[6]中提出的统计方法，但由于所需要的噪声序列的长度，对于许多应用来说收敛时间太长，并且所引入的噪声干扰可能是不希望。[5]中所建议的脉冲摄动方法需要反复引入实验脉冲，同时，实施2-参数搜索以确定调节器参数。这会在调谐期间引入干扰，具有类似于[3、4]关于存在噪声时对外部干扰的灵敏度以及非最佳收敛的缺点。
[7]的控制器示出了能够如何在于前馈控制器中使用LMS滤波器以调谐单个增益，但是没有解决调节器的一般传递函数的自适应控制的问题。该问题在[8]和[9]中得以解决，其中，使用预测误差滤波器(PEF)来基于预测误差的功率的最小化来调谐环路。然而，针对控制器适应的伪开环需求可能导致初始输出电压调节远小于所需要的，并且双参数控制系统可能易于发散，并且因此，不稳定的控制器可能导致某些情况。这些问题在[10]中得以解决，其中，利用PEF来调整两个控制器之间的平衡。但是，仍然存在许多缺陷，例如：
i)针对预先设计和实现两个控制器的要求对于许多用户来说过于复杂；
ii)预测误差的迭代最小化花费一些时间，这意味着由于控制器最初过于保守，因此在收敛时间期间对调节进行折衷。
iii)针对两个固定的控制器中的公共状态变量的要求意味着它们不能是积分控制器，并且改变控制器的积分增益的能力的这种缺乏是保持系统的脉冲响应的限制因素。
另外，[8]、[9]和[10]都将控制结构的类型限制为具有用于稳态调节的前馈元件的ARMA(零/极/非整数)类型结构。绝大多数控制器是PID，并且在能够自动地调谐或调节PID补偿器而不受限制方面存在明显优势。
PCT/EP2014/063987涉及一种用于跨越终端用户设计空间(例如，输出电容)调节补偿器的方法以及一种用于终端用户配置补偿器以使得选择最合适的调整值的装置。鉴于在改变功率级参数(例如，电容C)的同时保持原系统的响应是有利的，希望确定补偿器必须改变以便实现类似的响应的方式。也就是说，可以通过下列方式来实现该目的，即，以通常的方式设计一种基础补偿器并且发明一种用于根据例如C的新值来改变补偿以便维持系统性能的装置。已经显示出，这种关系可以被保持，例如，如果以如下方式将PID控制器的比例增益Kp、积分增益Ki以及微分增益Kd从原始值改变：
F＝Cnew/C，
Kinew＝Ki*sqrt(F)，
Kdnew＝Kd*F，
Kpnew＝Kp*F，
其中，Ki、Kp和Kd表示原始PID控制器的增益(即，原始的补偿器系数集)，Kinew、Kpnew、Kdnew分别表示用于维持系统响应的改变的值，并且Cnew和C表示体电容的新值和原始值。显然，电容C被用作示例，并且系统不限于这一点，而是也可以以类似的方式调整其它参数(例如，L)的变化。
“CircuitandmethodforchangingtransientresponsecharacteristicsofaDC/DCconvertermodule”(美国专利7432692，2008年)。
Kelly，A.的“AsystemandMethodforDesignandSelectingCompensatorsforaDC-DCConverter”(USPTO临时专利申请，2013年7月)。
Morroni，J.、R.Zane和D.Maksimovic的“DesignandImplementationofanAdaptiveTuningSystemBasedonDesiredPhaseMarginforDigitallyControlledDC-DCConverters”(PowerElectronics，IEEETransactionson，2009，24(2)：p.559-564)。
Stefanutti，W.等人的“AutotuningofDigitallyControlledBuckConvertersbasedonRelayFeedback”(PowerElectronicsSpecialistsConference，2005，Recife，Brazil)。
