CN111756238A - 一种受扰直流降压变换器系统的新型建模及复合抗干扰控制方法 - Google Patents

Abstract

一种受扰直流降压变换器系统的新型建模及复合抗干扰控制方法，属于直流降压变换器抗干扰控制技术领域，首先对系统进行数学建模，对于存在的不匹配干扰的物理意义进行判断，判断其可导之后通过微分环节将不匹配干扰转换为匹配干扰；再通过ESO观测系统各阶状态信息，采取前馈补偿的方式调整占空比的大小，同时设计滑模控制时考虑了系统部件承载能力、负荷大小方面约束，具有控制高精度的能力；最后，对ESO跟踪误差进行补偿，使得ESO逐渐将系统改造为更加利于控制的积分串联形式，利于设计滑模控制器，使得两种控制策略互补缺陷，发挥各自优势来应对外界的各种各样的干扰，可用于复杂环境的直流降压变换器系统。

Description

一种受扰直流降压变换器系统的新型建模及复合抗干扰控制 方法

技术领域

本发明属于直流降压变换器抗干扰控制技术领域，涉及一种受扰Buck型DC/DC变换器的新型建模及复合抗干扰控制方法，具体的说是涉及一种利用新的建模方式将系统中不匹配干扰问题转化为匹配干扰进行处理的直流降压变换器系统的新型建模及复合抗干扰控制方法。

背景技术

DC/DC变换器是在20世纪60年代早期发展起来的，当时半导体开关等相关技术已经成熟。航天工业对小型，轻量化和高效率的电力变换器器的需求导致DC/DC变换器的快速发展。随着半导体和集成电路的引入，在考虑成本的情况下，使得通过使用一个高频、轻巧、成本低的变压器将直流电源转换成高频交流电源并能恢复到直流电源的方案成为可能。尽管到了1976年，晶体管车载无线电接收机不再需要高电压，但是一些业余无线爱好者还是会继续使用振动器电源和发电机用于需要高电压供电的移动收发机。1977年，来自加州理工学院的R.D.Middlebrook提出了一种DC/DC变换器状态空间平均模型，该模型分别对变换器开关管在打开和关闭情况下的系统状态进行可简化描述，建立了系统的状态方程。这种新模型一直沿用至今，并促进了DC/DC变换器的发展。如今，DC/DC变换器在电子电力等领域中已经得到了广泛应用，并且正朝着高频化、轻小化、可靠性高、稳定性好、转换效率高等方向发展。

随着技术的发展，开关变换器逐步取代了线性电源，称为供电使用的主流电源器件。而日常用电设备中，带有微处理器的集成电路成为非常重要的一部分，这类电路对供电的电源质量要求较高，微小的电压变化可能导致非常大的负载电流变化，这类电流的变化要求DC/DC变换器具有快速地响应速度，以满足其供电要求。文献(Li W Y，Zhang J.PWM/PFM Dual-Mode Synchronous Boost DC-DC Regulator[J].Applied Mechanics&Materials，2013，380-384:3209-3212.)电力电子变换器作为电能变换的重要组成部分，被广泛应用于工业系统，如直流电机驱动器、计算机系统、通信设备、汽车系统和高压直流(high voltage direct current，HVDC)传输等。文献(SALIMI M，SOLTANI J，MARKDEHI GA，ABJADI NR.Adaptive nonlinear control of the DC-DC buck converters operatingin CCM and DCM.International Tractions On Electrical Energy System，2013，23(8):1536-1547.)在实际直流供电设备中，大多工作场合对直流变换器系统的输出电压精度要求越来越高，而且要求系统能够快速地适应各种不同的工作情况。文献(SIRA-RAMIREZH.On the generalized PI sliding mode control of DC-to-DC power converters:atutorial.International Journal of Control，2003(76)1018-1033.)但由于电压调节受到各种干扰和系统不确定性的影响，例如，负载电阻扰动，输入电压变化，电路参数摄动等。文献(KUMAR M，GUPTA R.Stability and sensitivity analysis of uniformly sampledDC–DC converter with circuit parasites.IEEE Transactions on Circuits andSystems，2016，63(11):2086–2097.)各种不确定因素不可避免地会降低功率转换的质量和效率,因此给直流降压变换器的高性能输出电压调节带来巨大挑战。

