CN110190753B

CN110190753B - 一种直流变换器状态反馈模型预测控制方法

Info

Publication number: CN110190753B
Application number: CN201910454865.8A
Authority: CN
Inventors: 孟繁荣; 刘永伟; 巩冰; 李鹏; 边笑宇; 杨天奇; 吴悠
Original assignee: Harbin Engineering University
Current assignee: Harbin Engineering University
Priority date: 2019-05-29
Filing date: 2019-05-29
Publication date: 2021-01-05
Anticipated expiration: 2039-05-29
Also published as: CN110190753A

Abstract

本发明公开一种直流变换器状态反馈模型预测控制方法,首先将根据直流变换器电路模型建立的输出量状态微分方程进行离散化处理得到预测模型，进而得到下一控制周期输出量预测值；将输出量实际反馈值与预测值间的偏差经PI控制器调节后补偿到输出量预测值；采用两步预测，利用补偿校正后的预测值再向前迭代一步得到变换器在第k+2个控制周期的输出量预测值，令其与给定值相等求解得到直流变换器在该控制方法下的第k+1个控制周期应施加的最优控制量D_k+1。本发明是一种基于状态反馈的模型预测控制方法，利用实时信息进行反馈校正可以把下一步的预测和优化建立在更接近实际的基础上，提高变换器的鲁棒性且具有动态效果好，数字实现容易等优点。

Description

一种直流变换器状态反馈模型预测控制方法

技术领域

本发明涉及一种直流变换器控制方法，特别是一种直流变换器状态反馈模型预测控制方法，属于电力电子技术领域。

背景技术

随着电力电子技术与新型控制理论的发展，对直流变换器的动态响应特性和抗干扰能力等指标提出了更高的要求。在含有直流变换器的电力电子电源系统中也往往需要控制系统具有很好的控制性能来达到变换器在输入和负载不断变化等工况下输出快速响应或保持稳定的目的。而传统基于PI控制器的电压环控制策略，因其固有的滞后特性，会导致变换器的动态特性较差。模型预测控制(Model Predictive Control,MPC)因其建模直观，动态响应快等优点，近年来已在变流器领域得到了广泛的研究及应用。因此，本发明基于预测控制，结合传统PI控制算法，提出了一种带状态反馈校正的直流变换器预测控制策略。该方法在提高变换器动态响应特性的同时改善了预测控制过度依赖模型，鲁棒性差的缺点，进而可以提升整个电源系统对易变电路参数的抗干扰能力。

发明内容

针对上述现有技术，本发明要解决的技术问题是提供一种结合传统PI控制算法且带状态反馈校正的、具有良好鲁棒性、动态性能和抗干扰能力的直流变换器状态反馈模型预测控制方法。

为解决上述技术问题，本发明的一种直流变换器状态反馈模型预测控制方法，包括以下步骤：

步骤1：根据直流变换器的电路模型，以输出电压为状态变量，根据基尔霍夫电压定律建立系统的状态微分方程；

步骤2：采用前向欧拉法对状态微分方程进行离散化处理，得到直流变换器的预测模型；

步骤3：采样直流变换器第k个控制周期的实际输出电压值U_o(k)和电流值I_o(k)，对采样信号施加野点剔除算法，将经野点剔除算法处理后的电压和电流信号分别记为U_oc(k)和I_oc(k)；

步骤4：代入处理后的U_oc(k)和I_oc(k)，运行系统的预测模型，得到系统在下一个控制周期的输出电压预测值U_op(k+1)；

步骤5：把U_oc(k)和第k-1个控制周期校正补偿后的预测输出值U_opc(k)的误差通过PI调节器运算后补偿到当前控制周期电压预测值U_op(k+1)中，得到经状态反馈校正补偿后的下一控制周期的输出电压预测值U_opc(k+1)，并存储U_opc(k+1)作为下一控制周期求取误差中的预测输出值；

步骤6：将补偿后的输出电压预测值U_opc(k+1)再次代入预测模型，得到第k+2个控制周期的输出电压预测值U_op(k+2)；

步骤7：假设期望输出电压值为U_oref，令电压预测值等于期望输出电压值，即U_op(k+2)＝U_oref，且设定I_oc(k)＝I_oc(k+1)，求得直流变换器在第k+1个控制周期应实施的最优控制量D_k+1，并存储D_k+1；