Costabeber，A.等人的“DigitalAutotuningofDC-DCConvertersBasedonaModelReferenceImpulseResponse”(PowerElectronics，IEEETransactionson，2011，26(10)：p.2915-2924)。
Miao，B.、R.Zane和D.Maksimovic的“Practicalon-lineidentificationofpowerconverterdynamicresponses”(inAppliedPowerElectronicsConference，2005，Austin，TX，USA：IEEE)。
Kelly，A.和K.Rinne的“ControlofDC-DCConvertersbyDirectPolePlacementandAdaptiveFeedforwardGainAdjustment”(inAppliedPowerElectronicsConference.2005，Austin，Texas：IEEE)。
Kelly，A.和K.Rinne的“Aself-compensatingadaptivedigitalregulatorforswitchingconvertersbasedonlinearprediction”(inAppliedPowerElectronicsConferenceandExposition，2006，APEC′06，Twenty-FirstAnnualIEEE，2006)。
Kelly，A.的“Aselfcompensatingclosedloopadaptivecontrolsystem”(美国专利7,630,779，USPTO)。
Kelly，A.的“AdaptivecontrolsystemforaDC-DCpowerconverter”(美国专利申请2010005723)。
利用PCT/EP2014/063987中公开的调谐方法提供一种合适的控制器，该控制器用于在功率级参数变化时保持DC-DC变换器的系统响应特性，并且与标准PID控制结构兼容。但是，缺少一种用于表征功率级并且用于响应于所表征的功率级自动改变控制器特性的装置。没有现有技术适于执行该表征：快速(例如，理想地响应于调节器的输出端的单一负载阶跃干扰)；不引入附加的干扰；对外部干扰不敏感。
因此，所需要的是一种将自动表征DC-DC变换器的功率级并且响应于该表征来调谐补偿器的系统。
发明内容
本公开的目的是提供一种用于功率变换器的控制器，该控制器自动地表征DC-DC变换器的功率级，并响应于该表征来调谐补偿器。
该目的利用根据独立装置权利要求的控制器和根据独立方法权利要求的控制功率级的方法来实现。从属权利要求涉及本发明的进一步的方面。
本发明涉及用于根据控制律来控制功率变换器的功率级的控制器，控制律实现特定类型的补偿器并且被预先设计成针对功率级的组件的默认参数值的默认功率变换器产生目标响应。
该响应可以是对任何环路干扰的响应，例如负载阶跃响应。该响应可以是对到负载的输出电压具有可观察到的影响的任何类型的环路干扰。例如，占空比或电压设定点的干扰也会产生可被设计为目标响应的对输出电压的负载响应。
控制器被进一步配置成针对功率级的组件的实际参数值确定实际响应，并针对功率级的组件的实际参数值改变控制律，使得实际响应与负载阶跃响应相匹配。控制器通过对实际响应滤波以产生经滤波的实际响应并对经滤波的实际响应与延迟的实际响应的乘积进行积分来确定实际响应与目标响应之间的匹配程度。
用于对实际响应滤波的滤波器可以包括目标响应的逆滤波器，使得与目标响应完全匹配的实际响应导致除了经滤波的实际响应的第一样本之外的来自滤波器的零输出。
