CN111431404B - 一种直流降压变换器系统控制方法 - Google Patents

一种直流降压变换器系统控制方法 Download PDF

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Abstract

一种基于扩张状态观测器和连续非奇异终端滑模控制技术的直流降压变换器系统控制方法，适用于对直流降压变换器系统的高精度控制，该方法采取电压跟踪方式，首先对输入电压变化和电阻负载扰动通过设计一个扩张状态观测器来观测扰动，在此基础上设计连续非奇异终端滑模控制器从而得到复合控制器来控制直流降压变换器系统在有输入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。本发明实现简单，参数调节较少，不但可以提高直流降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降压变换器稳态波动，满足高性能电力电子降压变换器系统的应用。

Description

一种直流降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降压变换器系统，尤其涉及一种基于扩张状态观测器和连续非奇异终端滑模控制技术的直流降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。
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。因此在直流降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，提高电力电子直流降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(Komurcugil H.Adaptive terminal sliding-mode control strategy for DC-DC buck converters[J].ISA transactions,2012,51(6):673-681.)提出了一种适用于直流变换器的自适应终端滑模控制策略。该策略的思想是使用终端滑模控制(TSMC)方法来保证输出电压误差到平衡点的有限时间收敛，并将自适应律集成到TSMC策略中，从而在负载变化时实现动态滑模。文献(Komurcugil H.Non-singular terminal sliding-mode control of DC-DC buck converters[J].ControlEngineering Practice,2013,21(3): 321-332.)提出了一种用于直流变换器的非奇异终端滑模控制方法。该方法消除了终端滑模的奇异性问题，保证了输出电压误差在负载变化过程中有限时间收敛到平衡点。结果表明，该方法与终端滑模控制方法具有相同的有限时间收敛性。
发明内容
本发明的目的在于针对直流降压变换器的负载电阻扰动和输入电压变化，首先利用扩张状态观测器技术在实验中采集的电压状态信息基础上对扰动进行估计，得到系统中存在的负载电阻和输入电压扰动的估计信息后，利用连续非奇异终端滑模控制技术设计出复合控制器，实现对直流降压变换器系统给定电压跟踪的快速性和准确性。该方法易于实现，参数调节相对简单，具有很好的应用价值。
为了解决上述技术问题本发明提供如下的技术方案：
一种基于扩张状态观测器和连续非奇异终端滑模控制技术的直流降压变换器系统控制方法，所述方法包括以下步骤：
步骤一、组建一个直流降压变换器，以系统的电感电流、负载电压为状态变量，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μ＝0或1，建立降压变换器的模型：
开关管Q关断时，控制量输入为0即μ＝0，电感电流iL通过二极管D向输出侧流动，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-vo，故iL线性减小；
Figure GDA0002523585150000031
开关管Q导通时,控制量输入为1即μ＝1，电源电压vin通过开关管Q加到二极管D和输出滤波电感L、输出滤波电容C上，二极管D截止，此时，加在电感上的电压为vin-vo，故iL线性增长；
Figure GDA0002523585150000032
以开关管的两种状态μ＝0或1，将上式统一为
Figure GDA0002523585150000041
步骤二、考虑到直流变换器的输入电压波动和负载电阻变化，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，在直流变换器统一模型的基础上，将负载电阻变化和输入电压变化的扰动定义为
Figure GDA0002523585150000042
其中vin0,R0分别为输入电压和负载电阻的标称值，根据扩张状态观测器的理论，其观测器设计为：
Figure GDA0002523585150000043
式中
Figure GDA0002523585150000044
为输出电压与输出电压标称值之差的估计值，
Figure GDA0002523585150000045
为输出电压与输出电压标称值之差求导后的估计值，
Figure GDA0002523585150000046
为负载电阻变化和输入电压波动的扰动估计值，观测器增益β1、β2、β3＞0，其中x1＝e＝vo-vr，
Figure GDA0002523585150000047
Figure GDA0002523585150000048
步骤三：设计滑模面：
Figure GDA0002523585150000049
在已设计的扩张状态观测器的基础上，设计在负载电阻可变和输入电压波动的扩张状态观测器和连续非奇异终端滑模控制技术结合的复合控制器：
μ＝μeq+μn
Figure GDA0002523585150000051
Figure GDA0002523585150000054
μn(0)＝0 μs＝-(η+T|μn|)sgn(s)
控制器中的参数c1,c2＞0，0＜α1,α2＜1，切换增益η＞0，滤波周期T＞0；
Figure GDA0002523585150000052
相当于一个滤波器，对不连续的μs进行滤波，得到连续的μn，从而达到连续的控制；闭环系统的输出电压vo就实现了对于参考电压vr的跟踪。
进一步，所述的直流降压变换器是直流降压电力电子变换器，所采用的模型是状态平均模型。
所述系统扰动是电压输入的变化和负载电阻扰动。
所述系统扰动观测器是扩张状态观测器，所采用的控制器是连续非奇异终端滑模控制器。
本发明的技术构思为：首先，基于直流降压变换器的拓扑结构，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，将非线性、时变的开关电路转换为等效的线性、时不变的连续电路。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，建立系统的状态空间平均模型；接着，考虑到直流变换器的输入电压波动和负载电阻变化，对其设计扩张状态控制器，对负载电阻变化和输入电压波动进行估计，在直流变换器统一模型的基础上，将负载电阻变化和输入电压波动的扰动估计为