步骤8：运行PWM调制器，根据最优控制量产生调制信号，将调制信号与载波信号做比较产生用于开关管驱动的脉冲信号控制开关管；

步骤9：判断是否结束，如果结束退出运行，否则下一控制周期开始，返回至步骤3。

步骤1中的状态微分方程满足：

其中：U_o为输出电压，C为输出滤波电容，U_in为输入电压，T_s＝1/f_s为开关周期，L为电路等效电感，R为负载，I_ave＝f(D_k,L,U_in,T_s)为变换器平均输出电流，D_k是上一控制周期预测的当前控制周期应施加的最优控制量。

直流变换器的预测模型满足：

其中，I_ave(k)表示第k个控制周期的变换器平均输出电流。

下一控制周期的输出电压预测值U_opc(k+1)满足：

U_opc(k+1)＝U_op(k+1)+K_p{U_oc(k)-U_opc(k)+K_i∫[U_oc(k)-U_opc(k)]dt}

其中：K_p和K_i为PI控制器参数，U_opc(k)为上一控制周期校正补偿后的预测输出值。

步骤七中U_op(k+2)＝U_oref具体为：

最优控制量为移项比或占空比。

本发明有益效果：在本发明所述控制方法中，首先将根据直流变换器电路模型建立的输出量状态微分方程进行离散化处理得到预测模型，进而得到下一控制周期输出量预测值；为减小实际中模型失配、环境干扰等因素对输出量预测值最优性的影响，将输出量实际反馈值与预测值间的偏差经PI控制器调节后补偿到输出量预测值；为改善控制延时，采用两步预测，即利用补偿校正后的预测值再向前迭代一步得到变换器在第k+2个控制周期的输出量预测值，令其与给定值相等求解得到直流变换器在该控制方法下的第k+1个控制周期应施加的最优控制量D_k+1。本发明利用实时信息进行反馈校正可以把下一步的预测和优化建立在更接近实际的基础上，提高变换器的鲁棒性且具有动态效果好，数字实现容易等优点。本发明在提高变换器动态响应特性的同时改善了预测控制过度依赖模型，鲁棒性差的缺点，进而可以提升整个电源系统对易变电路参数的抗干扰能力。

附图说明

附图1为专利所述方法流程图；

附图2为专利所述用于示例的隔离式双向DC-DC变换器的电路拓扑图；

附图3为双向DC-DC变换器在传统桥间移相模式控制下稳态工作波形图；

附图4为双向DC-DC变换器的状态反馈模型预测控制方法的结构图；

附图5为双向DC-DC变换器在传统PI控制方法和状态反馈预测控制方法下负载突变工况时的对比仿真图。

附图6为双向DC-DC变换器在传统PI控制方法和状态反馈预测控制方法下输入电压突变工况时的对比仿真图。

附图7为双向DC-DC变换器在变压器漏感减小50％的情况下传统PI控制方法和状态反馈预测控制方法的对比仿真图。

附图8为双向DC-DC变换器在电路电感减小50％的情况下预测误差反馈校正补偿前和补偿后的对比仿真图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明具体实施方式做进一步说明。

如图1所示，本发明包括以下步骤：

步骤1：根据直流变换器的电路模型，以输出电压为状态变量，由基尔霍夫电压定律构建系统的状态微分方程，利用前向欧拉法对其进行离散化处理可以得到直流变换器的预测模型。

步骤2：为避免实际实验过程中电磁干扰信号对采样信号准确性的影响，对采样得到的第k个控制周期的输出电压U_o(k)和输出电流I_o(k)引入基于最小二乘法的野点剔除算法，提升采样的精度和可靠性。将经野点剔除算法处理后的采样信号分别记为U_oc(k)和I_oc(k)。

步骤3：在实施预测控制的过程中，由于建模偏差、环境干扰等未知因素会对第k+1个控制周期输出电压预测值产生负面影响。因此，为了提高预测输出的准确性，将PI控制器与经典预测控制理论中的反馈校正机制结合，把当前控制周期输出电压实际采样值U_oc(k)与预测输出值U_opc(k)(第k-1个控制周期校正补偿后的预测输出值)的误差，通过PI调节器运算后补偿到当前控制周期预测输出值U_op(k+1)中，以此来补充基于模型的预测，使下一步的优化更接近实际，确保预测量在未来两个控制周期内的最优性。将经状态反馈校正后的输出电压预测值记为U_opc(k+1)，作为下一步预测的初始值。