针对各种干扰对变换器的影响，传统的PID控制难以满足高精度的要求，并且无法及时快速地对干扰进行抑制，因此对于使用频繁的电力电子变换器来说，对于出现的干扰要及时的发现并且做出应对措施消除干扰，才能不会影响设备的正常运行。主动抗干扰控制技术能够根据干扰的量测值或者估计值在控制设计中对系统中存在的干扰进行直接补偿或抵消，能够更快地处理干扰对系统的影响。而且这种主动抗干扰技术不必改变正在应用或已经应用多年的反馈控制设计部分，不必设计全新的、不同的控制策略，从而省去了新控制系统的方案论证及验证过程。其中基于干扰观测器的控制和我国学者韩京清研究员于上世纪90年代提出的基于扩张状态观测器(Extended State Observer，ESO)的控制方法在工程应用研究中最为广泛。ESO将系统内部不确定性和外部干扰一起作为集总干扰进行估计，通过非线性反馈形成控制量进行补偿和控制。由于其不依赖系统精确的数学模型和干扰模型，且算法简单易于工程实现，在未知强非线性和不确定强干扰作用下仍能保证控制精度，显示出良好的工程应用前景。

近年来人们陆续提出了很多行之有效的干扰估计技术来处理直流电压变换器系统中遇到的各类干扰以提高系统性能。文献(TAN S C，LAI Y M，CHI K T.General designissues of sliding-mode controllers in DC–DC converters.IEEE Transactions onIndustrial Electronics，2008，55(3):1160–1174.)提出了滑模控制的策略来解决直流电压变换器中的干扰问题，并且提高了对参考信号的跟踪速度。文献(TIAN Z，LYU Z Y，YUANJ Q，WANG C.UDE-based sliding mode control of DC-DC power converters withuncertainties.Control Engineering Practice，2018(83)116-128.)提出了不确定性与干扰估计器结合滑模控制的策略解决了实际系统中存在的不确定性和部分干扰的问题。文献(WANG J，LI S，YANG J.Extended state observer-based sliding mode control forPWM-based DC–DC buck power converter systems with mismatched disturbances.IETControl Theory and Applications，2015，9(4):579–586.)通过扩张状态观测器中的干扰估计技术对系统不匹配干扰进行补偿，从而解决了滑模控制对不匹配干扰敏感的问题，不匹配干扰的存在使得很多控制器的鲁棒性大大降低，偏离了事先设定的参考值。文献(WANGJ X，Li S H，YANG J.Finite-time disturbance observer based non-singularterminal sliding-mode control for pulse width modulation based DC–DC buckconverters with mismatched load disturbances.IET Control Theory andApplications，2016(9)1995-2002.)针对先前传统滑模控制在理论上难以在有限时间内到达平衡点的问题，将有限时间干扰观测器与非奇异滑模结合，解决了控制器在有限时间内将误差减少至零的问题。以上的控制策略都采用复杂的控制器和观测器对系统的干扰进行估计，虽然能取得较好的结果，但是从整体来看需要调节的参数过多，并不适合工程上的应用，且需要多个传感器实时监测系统关键参数的变化，因此成本会略高。

发明内容

本发明的目的是针对变换器随着使用时间的增加，或者外界环境因素的变化很容易使内部元件的参数发生变化，原有名义值设定的控制器很容易失效，实际工程中变换器响应速度和准确性达不到要求，且直流降压变换器中存在着不匹配干扰，滑模控制对匹配干扰敏感，抗干扰能力弱等不足，提出一种受扰直流降压变换器系统的新型建模及复合抗干扰控制方法，保证系统在参数大范围摄动和多种外界干扰情况下仍能跟踪设定的电压值，算法更加容易实现，可提升其抗干扰能力，可用于复杂环境的直流降压变换器系统。

