CN111431398B - Buck变换器基于控制目标修正的控制系统及优化方法 - Google Patents

Buck变换器基于控制目标修正的控制系统及优化方法 Download PDF

Info

Publication number
CN111431398B
CN111431398B CN202010328699.XA CN202010328699A CN111431398B CN 111431398 B CN111431398 B CN 111431398B CN 202010328699 A CN202010328699 A CN 202010328699A CN 111431398 B CN111431398 B CN 111431398B
Authority
CN
China
Prior art keywords
value
converter
control
voltage
corrected
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN202010328699.XA
Other languages
English (en)
Other versions
CN111431398A (zh
Inventor
李永峰
史鹏伟
李俊强
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Xi'an Jiehang Electronic Technology Co ltd
Original Assignee
Xi'an Jiehang Electronic Technology Co ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Xi'an Jiehang Electronic Technology Co ltd filed Critical Xi'an Jiehang Electronic Technology Co ltd
Priority to CN202010328699.XA priority Critical patent/CN111431398B/zh
Publication of CN111431398A publication Critical patent/CN111431398A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN111431398B publication Critical patent/CN111431398B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M3/00—Conversion of dc power input into dc power output
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M1/00—Details of apparatus for conversion
    • H02M1/0003—Details of control, feedback or regulation circuits
    • H02M1/0016—Control circuits providing compensation of output voltage deviations using feedforward of disturbance parameters
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02B—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO BUILDINGS, e.g. HOUSING, HOUSE APPLIANCES OR RELATED END-USER APPLICATIONS
    • Y02B70/00—Technologies for an efficient end-user side electric power management and consumption
    • Y02B70/10—Technologies improving the efficiency by using switched-mode power supplies [SMPS], i.e. efficient power electronics conversion e.g. power factor correction or reduction of losses in power supplies or efficient standby modes

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Dc-Dc Converters (AREA)

Abstract

本发明提供了一种BUCK变换器基于控制目标修正的控制系统及优化方法，BUCK变换器输出的电压采样值与电压给定值的偏差，经PI调节器调节获得修正的偏差，根据修正的偏差对电压给定值进行修正，获得修正的变换器电压给定值，将修正的电压给定值代入基于简化模型的变换器优化控制目标函数，获得修正后的变换器优化控制值，将修正后的优化控制值施加于BUCK变换器，即可进行优化。本发明将基于模型的优化设计与传统设计相结合，优化问题求解计算量小，能够实现控制决策的在线计算，本发明的控制策略通过动态修正控制目标，实现了控制误差的补偿，提高了控制策略在变换器各种运行条件下的适用性。