步骤4：考虑到控制器计算时间及采样延时不可忽略，进而进行延时补偿，采用两步预测。假定被计算出的最优控制量在第k+1个控制周期应用，则必须去预测第k+2个控制周期的输出电压U_op(k+2)，且为了使得输出电压具有快速的动态特性，令输出电压预测值和输出电压给定值相等，即U_op(k+2)＝U_oref。进一步求解得到变换器在状态反馈预测控制方法下的第k+1个控制周期的最优控制量D_k+1。

步骤1中，根据直流变换器的电路模型，构建变换器输出电压的状态微分方程：

其中：U_o为输出电压，C为输出滤波电容，U_in为输入电压，T_s＝1/f_s为开关周期，L为电路等效电感，R为负载，I_ave＝f(D_k,L,U_in,T_s)为变换器平均输出电流,D_k上一控制周期预测的当前控制周期应施加的最优控制量。

利用欧拉方程前向差分法对式(1)离散化处理得：

进一步整理得到直流变换器的预测模型：

由式(3)可得：利用模型预测控制可以简化控制系统的设计并能快速得到变换器在下一个控制周期的输出电压预测值。

步骤3中为了保证系统在模型失配或强扰动情况下，不至于在短时间范围内出现输出电压大幅度变化的情况，本发明在模型预测控制的基础上加入基于PI控制的反馈校正，即：用上个控制周期的预测误差补偿当前时刻的预测输出值U_op(k+1)，补偿后的预测值记为U_opc(k+1):

U_opc(k+1)＝U_op(k+1)+K_p{U_oc(k)-U_opc(k)+K_i∫[U_oc(k)-U_opc(k)]dt} (4)

其中：K_p和K_i为PI控制器参数，U_oc(k)为经采样处理后的当前控制周期输出电压实际值，U_opc(k)为上一控制周期校正补偿后的预测输出值。

步骤4中为了提高直流变换器的输出电压在实际工况下的的抗扰性能和动态响应特性，一方面引入基于PI控制的状态反馈校正来补偿由不定因素引起的预测误差。另一方面，考虑控制延时，将补偿校正以后的值代入预测模型进行迭代运算，得到第k+2个控制周期的输出电压预测值。若期望输出电压值为U_oref，将第k+2时刻的输出预测值与输出电压给定值相等求解得到在第k+1个控制周期内应用的最优控制量D_k+1,即式(5)：

其中，由于采样周期远远小于控制周期，认为I_o(k+1)＝I_o(k)，则I_oc(k+1)＝I_oc(k)。

图2为用于示例的隔离式双向DC-DC变换器的电路拓扑结构。该DC-DC变换器本身为成熟电路结构，在此不再赘述。图中高频变压器变比为1：1，CS1和CS2用于测量变换器的电感电流I_L和输出电流I_o。VS1和VS2用于测量变换器的输入电压U_in和输出电压U_o。

如图3所示，电感电流在一个周期内波形对称，故只需在半个周期内建模即可。根据电感电流斜率，得到电感电流I_L在半个控制周期内的表达式：

利用电感电流奇对称性可知I_L(t₀)＝-I_L(t₂),代入式(6)可求得t₀时刻瞬时电流值：

进而求得平均输入电流：

忽略损耗，根据能量守恒，由式(8)得平均输出电流：

其中，L为变压器等效漏感，D_k在此为在当前控制周期施加的最优移相角α在半个周期内的移相比，即：

结合式(9)，可得到双向DC-DC变换器输出电压的状态空间平均方程：

离散化处理后整理得双向DC-DC变换器的预测模型：

进而，利用式(11)可推出变换器下一控制周期输出电压预测值。然而，在实际应用过程中，由于建模偏差、电磁干扰等因素的影响，使预测输出值存在偏差，故加入基于PI控制的预测误差反馈校正，使下一步的预测更接近实际，进而得到补偿校正后的预测输出值：

其中，ΔU_o(k)为预测误差经PI控制器调节后的输出值，即式(13):

ΔU_o(k)＝K_p{U_oc(k)-U_opc(k)+K_i∫[U_oc(k)-U_opc(k)]dt} (13)