优选地，延迟的实际响应被延迟一个样本以补偿经滤波的实际响应的第一样本，该第一样本即使在滤波器是目标响应的逆滤波器时也是非零的。因此，通过将实际响应延迟一个样本，产生了针对该响应与目标响应之间的匹配程度的零值。
控制器还可以进一步配置成通过线性时间不变增益或通过依赖于实际响应的幅度的增益(例如，常数除以实际响应的2-范数(norm))来按比例调节该实际响应与目标响应之间的匹配程度，以改变控制律。经按比例调节的匹配程度可以被提供给补偿器并且相应地用于调谐该补偿器。补偿器可以是PID补偿器。
因此，控制器在存在干扰时可靠地运行。不需要附加的干扰。为了保留现有DC-DC变换器所希望的系统特征(包括非线性控制特征)，控制器适用于标准的、单个的预先设计的默认补偿器，该补偿器包括诸如PID的积分补偿器。
控制器可以操作为
i)系统的一次性在线表征，需要快速系统识别；或者
ii)适于随时间改变的连续在线操作。
控制器可以被进一步配置成通过下列方式改变控制律：通过选择多种类型的补偿器中的另一种类型的补偿器以及通过针对功率变换器的组件的实际参数值改变实现其它类型的补偿器的控制律，使得对应于默认功率变换器的其它类型的补偿器的目标响应与实际响应相匹配。
控制器还可以被配置成针对多种类型补偿器中的一种补偿器和相应的控制律进行优化。
本发明还涉及一种功率变换器，该功率变换器包括如上所述的控制器以及存储多种类型补偿器的非易失存储器。
本发明还涉及一种用于根据控制律控制功率变换器的功率级的方法，该控制律实现特定类型的补偿器。该方法包括：提供被预先设计成针对功率级的组件的默认参数值产生默认功率变换器的目标响应的控制律；针对功率级的组件的实际参数值确定实际响应；以及针对功率级的组件的实际参数值改变控制律，使得通过对实际响应进行滤波以产生经滤波的实际响应，并且对经滤波的实际响应与延迟的实际响应的乘积进行积分来确定实际响应与目标响应之间的匹配程度，使得实际响应与目标响应相匹配。
附图说明
将对附图进行参考，其中
图1示出了负载阶跃响应；以及
图2示出了负载阶跃响应表征系统；以及
图3示出了当a＝0.5时的矢量u(目标响应)；以及
图4示出了当a＝0.5时的矢量y；以及
图5示出了当a＝0.2时的矢量u；以及
图6示出了当a＝0.2时的矢量y；以及
图7示出了当a＝0.8时的矢量u；以及；
图8示出了当a＝0.8时的矢量y；以及；
图9示出了当a＝-0.5时的矢量u；以及；
图10示出了当a＝-0.5时的矢量y；以及；
图11示出了从二阶脉冲响应得到的矢量u；以及；
图12示出了从二阶脉冲响应得到的矢量y；以及；
图13示出了可自动调谐的补偿器；以及
图14示出了降压变换器的输出电压和感应电流，其中在4.0ms时启动表征，导致此后改进的负载阶跃响应。
具体实施方式
负载阶跃响应(load-stepresponse)是DC-DC变换器的非常重要的动态特性，但是该响应依赖于变换器的环路增益/相位和开环输出阻抗两者。虽然环路增益/相位改变闭环输出阻抗，但是具有相似的环路特性的变换器可以具有不同的负载阶跃响应。因此，与表征环路带宽/相位裕度的方法相比，基于表征负载阶跃响应的形状的方法是有利的。
为了表征负载阶跃响应，有必要具有表示期望的响应的目标负载阶跃响应。与目标负载阶跃响应相比，表征方法识别负载阶跃响应的显著特征。注意，该响应的幅度例如随着负载阶跃幅度和边缘速率(edge-rate)而改变，涉及该响应与目标响应之间的差异的某一函数(即，减法)的方法将会是有问题的。参照图1，目标负载阶跃(a)表示期望的的响应的特性；为了比较，示出了欠阻尼(b)响应和过阻尼(c)响应。
如图2所示，为了表征负载阶跃响应以及量化与目标响应匹配得如何，负载阶跃响应(u)被施加于滤波器21。