本发明的技术方案：一种受扰直流降压变换器系统的新型建模及复合抗干扰控制方法，其特征在于：所述新型建模及复合抗干扰控制方法的步骤如下：

(1)对直流降压变换器系统进行建模

对系统进行数学建模，由于传统的建模的方式中会存在不匹配干扰影响控制器的控制效果，因此通过分析不匹配干扰的物理意义，判断其可导，后通过微分将其转化为匹配的干扰，进而对其设计控制器，这样在可以简化控制器的设计同时发挥控制器原本的优势。

(2)设计扩张状态观测器

对于系统输出当中有些十分关键的状态但是目前的技术难以测量的可以通过扩张状态观测器ESO来实现，ESO可以通过采集系统的输入和输出信号，实时的估计系统的全部状态变量，同时ESO扩张的那一阶系统状态是用来估计系统的总干扰，所谓的总干扰是所有影响被控输出的干扰的集合，因此使用ESO可以有效估计出实际系统中的干扰以及不确定性对于系统的影响，进而对总干扰进行补偿。

(3)设计直流降压变换器的抗干扰复合滑模控制器

利用滑模控制的优势，以其对匹配干扰不敏感的特点，大大提高闭环系统的鲁棒性，同时采用非奇异滑模控制，使得从理论上更能证明其符合实际工程的标准，并且经过ESO补偿过后的系统只需要很小的滑模增益便能达到期望效果，解决了传统滑模大增益带来的抖振问题。

本发明的有益效果为：本发明提出的一种受扰直流降压变换器系统的新型建模及复合抗干扰控制方法，方法科学合理，本发明在某些应用场景例如风力发电系统，此时直流降压变换器的输入是时刻变化的并不是一成不变的，传统的复合策略若想处理输入电压时刻变化的问题需要添加一个电压传感器时刻监测输入电压的幅值，但本发明控制器设计方式无需添加电压传感器却能取得更好的控制效果；直流降压器是属于开关频繁元件，随着使用时间的增加，元件的数值会发生改变，尤其是负载电阻，使用时间增加会导致其温度升高，电阻的大小这时就会发生变化，同时也会影响到系统的输出电压，通过ESO及时从输出电压当中采集到系统的信息，并及时捕捉到影响输出电压的干扰的大小，采取前馈补偿的方式调整占空比的大小，使得输出电压回到设定值；滑模控制本质上属于非线性的控制器，它不过分依赖于系统模型，具有控制效果好、鲁棒性强等优点，抖振的缺点也可以由ESO进行弥补，有效地克服系统的不确定性、非线性和关联性，并在控制设计时考虑了系统某些关键部件存在的多种承载能力、负荷大小方面的各种约束，具有处理控制和状态约束的能力；利用ESO对系统的输出进行采集后，ESO内每一阶会有一个纠错项，通过时刻对ESO跟踪误差进行补偿，使得ESO逐渐将系统改造为利于控制的积分串联形式，而积分串联形式利于滑模控制器进行设计以及发挥效果，这也就使得两种控制策略互补缺陷，发挥各自优势来应对外界的各种各样的干扰。本发明可用于复杂环境的直流降压变换器系统，具备很高的抗干扰能力，相较于其他算法来说更加容易实现，更加切合实际工程，应用前景十分广阔。

附图说明

图1为直流降压变换器电路模型。

图2为开关打开时的变换器电路模型。

图3为开关闭合时的变换器电路模型。

图4为直流降压变换器抗干扰复合控制原理图。

图5为直流降压变换器复合控制流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明：

如图1-5所示，一种受扰直流降压变换器系统的新型建模及复合抗干扰控制方法，步骤如下：

(1)对直流降压变换器系统进行建模

对系统进行数学建模，由于传统的建模的方式中会存在不匹配干扰影响控制器的控制效果，因此通过分析不匹配干扰的物理意义，判断其可导，后通过微分将其转化为匹配的干扰，进而对其设计控制器，这样在可以简化控制器的设计同时发挥控制器原本的优势。

(2)设计扩张状态观测器

对于系统输出当中有些十分关键的状态但是目前的技术难以测量的可以通过扩张状态观测器ESO来实现，ESO可以通过采集系统的输入和输出信号，实时的估计系统的全部状态变量，同时ESO扩张的那一阶系统状态是用来估计系统的总干扰，所谓的总干扰是所有影响被控输出的干扰的集合，因此使用ESO可以有效估计出实际系统中的干扰以及不确定性对于系统的影响，进而对总干扰进行补偿。