Figure GDA0002523585150000053
根据扩张状态观测器技术设计观测器对扰动进行估计；最后，在以扩张状态观测器对扰动进行估计的基础上，在考虑负载电阻变化和输入电压波动的情况下设计连续非奇异终端滑模控制器，复合控制器可以保证在系统存在扰动时输出电压vo仍然能够较快的跟踪给定参考电压vr。
本发明具有以下有益结果：本发明将设计将扩张状态观测器和连续非奇异终端滑模控制技术结合的复合控制器应用于直流降压变换器，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，从而大大提高直流降压变换器的跟踪的速度和精度。
基于扩张状态观测器和连续非奇异终端滑模控制技术的控制方法应用于直流降压变换器系统，在保证原动态性能的情况下，可以明显提高直流降压变化系统的抗扰性能和跟踪性能，满足直流降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，在确保动态性能的基础上对降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。
附图说明
图1为基于扩张状态观测器和连续非奇异终端滑模控制技术的直流降压变换器控制方法的控制框图；
图2为基于扩张状态观测器和连续非奇异终端滑模控制技术的直流降压变换器控制方法的原理图；
图3为扩张状态观测器结构图；
图4为在ESO+CNTSMC复合控制器下负载电阻由100Ω突变为50Ω时的直流降压变换器系统响应实验图；其中，(A)为输出电压，(B)为输出电流，(C)为输出控制量。
图5为在ESO+CNTSMC复合控制器下输入电压由30V突变为29V时的直流降压变换器系统响应实验图；其中，(A)为输出电压，(B)为输出电流，(C)为输出控制量。
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。
参照图1～图5，一种基于扩张状态观测器和连续非奇异终端滑模控制技术的直流降压变换器系统控制方法，包括以下步骤：
步骤一、如图1所示结构图，建立一个直流降压变换器的基本结构图，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μ＝0或1，建立降压变换器的模型为：
开关管Q关断时，控制量输入为0即μ＝0，电感电流iL通过二极管D向输出侧流动，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-vo，故iL线性减小；
Figure GDA0002523585150000071
开关管Q导通时,控制量输入为1即μ＝1，电源电压vin通过开关管Q加到二极管D和输出滤波电感L、输出滤波电容C上，二极管D截止，此时，加在电感上的电压为vin-vo，故iL线性增长；
Figure GDA0002523585150000081
以开关管的两种状态μ＝0或1，将上式统一为
Figure GDA0002523585150000082
步骤二、如图2所示框图所示，为直流降压变换器控制系统的框图，考虑到直流变换器的输入电压波动和负载电阻变化，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，在直流变换器统一模型的基础上，将负载电阻变化和输入电压变化的扰动定义为
Figure GDA0002523585150000083
其中 vin0,R0分别为输入电压和负载电阻的标称值，根据扩张状态观测器的理论，其观测器设计为：
Figure GDA0002523585150000084
式中
Figure GDA0002523585150000091
为输出电压与输出电压标称值之差的估计值，
Figure GDA0002523585150000092
为输出电压与输出电压标称值之差求导后的估计值，
Figure GDA0002523585150000093
为负载电阻变化和输入电压波动的扰动估计值，观测器增益β1、β2、β3＞0。其中x1＝e＝vo-vr，
Figure GDA0002523585150000094
Figure GDA0002523585150000095
步骤三、设计滑模面：
Figure GDA0002523585150000096
在已设计的扩张状态观测器的基础上，设计在负载电阻可变和输入电压波动的扩张状态观测器和连续非奇异终端滑模控制技术结合的复合控制器：
μ＝μeq+μn
Figure GDA0002523585150000097
Figure GDA0002523585150000098
μn(0)＝0 μs＝-(η+T|μn|)sgn(s)
控制器中的参数c1,c2＞0，0＜α1,α2＜1，切换增益η＞0，滤波周期T＞0；
Figure GDA0002523585150000099
相当于一个滤波器，对不连续的μs进行滤波，得到连续的μn，从而达到连续的控制；闭环系统的输出电压vo就实现了对于参考电压vr的跟踪。
为了进一步验证本实施例提出的基于扩张状态观测器和连续非奇异终端滑模控制技术的直流降压变化系统控制的有效性，本实施例中的实验平台是直流降压变换器系统，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为核心的直流降压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降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，我们观察了 ESO+CNTSMC控制器的控制效果。首先考虑无输入电压波动时的情况，输入电压30V，目标值15V，理想占空比为μ＝0.5。
表1为直流降压变换器参数。
描述 参数 正常数值
输入电压 v<sub>in</sub> 30(V)
参考输出电压 v<sub>r</sub> 15(V)
电感 L 4.7(mH)
电容 C 1000(μF)
负载电阻 R 0-200(Ω)
表1
当负载从100Ω变为50Ω，输出电压、电感电流和控制量如图4 所示，基于扩张状态观测器和连续非奇异终端滑模控制器在负载改变输出电压经小幅扰动后恢复15V。将负载从输入电压由30V变为29V 时，见图5，系统输出电压经小幅扰动后恢复15V。其中连续非奇异终端滑模控制器的参数设置为c1＝80，c2＝80，α1＝0.67，α2＝0.8， T＝0.001，η＝100，扩张状态观测器的参数设置为β1＝900，β2＝900，β3＝2400000。从图4(A、B、C)和图5(A、B、C)可以看出ESO+CNTSMC控制器很大程度上提高了直流降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连续非奇异终端滑模控制技术用于直流降压变换器系统的控制，在直流降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，满足电力电子直流降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 (4)