采用两步预测，补偿控制延时，利用预测模型继续向前推算一步可以得到第k+2个控制周期的输出电压预测值：

令U_op(k+2)与输出电压给定值U_oref相等,即：

U_op(k+2)＝U_oref (15)

联立式(14)和式(15)求得变换器在第k+1个控制周期的应实施的最优移相比:

其中，因为采样周期很小，I_oc(k+1)＝I_oc(k),U_in(k+1)＝U_in(k)。

观察图5和图6可知，当系统遇到突加负载和输入电压突变时，传统PI控制算法的输出电压会大幅度变化，且恢复到稳态需要的时间较长，分别为25ms和17ms；而本发明所述控制方法，变换器输出电压变化幅度很小，基本能保持稳定，具有较好的动态响应特性和抗干扰能力。

观察图7和图8可知,当双向DC-DC变换器的变压器漏感减小50％，模拟电路参数变化模型失配时，传统PI算法控制下的变化器的输出电压会出现较大超调，约为12.5％，进而导致达到稳态的时间变长，约为20ms，系统由于参数变化，控制效果变差；而本发明所述控制方法因为在第一步预测加入基于实时状态反馈的补偿校正，可以在一定程度上减小预测误差，进而系统的鲁棒性增强，输出电压的变化仍在允许范围内。

对专利所述一种直流变换器状态反馈模型预测控制的方法的设计和执行流程说明如下：

1.根据直流变换器的统一电路模型，以输出电压为状态变量，建立系统的状态微分方程；

2.根据前向欧拉法，对微分方程进行离散化处理，得到变换器的预测模型；

3.采样变换器当前控制周期的实际输出电压值U_o(k)和电流值I_o(k),并且为了消除电磁干扰对采样信号的负面影响，对采样信号施加野点剔除算法，将经处理后电压和电流信号分别记为U_oc(k)和I_oc(k)。

4.代入处理后的电压和电流采样信号，运行系统的预测模型，得到系统在下一个控制周期的输出电压预测值U_op(k+1)。

5.为提高模型预测算法的控制性能，结合经典PI控制算法，引入状态反馈校正，记补偿后的预测值U_opc(k+1)并将该值存储；

6.考虑到实际实现过程中的延时，采用两步预测，即：将补偿后的输出电压预测值U_opc(k+1)再次代入预测模型，得到第k+2个控制周期的输出电压预测值，记为U_op(k+2)；

7.假设期望输出电压值为U_oref，令预测输出值等于输出电压给定值，即U_op(k+2)＝U_oref，且由于采样间隔较小，可以认为I_oc(k)＝I_oc(k+1)，进而可以求得变换器在第k+1个控制周期应实施的最优控制量D_k+1，并将该值存储；

8.运行PWM调制器，根据最优控制量产生调制信号，将该信号与载波信号做比较即产生用于开关管驱动的脉冲信号；

9.下一控制周期开始，返回到(3)-(8)相应的步骤进行设计和处理。

Claims

1.一种直流变换器状态反馈模型预测控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种直流变换器状态反馈模型预测控制方法，其特征在于：步骤1所述的状态微分方程满足：

其中：U_o为输出电压，C为输出滤波电容，U_in为输入电压，T_s＝1/f_s为开关周期，L为电路等效电感，R为负载，I_ave＝f(D_k,L,U_in,T_s)为变换器平均输出电流，D_k是上一控制周期预测的当前控制周期应施加的最优控制量，I_o为输出电流。

3.根据权利要求1所述的一种直流变换器状态反馈模型预测控制方法，其特征在于：所述直流变换器的预测模型满足：

其中，I_ave(k)表示第k个控制周期的变换器平均输出电流，C为输出滤波电容。

4.根据权利要求1所述的一种直流变换器状态反馈模型预测控制方法，其特征在于：

下一控制周期的输出电压预测值U_opc(k+1)满足：

U_opc(k+1)＝U_op(k+1)+K_p{U_oc(k)-U_opc(k)+K_i∫[U_oc(k)-U_opc(k)]dt}

5.根据权利要求1所述的一种直流变换器状态反馈模型预测控制方法，其特征在于：步骤七所述U_op(k+2)＝U_oref具体为：

其中，U_oref为期望输出电压值，C为输出滤波电容，I_ave为变换器平均输出电流。

6.根据权利要求1所述的一种直流变换器状态反馈模型预测控制方法，其特征在于：最优控制量为移相比或占空比。