经滤波的实际负载阶跃响应被乘以实际的负载阶跃响应(见级23)，并且通过积分器24进行积分，以便确定实际负载阶跃响应与目标负载阶跃响应之间的匹配程度。
需要延迟22来从滤波器移除第一样本。滤波器可以被设计为目标负载阶跃响应的逆滤波器，使得与目标响应完全匹配的实际负载阶跃响应导致来自滤波器的零输出(忽略第一样本)，并且因此，经滤波的实际负载阶跃响应和原始的实际负载阶跃响应的乘积的积分为零。
例如，考虑由矢量u(图3)表示的目标负载阶跃响应(其中，u＝[1，a，a2，a3，...，an])被施加于脉冲响应为矢量h的滤波器，其中，h＝[1，-a]。从滤波器产生的信号为矢量y(图4)，其中，y＝u.h。并且因此，y＝[1，a-a，a2-a2，a3-a3，...，an-an]，其被简化为y＝[1，0，0，0，...，0]。假设零值信号是先验的，则将u延迟一个样本产生u’，其中，u’＝[0，1，a，a2，a3，...，an]，并且因此，乘积的积分的结果为v，其中，v＝u’.y＝0。
现在，考虑u＝[1，b，b2，b3，...，bn]被施加于脉冲响应为矢量h的滤波器，其中，h＝[1，-a]。从滤波器得到的信号为y＝[1，b-a，b2-ab，b3-ab2，...，bn-abn-1]。当b＞a时，矢量y被简化为正值的矢量(忽略第一个值)，并且因此，乘积的积分的结果为正(图7、图8)。当b＜a时，矢量y被简化为负值的矢量(忽略第一个值)，并且因此，乘积的积分的结果为负(图5、图6)。
参数‘a’的负值为振荡响应(图9)建模，这导致矢量y(图10)(其乘积的积分(忽略第一个值))为负。
因此，清楚的是，所提出的表征系统产生了幅度和符号为实际响应和目标响应之间的匹配的测度的值，其中针对与目标响应的完全匹配为零结果值、当‘a’大于期望值时为正结果值、当‘a’小于期望值或是负数时为负结果。
为了说明的清楚起见，已经考虑了简单的两抽头(一阶)FIR滤波器，但是显然可以采用更高阶的FIR滤波器或IIR滤波器来表征更高阶的目标响应。例如，在图11中示出了与滤波器的脉冲响应相等的目标响应矢量，该滤波器的传递函数为(1-0.1z-1)/(1-1.3z-1+0.36z-2)。图12示出了这由传递函数为(1-1.3z-1+0.36z-2)/(1-0.1z-1)的二阶IIR滤波器正确地表征。
如图13所示，图2的表征系统的输出可以被用于调整PID补偿器，其中，补偿器块133是DC-DC变换器的组件，并且按比例调节块132将表征块131连接至补偿器。通过调整值w调整补偿器133。
按比例调节块132可以适当地为：
i)线性时间不变增益；
ii)响应于表征的信号(u)的幅度的增益，例如K/|u|(其中|u|表示u的2-范数)或其它适合的函数。(ii)的优点在于如果从表征块得到的信号从很小的输入信号u得到，则从表征块得到的信号被放大得较大。因此，它表示与如果从大输入信号u获得相同的信号相比，对补偿器的调整的需求更大。
图14示出了降压变换器的输出电压和电感电流，其中在4.0ms时启动表征，导致此后改进的负载阶跃响应。根据需要，调整值w也被示出以表征在仅一个负载阶跃脉冲之后立即导致改进的补偿器调谐的脉冲。
由于表征如上所述地针对负载阶跃脉实施，很明显该方法可以利用非线性补偿器操作，例如其中，根据在特定时刻的系统状态来激活不同的补偿器，并且还与非线性DPWM重启技术兼容。
在表征之后，调整值w可以被存储在NVM中以当变换器在掉电之后下一次加电时被应用。另外，调整值等可以通过通信总线串行或并行地传达，以提供关于响应的表征的信息，该信息在终端电力系统的设计和质量控制中将会是有用的。例如，如果观察到自先前的表征之后值已经改变或与所期望的值截然不同，那么因此可以提醒用户相应地采取行动(例如针对迫近的组件故障)。
很明显这种以及其它组合将是非常有益的。
权利要求书(按照条约第19条的修改)