Description

BUCK变换器基于控制目标修正的控制系统及优化方法
技术领域
本发明涉及变换器技术领域，尤其是一种DC-DC变换器的优化控制系统及方法。
背景技术
DC-DC功率变换器被广泛应用于各种工业领域，具有较宽广的运行条件，由于变换器是存在丰富的线性和非线性现象的混合系统，DC-DC变换器的控制一直被研究者所重视，特别是在各种运行条件(负载扰动或输入扰动)下对输出电压的调节。
随着控制芯片计算能力的提高以及对混合系统控制技术的发展，一些先进的非线性控制思想给DC-DC开关变换器的控制注入了新的活力。目前，已有一些非线性控制策略被引入变换器控制中，如模糊控制、优化控制等，但这些先进的控制思想用模拟电路实现起来比较复杂，而采用数字控制，使得许多高级、复杂的算法有可能通过数字控制器来实现，也可将一些新型的控制策略与传统的控制策略结合使用，取长补短。由于具有可编程性，采用数字控制，还为基于数学模型的变换器优化控制提供了实现手段，而基于数学模型进行优化控制设计的方法具有较严密的逻辑性。
基于数学模型设计控制器的控制性能依赖于模型对变换器特性的准确描述，但精确的数学模型计算过于复杂，不利于数字控制的实现，而且寄生参数的不确定性也将影响到变换器模型的精确性及控制效果。正如已有的基于模型的变换器优化控制策略，有些由于数学模型的计算复杂，限制了控制策略在高频变换器领域的应用。而有些采用简化模型的变换器优化控制策略，为了提高控制的准确度，又引入了设计复杂的补偿控制策略。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提供一种BUCK变换器基于控制目标修正的控制系统及优化方法，解决了现有技术中存在基于模型的优化控制设计计算量大，高频应用时不能进行在线优化；控制策略只能为变换器输出电压设定单一的期望值，不利于满足各种运行条件下动态调节快速性的要求。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种BUCK变换器基于控制目标修正的控制系统，BUCK变换器输出的电压采样值Uo与电压给定值Uref的偏差e，经PI调节器调节获得修正的偏差e*，根据修正的偏差e*对电压给定值Uref进行修正，获得修正的变换器电压给定值
Figure BDA0002464169740000021
将修正的电压给定值/>
Figure BDA0002464169740000022
代入基于简化模型的变换器优化控制目标函数，获得修正后的变换器优化控制值d*，将修正后的优化控制值d*施加于BUCK变换器，即可进行优化。
本发明还提供一种BUCK变换器基于控制目标修正的控制系统的优化方法，具体步骤如下：
步骤1、获得修正的控制偏差e*；
根据BUCK变换器的输出电压采样值Uo和输出电压给定值Uref获得电压控制偏差e，如式(1)所示：
e＝Uref-Uo (1)
电压控制偏差e经PI调节器调节，获得修正的电压控制偏差e*；
步骤2、获得修正的电压给定值
Figure BDA0002464169740000023
利用修正的电压控制偏差e*对变换器的电压给定值Uref进行修正，获得修正的电压给定值
Figure BDA0002464169740000024
如式(2)所示：
Figure BDA0002464169740000025
步骤3、修正控制目标
3.1)建立基于BUCK变换器简化模型的优化控制目标函数J：
J＝(iL-Iref)2 (3)
其中，iL为简化模型的电感电流状态值，Iref为简化模型的电流给定值；
3.2)修正控制目标
根据式(4)进行优化控制目标修正：
Figure BDA0002464169740000026
式(4)中R为buck变换器模型的负载值，根据变换器的输出电压和输出电流采样值的比值更新；
步骤4、获得修正后的优化控制值d*；
将式(4)的修正控制目标代入式(3)，替换原有的优化控制目标Iref，然后将替换完成后的式(3)对控制值求偏导，令偏导数等于零，获得修正后的优化控制值d*，如式(5)所示：
Figure BDA0002464169740000031
式(5)中，T为BUCK变换器的开关周期，L为变换器的电感值，Vin为变换器的输入电压值，vc为简化模型的电容电压状态值；公式(5)位计算的控制优化值，使用该优化值动态改变BUCK控制器内部参数，从而控制输出。
所述简化模型为：
xk+1＝Axk+BVind
其中，状态变量x＝[iL vC]T，iL为简化模型的电感电流状态值，vc为简化模型的电容电压状态值，k代表第k个开关周期，系数
Figure BDA0002464169740000032
T为BUCK变换器的开关周期，L为变换器的电感值，C为变换器的电容值，R为变换器简化模型的负载值，根据变换器的输出电压和输出电流采样值的比值更新，初始值根据变换器实际负载值设定，Vin为变换器的输入电压值，d为控制值。