(3)设计直流降压变换器的抗干扰复合滑模控制器

利用滑模控制的优势，以其对匹配干扰不敏感的特点，大大提高闭环系统的鲁棒性，同时采用非奇异滑模控制，使得从理论上更能证明其符合实际工程的标准，并且经过ESO补偿过后的系统只需要很小的切换增益便能达到期望效果，解决了传统滑模控制中大切换增益带来的抖振问题。

如图1-5所示，一种受扰直流降压变换器系统的新型建模及复合抗干扰控制方法，对直流降压变换器系统进行建模的具体方法如下：

根据电容电压不能突变，电感电流不能突变的原理得到直流降压变换器开通和关闭状态下的数学模型：

开关打开：

开关闭合：

进而得到直流变换器的平均数学模型：

其中：其中：E是输入电压值，L是电感，C是电容，R是负载电阻，i_L是流过电感的电流，v_o既是输出电压值，同时也是电容两端电压值，μ∈[0，1]是占空比；

建立出参考值和系统输出误差之间的数学模型：

令x₁＝v_o-v_r可得：

d₁(t)的物理意义为流经负载的电流与电容的比值的变化量，是可导的，所以将原本不匹配干扰d₁(t)，通过求导转化为匹配干扰，令

得：

代表了输入电压变化带来的干扰，直流降压变换器平均数学模型推导如下：

令

将数学模型改写为：

令d₄(t)代表了系统中各种不确定性，状态变量x₂满足：

令

D代表了系统中影响输出电压的总扰动，且D是有界的。

如图1-5所示，一种受扰直流降压变换器系统的新型建模及复合抗干扰控制方法，设计扩张状态观测器的具体方法如下：

通过设计一个干扰估计器，以观察输入电压和负载电阻变化引起的干扰，根据上述建模方法，直流降压变换器是一个二阶系统，其总扰动D包括匹配和不匹配扰动，被定义为扩展状态变量x₃，为了便于参数调整，设计如下三阶线性扩张状态观测器：

式中：

分别是系统状态x₁,x₂的估计值，

跟踪了系统的总扰动D，ω是观测器的带宽，b_o是系统的控制增益；

为纠错项，当

跟踪x₁精度很高时，

观测器观测出的系统便是一个易于控制的积分串联型，方便滑模控制器的设计和使用。

如图1-5所示，一种受扰直流降压变换器系统的新型建模及复合抗干扰控制方法，设计直流降压变换器的抗干扰复合滑模控制器的具体方法如下：

在不引起奇异性问题的前提下，设计一种非奇异终端滑模，以实现有限时间的快速收敛，设计出一种适用于DC/DC系统的非奇异终端滑模控制的(Nonsingular TerminalSliding Mode Control，NTSMC)滑动模型面和控制律：

其中：p和q是正奇数，同时满足

η＞0为滑模控制的切换增益，β＞0为常数；通过引入指数项，将传统滑模会在t＝∞处到达平衡点，改造成有限时间内到达平衡点，证明推算如下：

令系统状态变量从s(0)≠0到s＝0的时间定义为t_r，从

0到

的时间定义为t_s；此外，s＝0的时间定义为t_s；系统状态变量在滑动模态面上的运动推导如下：

收敛到t_s平衡点的时间可由下式求得：

两边同时进行定积分：

通过引入非线性环节，系统状态变量在有限时间内沿滑动面收敛到平衡点，根据实际工程中的要求对控制器进行设计，使得系统能在规定时间内达到目标。

Claims (4)

1.一种受扰直流降压变换器系统的新型建模及复合抗干扰控制方法，其特征在于：所述新型建模及复合抗干扰控制方法的步骤如下：

(1)对直流降压变换器系统进行建模

对系统进行数学建模，由于传统的建模的方式中会存在不匹配干扰影响控制器的控制效果，因此通过分析不匹配干扰的物理意义，判断其可导，后通过微分将其转化为匹配的干扰，进而对其设计控制器，这样在可以简化控制器的设计同时发挥控制器原本的优势；