1.一种控制器，所述控制器用于根据控制律来控制功率变换器的功率级，所述控制律实现特定类型的补偿器，并且被预先设计成针对所述功率级的组件的默认参数值产生默认功率变换器的目标响应；
所述控制器还被配置成针对所述功率级的所述组件的实际参数值确定实际响应；
所述控制器还被配置成通过利用所述目标响应的逆滤波器对所述实际响应进行滤波以产生经滤波的实际响应，并且将所述经滤波的实际响应与延迟的实际响应的乘积进行积分来确定所述实际响应与所述目标响应之间的匹配程度，针对所述功率级的所述组件的所述实际参数值改变所述控制律，使得所述实际响应与所述目标响应相匹配。
2.根据权利要求1所述的控制器，其中，所述延迟的实际响应被延迟一个样本。
3.根据权利要求1或2所述的控制器，其中，用于对所述实际响应进行滤波的滤波器包括所述目标响应的逆滤波器，使得与所述目标响应完全匹配的实际响应导致除了所述经滤波的实际响应的第一样本之外从所述滤波器的零输出。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的控制器，其中，所述控制器被配置成按比例调节所述实际响应与所述目标响应之间的匹配程度，以改变所述控制律。
5.根据权利要求4所述的控制器，其中，所述控制器被配置成按照线性时间不变增益来按比例调节所述匹配程度。
6.根据权利要求4所述的控制器，其中，所述控制器被配置成按照取决于所述实际响应的所述幅度的增益来按比例调节所述匹配程度。
7.根据权利要求6所述的控制器，其中，所述控制器被配置成按照被除以所述实际响应的2-范数的常数来按比例调节所述匹配程度。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的控制器，所述控制器还被配置成通过选择多种类型的补偿器中的另一类型的补偿器并且针对所述功率变换器的所述组件的实际参数值改变实现所述另一类型的补偿器的所述控制律来改变所述控制律，使得与所述默认功率变换器相对应的所述另一类型的补偿器的目标响应与所述实际响应相匹配。
9.根据权利要求8所述的控制器，所述控制器还被配置成优化所述多种类型的补偿器中的一种类型的补偿器以及相应的控制律。
10.一种功率变换器，所述功率变换器包括根据权利要求9所述的控制器，所述功率变换器包括用于存储所述多种类型的补偿器的非易失性存储器。
11.一种根据控制律来控制功率变换器的功率级的方法，所述控制律实现特定类型的补偿器，所述方法包括：
提供所述控制律，所述控制律被预先设计成针对所述功率级的组件的默认参数值产生默认功率变换器的目标响应；
针对所述功率级的所述组件的实际参数值确定实际响应；以及
通过利用所述目标响应的逆滤波器对所述实际响应进行滤波以产生经滤波的实际响应，并且将所述经滤波的实际响应与延迟的实际响应的乘积进行积分来确定所述实际响应与所述目标响应之间的匹配程度，针对所述功率级的所述组件的所述实际参数值改变所述控制律，使得所述实际响应与所述目标响应相匹配。
12.根据权利要求11所述的方法，所述方法还包括：
将所述实际响应延迟一个样本。
13.根据权利要求11或21所述的方法，其中，对所述实际负载阶跃响应进行滤波包括：使用所述目标响应的逆滤波器，使得与所述目标响应完全匹配的实际响应导致除了所述经滤波的实际响应之外从所述滤波器的零输出。
14.根据权利要求11至13中任一项所述的方法，其中，改变所述控制律包括：
选择多种类型的补偿器中的另一种类型的补偿器；以及
针对所述功率级的所述组件的实际参数值改变实现其它类型的补偿器的所述控制律，使得所述实际响应与其它类型的补偿器的所述目标响应相匹配。
15.根据权利要求13所述的方法，所述方法还包括：
优化所述多种类型的补偿器中的一种类型的补偿器以及相应的控制律。

Claims (15)