1.一种直流降压变换器系统控制方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
步骤一、组建一个直流降压变换器，以系统的电感电流、负载电压为状态变量，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μ＝0或1，建立降压变换器的模型：
开关管Q关断时，控制量输入为0即μ＝0，电感电流iL通过二极管D向输出侧流动，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-vo，故iL线性减小；
Figure FDA0003054065420000011
开关管Q导通时,控制量输入为1即μ＝1，电源电压vin通过开关管Q加到二极管D和输出滤波电感L、输出滤波电容C上，二极管D截止，此时，加在电感上的电压为vin-vo，故iL线性增长；
Figure FDA0003054065420000012
以开关管的两种状态μ＝0或1，将上式统一为
Figure FDA0003054065420000021
步骤二、考虑到直流变换器的输入电压波动和负载电阻变化，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，在直流变换器统一模型的基础上，将负载电阻变化和输入电压变化的扰动定义为
Figure FDA0003054065420000022
根据扩张状态观测器的理论，其观测器设计为：
Figure FDA0003054065420000023
式中
Figure FDA0003054065420000024
为输出电压与输出电压标称值之差的估计值，
Figure FDA0003054065420000025
为输出电压与输出电压标称值之差求导后的估计值，
Figure FDA0003054065420000026
为负载电阻变化和输入电压波动的扰动估计值，观测器增益β1、β2、β3＞0，其中x1＝e＝vo-vr，
Figure FDA0003054065420000027
Figure FDA0003054065420000028
步骤三：设计滑模面：
Figure FDA0003054065420000029
在已设计的扩张状态观测器的基础上，设计在负载电阻可变和输入电压波动的扩张状态观测器和连续非奇异终端滑模控制技术结合的复合控制器：
μ＝μeq+μn
Figure FDA0003054065420000031
Figure FDA0003054065420000032
μn(0)＝0μs＝-(η+T|μn|)sgn(s)
控制器中的参数c1,c2＞0，0＜α1,α2＜1，切换增益η＞0，滤波周期T＞0；
Figure FDA0003054065420000033
相当于一个滤波器，对不连续的μs进行滤波，得到连续的μn，从而达到连续的控制；闭环系统的输出电压vo就实现了对于参考电压vr的跟踪。
2.根据权利要求1所述的一种直流降压变换器系统控制方法，其特征在于，所述的直流降压变换器是直流降压电力电子变换器，所采用的模型是状态平均模型。
3.根据权利要求1或2所述的一种直流降压变换器系统控制方法，其特征在于，所述系统扰动是电压输入的变化和负载电阻扰动。
4.根据权利要求1或2所述的一种直流降压变换器系统控制方法，其特征在于，所述系统扰动观测器是扩张状态观测器，所采用的控制器是连续非奇异终端滑模控制器。
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