(2)设计扩张状态观测器

对于系统输出当中有些十分关键的状态但是目前的技术难以测量的可以通过扩张状态观测器来实现，ESO可以通过采集系统的输入和输出信号，实时的估计系统的全部状态变量，同时ESO扩张的那一阶系统状态是用来估计系统的总干扰，所谓的总干扰是所有影响被控输出的干扰的集合，因此使用ESO可以有效估计出实际系统中的干扰以及不确定性对于系统的影响，进而对总干扰进行补偿；

(3)设计直流降压变换器的抗干扰复合滑模控制器

利用滑模控制的优势，以其对匹配干扰不敏感的特点，大大提高闭环系统的鲁棒性，同时采用非奇异滑模控制，使得从理论上更能证明其符合实际工程的标准，并且经过ESO补偿过后的系统只需要很小的切换增益便能达到期望效果，解决了传统滑模控制中大切换增益带来的抖振问题。

2.根据权利要求1所述的一种受扰直流降压变换器系统的新型建模及复合抗干扰控制方法，其特征在于，步骤(1)中所述对直流降压变换器系统进行建模的具体方法如下：

根据电容电压不能突变，电感电流不能突变的原理得到直流降压变换器开通和关闭状态下的数学模型：

开关打开：

开关闭合：

进而得到直流变换器的平均数学模型：

其中：其中：E是输入电压值，L是电感，C是电容，R是负载电阻，i_L是流过电感的电流，v_o既是输出电压值，同时也是电容两端电压值，μ∈[0，1]是占空比；

建立出参考值和系统输出误差之间的数学模型：

令x₁＝v_o-v_r可得：

d₁(t)的物理意义为流经负载的电流与电容的比值的变化量，是可导的，所以将原本不匹配干扰d₁(t)，通过求导转化为匹配干扰，令

得：

代表了输入电压变化带来的干扰，直流降压变换器平均数学模型推导如下：

令

将数学模型改写为：

令d₄(t)代表了系统中各种不确定性，状态变量x₂满足：

令

D代表了系统中影响输出电压的总扰动，且D是有界的

3.根据权利要求1所述的一种受扰直流降压变换器系统的新型建模及复合抗干扰控制方法，其特征在于，步骤(2)中所述设计扩张状态观测器的具体方法如下：

通过设计一个扰动观测器，以观察输入电压和负载电阻变化引起的干扰，根据上述建模方法，直流降压变换器是一个二阶系统，其总扰动D包括匹配和不匹配扰动，被定义为扩展状态变量x₃，为了便于参数调整，设计如下三阶线性扩张状态观测器：

式中：

分别是系统状态x₁,x₂的估计值，

跟踪了系统的总扰动D，ω是观测器的带宽，b_o是系统的控制增益；

为纠错项，当

跟踪x₁精度很高时，

观测器观测出的系统便是一个易于控制的积分串联型，方便滑模控制器的设计和使用。

4.根据权利要求1所述的一种受扰直流降压变换器系统的新型建模及复合抗干扰控制方法，其特征在于，步骤(3)中设计直流降压变换器的抗干扰复合滑模控制器的具体方法如下：

在不引起奇异性问题的前提下，设计一种非奇异终端滑模，以实现有限时间的快速收敛，设计出一种适用于直流降压变换器系统的非奇异终端滑模控制的滑动模型面和控制律：

其中：p和q是正奇数，同时满足

η＞0为滑模控制的切换增益，β＞0为常数；通过引入指数项，将传统滑模会在t＝∞处到达平衡点，改造成有限时间内到达平衡点，证明推算如下：

令系统状态变量从s(0)≠0到s＝0的时间定义为t_r，从

到

的时间定义为t_s；此外，s＝0的时间定义为t_s；系统状态变量在滑动模态面上的运动推导如下：

收敛到t_s平衡点的时间可由下式求得：

两边同时进行定积分：

通过引入非线性环节，系统状态变量在有限时间内沿滑动面收敛到平衡点，根据实际工程中的要求对控制器参数进行设计，使得系统能在规定时间内达到目标。

Images