本发明的有益效果在于：
1)本发明将基于模型的优化设计与传统设计相结合，优化问题求解计算量小，能够实现控制决策的在线计算。
2)本发明中的控制策略通过动态修正控制目标，实现了控制误差的补偿，提高了控制策略在变换器各种运行条件下的适用性。
附图说明
图1是本发明方法采用的控制策略原理示意图；
图2为本发明输入电压变化时BUCK变换器的电压输出结果。
图3为本发明负载变化时BUCK变换器的电压输出结果。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
如图1所示，本发明的技术方案是：
一种BUCK变换器基于控制目标修正的优化控制系统，BUCK变换器输出的电压采样值Uo与电压给定值Uref的偏差e，经PI调节器调节获得修正的偏差e*，根据修正的偏差e*对电压给定值Uref进行修正，获得修正的变换器电压给定值
Figure BDA0002464169740000033
将修正的电压给定值/>
Figure BDA0002464169740000034
代入基于简化模型的变换器优化控制目标函数，获得修正后的变换器优化控制值d*，将修正后的优化控制值d*施加于BUCK变换器，即可得到优化。
所述BUCK变换器基于控制目标修正的优化控制系统采样BUCK变换器的输入电压，更新变换器简化模型中的输入电压值，提高控制策略对系统输入扰动的控制；BUCK变换器基于控制目标修正的优化控制系统还采样BUCK变换器的输出电压和输出电流，根据输出电压采样值及输出电流采样值的比值关系更新简化模型中的负载值，提高控制策略对系统负载扰动的控制。
本发明BUCK变换器基于控制目标修正的优化控制方法，具体步骤如下：
步骤1、获得修正的控制偏差e*；
根据BUCK变换器的输出电压采样值Uo和输出电压给定值Uref获得电压控制偏差e，如式(1)所示：
e＝Uref-Uo (1)
电压控制偏差e经PI调节器调节，获得修正的电压控制偏差e*；
步骤2、获得修正的电压给定值
Figure BDA0002464169740000041
利用修正的电压控制偏差e*对变换器的电压给定值Uref进行修正，获得修正的电压给定值
Figure BDA0002464169740000042
如式(2)所示：
Figure BDA0002464169740000043
步骤3、修正控制目标
3.1)建立基于BUCK变换器简化模型的优化控制目标函数J：
J＝(iL-Iref)2 (3)
其中，iL为简化模型的电感电流状态值，Iref为简化模型的电流给定值；
所述简化模型为：
xk+1＝Axk+BVind
其中，状态变量x＝[iL vC]T，iL为简化模型的电感电流状态值，vc为简化模型的电容电压状态值，k代表第k个开关周期，系数
Figure BDA0002464169740000044
T为BUCK变换器的开关周期，L为变换器的电感值，C为变换器的电容值，R为变换器简化模型的负载值，根据变换器的输出电压和输出电流采样值的比值更新，初始值根据变换器实际负载值设定，Vin为变换器的输入电压值，d为控制值；
3.2)修正控制目标
根据式(4)进行优化控制目标修正：
Figure BDA0002464169740000051
式(4)中R为buck变换器模型的负载值，根据变换器的输出电压和输出电流采样值的比值更新；
步骤4、获得修正后的优化控制值d*；
将式(4)的修正控制目标代入式(3)，替换原有的优化控制目标Iref，然后将替换完成后的式(3)对控制值求偏导，令偏导数等于零，获得修正后的优化控制值d*，如式(5)所示：
Figure BDA0002464169740000052
式(5)中，T为BUCK变换器的开关周期，L为变换器的电感值，Vin为变换器的输入电压值，vc为简化模型的电容电压状态值；公式(5)位计算的控制优化值，使用该优化值动态改变BUCK控制器内部参数，从而控制输出。
实施例
本实施例的BUCK变换器系统参数如下：输入电压Vin＝24V，电感L＝100μH，电感等效寄生电阻RL＝0.2Ω，输出电容C＝50μF，电容等效寄生电阻ESR＝0.07Ω，开关周期T＝10μs，输出电压的给定值Uref＝12V。PI调节器的参数为：比例系数kp＝0.02，积分时间常数Ti＝0.008。
图2为输入电压变化时BUCK变换器仿真模型的电压输出结果，输入电压Vin从24V跳变到15V。
图3为负载变化时BUCK变换器仿真模型的电压输出结果，负载R从6Ω跳变到12Ω。
本发明提出的BUCK变换器基于控制目标修正的优化控制策略，将基于模型的优化控制设计与传统控制设计相结合，优化控制决策计算量小，变换器高频应用时可进行在线决策计算。通过动态修正控制目标，实现了控制误差的补偿，保证了变换器在各种运行条件下输出电压调节的准确性和快速性。