1.一种控制器，所述控制器用于根据控制律来控制功率变换器的功率级，所述控制律实现特定类型的补偿器，并且被预先设计成针对所述功率级的组件的默认参数值产生默认功率变换器的目标响应；
所述控制器还被配置成针对所述功率级的所述组件的实际参数值确定实际响应；
所述控制器还被配置成通过对所述实际响应进行滤波以产生经滤波的实际响应，并且将所述经滤波的实际响应与延迟的实际响应的乘积进行积分来确定所述实际响应与所述目标响应之间的匹配程度，针对所述功率级的所述组件的所述实际参数值改变所述控制律，使得所述实际响应与所述目标响应相匹配。
2.根据权利要求1所述的控制器，其中，所述延迟的实际响应被延迟一个样本。
3.根据权利要求1或2所述的控制器，其中，用于对所述实际响应进行滤波的滤波器包括所述目标响应的逆滤波器，使得与所述目标响应完全匹配的实际响应导致除了所述经滤波的实际响应的第一样本之外从所述滤波器的零输出。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的控制器，其中，所述控制器被配置成按比例调节所述实际响应与所述目标响应之间的匹配程度，以改变所述控制律。
5.根据权利要求4所述的控制器，其中，所述控制器被配置成按照线性时间不变增益来按比例调节所述匹配程度。
6.根据权利要求4所述的控制器，其中，所述控制器被配置成按照取决于所述实际响应的所述幅度的增益来按比例调节所述匹配程度。
7.根据权利要求6所述的控制器，其中，所述控制器被配置成按照被除以所述实际响应的2-范数的常数来按比例调节所述匹配程度。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的控制器，所述控制器还被配置成通过选择多种类型的补偿器中的另一类型的补偿器并且针对所述功率变换器的所述组件的实际参数值改变实现所述另一类型的补偿器的所述控制律来改变所述控制律，使得与所述默认功率变换器相对应的所述另一类型的补偿器的所述目标响应与所述实际响应相匹配。
9.根据权利要求8所述的控制器，所述控制器还被配置成优化所述多种类型的补偿器中的一种类型的补偿器以及相应的控制律。
10.一种功率变换器，所述功率变换器包括根据权利要求9所述的控制器，所述功率变换器包括用于存储所述多种类型的补偿器的非易失性存储器。
11.一种根据控制律来控制功率变换器的功率级的方法，所述控制律实现特定类型的补偿器，所述方法包括：
提供所述控制律，所述控制律被预先设计成针对所述功率级的组件的默认参数值的默认功率变换器产生目标响应；
针对所述功率级的所述组件的实际参数值确定实际响应；以及
通过对所述实际响应进行滤波以产生经滤波的实际响应，并且将所述经滤波的实际响应与延迟的实际响应的乘积进行积分来确定所述实际响应与所述目标响应之间的匹配程度，针对所述功率级的所述组件的所述实际参数值改变所述控制律，使得所述实际响应与所述目标响应相匹配。
12.根据权利要求11所述的方法，所述方法还包括：
将所述实际响应延迟一个样本。
13.根据权利要求11或21所述的方法，其中，对所述实际负载阶跃响应进行滤波包括：使用所述目标响应的逆滤波器，使得与所述目标响应完全匹配的实际响应导致除了所述经滤波的实际响应之外的来自所述滤波器的零输出。
14.根据权利要求11至13中任一项所述的方法，其中，改变所述控制律包括：
选择多种类型的补偿器中的另一种类型的补偿器；以及
针对所述功率级的所述组件的实际参数值改变实现其它类型的补偿器的所述控制律，使得所述实际响应与其它类型的补偿器的所述目标响应相匹配。
15.根据权利要求13所述的方法，所述方法还包括：
优化所述多种类型的补偿器中的一种类型的补偿器以及相应的控制律。
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