Claims (3)

1.一种BUCK变换器基于控制目标修正的控制系统，其特征在于：
所述BUCK变换器基于控制目标修正的控制系统，BUCK变换器输出的电压采样值Uo与电压给定值Uref的偏差e，经PI调节器调节获得修正的偏差e*，根据修正的偏差e*对电压给定值Uref进行修正，获得修正的变换器电压给定值
Figure FDA0004132079070000011
建立基于BUCK变换器简化模型的优化控制目标函数J：J＝(iL-Iref)2，其中，iL为简化模型的电感电流状态值，Iref为简化模型的电流给定值；所述简化模型为：xk+1＝Axk+BVind，其中，状态变量x＝[iL vC]T，iL为简化模型的电感电流状态值，vc为简化模型的电容电压状态值，k代表第k个开关周期，系数
Figure FDA0004132079070000012
T为BUCK变换器的开关周期，L为变换器的电感值，C为变换器的电容值，R为变换器简化模型的负载值，根据变换器的输出电压和输出电流采样值的比值更新，初始值根据变换器实际负载值设定，Vin为变换器的输入电压值，d为控制值；根据式/>
Figure FDA0004132079070000013
进行优化控制目标修正，R为buck变换器模型的负载值，根据变换器的输出电压和输出电流采样值的比值更新；将修正控制目标代入式J＝(iL-Iref)2，替换原有的优化控制目标Iref，然后将替换完成后的J＝(iL-Iref)2对控制值求偏导，令偏导数等于零，获得修正后的优化控制值d*，/>
Figure FDA0004132079070000014
其中，T为BUCK变换器的开关周期，L为变换器的电感值，Vin为变换器的输入电压值，vc为简化模型的电容电压状态值；/>
Figure FDA0004132079070000015
为计算的控制优化值，使用该优化值动态改变BUCK控制器内部参数，从而控制输出，将修正后的优化控制值d*施加于BUCK变换器，即可进行优化。
2.一种利用权利要求1所述BUCK变换器基于控制目标修正的控制系统的优化方法，其特征在于包括下述步骤：
步骤1、获得修正的控制偏差e*；
根据BUCK变换器的输出电压采样值Uo和输出电压给定值Uref获得电压控制偏差e，如式(1)所示：
e＝Uref-Uo (1)
电压控制偏差e经PI调节器调节，获得修正的电压控制偏差e*；
步骤2、获得修正的电压给定值
Figure FDA0004132079070000021
利用修正的电压控制偏差e*对变换器的电压给定值Uref进行修正，获得修正的电压给定值
Figure FDA0004132079070000022
如式(2)所示：
Figure FDA0004132079070000023
步骤3、修正控制目标
3.1)建立基于BUCK变换器简化模型的优化控制目标函数J：
J＝(iL-Iref)2 (3)
其中，iL为简化模型的电感电流状态值，Iref为简化模型的电流给定值；
3.2)修正控制目标
根据式(4)进行优化控制目标修正：
Figure FDA0004132079070000024
式(4)中R为buck变换器模型的负载值，根据变换器的输出电压和输出电流采样值的比值更新；
步骤4、获得修正后的优化控制值d*；
将式(4)的修正控制目标代入式(3)，替换原有的优化控制目标Iref，然后将替换完成后的式(3)对控制值求偏导，令偏导数等于零，获得修正后的优化控制值d*，如式(5)所示：
Figure FDA0004132079070000025
式(5)中，T为BUCK变换器的开关周期，L为变换器的电感值，Vin为变换器的输入电压值，vc为简化模型的电容电压状态值；公式(5)为计算的优化控制值，使用该优化值动态改变BUCK控制器内部参数，从而控制输出。
3.根据权利要求2所述的BUCK变换器基于控制目标修正的控制系统的优化方法，其特征在于：
所述简化模型为：
xk+1＝Axk+BVind
其中，状态变量x＝[iL vC]T，iL为简化模型的电感电流状态值，vc为简化模型的电容电压状态值，k代表第k个开关周期，系数
Figure FDA0004132079070000031
T为BUCK变换器的开关周期，L为变换器的电感值，C为变换器的电容值，R为变换器简化模型的负载值，根据变换器的输出电压和输出电流采样值的比值更新，初始值根据变换器实际负载值设定，Vin为变换器的输入电压值，d为控制值。
CN202010328699.XA 2020-04-23 2020-04-23 Buck变换器基于控制目标修正的控制系统及优化方法 Active CN111431398B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202010328699.XA CN111431398B (zh) 2020-04-23 2020-04-23 Buck变换器基于控制目标修正的控制系统及优化方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202010328699.XA CN111431398B (zh) 2020-04-23 2020-04-23 Buck变换器基于控制目标修正的控制系统及优化方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN111431398A CN111431398A (zh) 2020-07-17
CN111431398B true CN111431398B (zh) 2023-07-14

Family

ID=71554410

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202010328699.XA Active CN111431398B (zh) 2020-04-23 2020-04-23 Buck变换器基于控制目标修正的控制系统及优化方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN111431398B (zh)

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104656444A (zh) * 2015-01-13 2015-05-27 西安理工大学 Dc-dc变换器离散模型优化输出轨迹的预测控制方法
CN105391299A (zh) * 2015-12-24 2016-03-09 西安理工大学 Buck变换器单一策略模型预测控制方法
JP2019140899A (ja) * 2018-02-13 2019-08-22 广州大学 Ｄｃ／ｄｃコンバータ安定性分析方法及びシステム
CN110943613A (zh) * 2019-11-25 2020-03-31 东南大学 一种含干扰和电流约束的直流升压变换器控制方法

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
AT513776B1 (de) * 2014-04-08 2015-09-15 Avl List Gmbh Verfahren und Regler zur modellprädiktiven Regelung eines mehrphasigen DC/DC-Wandlers

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104656444A (zh) * 2015-01-13 2015-05-27 西安理工大学 Dc-dc变换器离散模型优化输出轨迹的预测控制方法
CN105391299A (zh) * 2015-12-24 2016-03-09 西安理工大学 Buck变换器单一策略模型预测控制方法
JP2019140899A (ja) * 2018-02-13 2019-08-22 广州大学 Ｄｃ／ｄｃコンバータ安定性分析方法及びシステム
CN110943613A (zh) * 2019-11-25 2020-03-31 东南大学 一种含干扰和电流约束的直流升压变换器控制方法

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Sun Jinkun et al..A current sharing control strategy of paralleled DC-DC converter based on simple model.《2010 International Conference on Optics, Photonics and Energy Engineering (OPEE)》.2010,第288-291页. *
刘庆丰 等.基于简化统一模型的DC-DC开关变换器数字优化控制策略.电工技术学报.2012,第27卷(第06期),第118-125页. *

Also Published As

Publication number Publication date
CN111431398A (zh) 2020-07-17

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN109733242B (zh) 电动汽车充电机的神经模糊稳定性控制系统及控制方法
CN108696210B (zh) 基于参数辨识的直流电机电流环控制器参数自整定方法
EP2113096B1 (en) Adaptive control system for a dc-dc power converter
CN104796020B (zh) 一种pwm整流器中模糊pi控制器参数设计方法
CN114679067B (zh) 隔离型双有源桥直流变换器的预测控制方法及其控制装置
CN111371322B (zh) 一种基于有限时间收敛观测器的Boost型变换器控制方法及系统
CN105391299A (zh) Buck变换器单一策略模型预测控制方法
CN110190753A (zh) 一种直流变换器状态反馈模型预测控制方法
CN115149806B (zh) 一种针对交错并联Boost变换器的自适应模型预测控制方法
CN111262426B (zh) 一种基于二阶滑模算法的boost功率变换器控制方法
CN114499187A (zh) 一种双相交错并联dc-dc变换器的自适应mpc控制方法
CN111431398B (zh) Buck变换器基于控制目标修正的控制系统及优化方法
CN110492744A (zh) 应用于dc-dc变换器的恒功率负载控制方法及电路
CN108448897B (zh) 用于llc谐振变换器的高动态性能模糊pid控制方法
CN116345897A (zh) 一种基于Buck-Boost变换器的无源性控制方法
CN113572359B (zh) 一种基于降阶自抗扰策略的双向buck-boost变换器控制方法
CN115542725A (zh) 一种数字化开关电源的自适应调节方法
CN115549095A (zh) 一种改进蜜獾算法优化sapf直流侧电压控制方法
CN113872439A (zh) 基于状态反馈精确线性化的CCM Buck变换器微分平坦控制方法
CN112415890A (zh) 同时修正误差因子和pid控制系数的模糊-pid数字电压补偿器
CN110144622B (zh) 直拉硅单晶生长系统中磁场电源的控制方法
CN112865527A (zh) 基于二阶滑模控制的Boost DC-DC变换器固定频率的控制系统及控制方法
CN113098258B (zh) 一种基于pfc系统电流环平衡点的最少拍精确控制方法
CN114400892B (zh) 一种Boost变换器的数字化最优时间动态控制方法
CN113708622B (zh) 一种直流升压变换器的非连续二阶滑模控制方法

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant