CN112421950A - 基于干扰观测器与积分滑模控制的boost变换器控制方法 - Google Patents

基于干扰观测器与积分滑模控制的boost变换器控制方法 Download PDF

Info

Publication number
CN112421950A
CN112421950A CN202011190229.8A CN202011190229A CN112421950A CN 112421950 A CN112421950 A CN 112421950A CN 202011190229 A CN202011190229 A CN 202011190229A CN 112421950 A CN112421950 A CN 112421950A
Authority
CN
China
Prior art keywords
sliding mode
integral sliding
boost converter
disturbance observer
input voltage
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.)
Pending
Application number
CN202011190229.8A
Other languages
English (en)
Inventor
刘然
任幼逢
张白林
郭晓静
朱莉莉
张小涛
陈祺
平静洋
孙朋辉
燕少鹏
陈晓东
闫凯
姚亮
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.)
State Grid Corp of China SGCC
Luoyang Power Supply Co of State Grid Henan Electric Power Co Ltd
Original Assignee
State Grid Corp of China SGCC
Luoyang Power Supply Co of State Grid Henan Electric Power 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 State Grid Corp of China SGCC, Luoyang Power Supply Co of State Grid Henan Electric Power Co Ltd filed Critical State Grid Corp of China SGCC
Priority to CN202011190229.8A priority Critical patent/CN112421950A/zh
Publication of CN112421950A publication Critical patent/CN112421950A/zh
Pending legal-status Critical Current

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
    • H02M3/02—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac
    • H02M3/04—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters
    • H02M3/10—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H02M3/145—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal
    • H02M3/155—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only
    • H02M3/156—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only with automatic control of output voltage or current, e.g. switching regulators

Landscapes

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

Abstract

本发明涉及电力电子变换器领域，尤其涉及基于干扰观测器与积分滑模控制的boost变换器控制方法，包括：建立boost变换器的状态空间模型方程；基于状态空间模型方程并根据扰动观测器估计的不确定性建立积分滑模控制器；在线路输入电压和/或负载电阻不确定时，通过积分滑模控制器调节输出电压。通过使用本发明，可以实现以下效果：1、直接输出电压控制；2、无需任何附加硬件就可保证恒定的开关频率；3、无需测量输入电压；4、对线路、负载不确定性具有很强的鲁棒性，能够跟踪参考电压。

Description

基于干扰观测器与积分滑模控制的boost变换器控制方法
技术领域
本发明涉及电力电子变换器领域，尤其涉及基于干扰观测器与积分滑模控制的boost变换器控制方法。
背景技术
DC-DC变换器广泛应用于光伏发电、燃料电池系统、风力发电系统、电信系统、直流微电网和功率因数校正，boost变换器是DC-DC变换器中常见的一种变换器，它的优点有：拓扑结构简单、所需元件少、工作可靠性高。在boost变换器的电压调节应用中，当线路和负载存在不确定性时，需要变换器保持恒定的输出电压。控制目标就是在不确定的情况下去调节输出电压，使其具有良好的瞬态性能并且易于实现。
由于boost变换器是一种双线性、非最小不匹配系统，所以其控制一直比较困难。传统的boost变换器的滑模控制是采用间接控制的方法来调节电感电流而不是输出电压，但是间接控制方案可能会导致信号计算的意外复杂性。
发明内容
为解决上述问题，本发明提出一种基于干扰观测器与积分滑模控制的boost变换器控制方法，通过干扰观测器进行输入电压和负载电阻的不确定性估计，并且将估计值应用到积分滑模控制的控制规律中，由此来实现在线路输入电压和负载电阻不确定时可以调节输出电压的目的。
基于干扰观测器与积分滑模控制的boost变换器控制方法，包括：
建立boost变换器的状态空间模型方程；
基于状态空间模型方程并根据扰动观测器估计的不确定性建立积分滑模控制器；
在线路输入电压和/或负载电阻不确定时，通过积分滑模控制器调节输出电压。
优选的，所述boost变换器的状态空间模型方程为：
Figure BDA0002752539930000021
其中，iL表示通过电感器的电流；vC表示电容器上的电压、L表示电感；C表示电容；u表示输入电压；R表示负载电阻；vg表示线路输入电压。
优选的，将非线性数学模型进行简化，得到：
Figure BDA0002752539930000022
其中，a1′1、a2′1、k为已知的常数，而a12、a22为不确定的变量；状态变量x1和x2是被定义为控制目标是使x2变为零；
Figure BDA0002752539930000024
表示状态变量x1的导数；
Figure BDA0002752539930000025
表示表示状态变量x2的导数；d1和d2表示不确定度
优选的，所述基于状态空间模型方程并根据扰动观测器估计的不确定性建立积分滑模控制器包括：
建立用于补偿不匹配扰动的积分滑模面：
Figure BDA0002752539930000023
其中，c1，c2，α为用户选择的正常数；σ*的选择可以保证在t＝0时σ*＝0；
对积分滑模面进行微分以及使用简化后的非线性数学模型，可得滑动面的动力学公式如下：
Figure BDA0002752539930000031
设计控制规律u使滑动条件满足
Figure BDA0002752539930000032
得到积分滑模控制器如下：
Figure BDA0002752539930000033
本发明利用扰动观测器估计线路和负载的不确定性，然后将其应用到积分滑模控制律中，实现了在输入电压和负载不确定的情况下调节输出电压的目的。分析了控制器跟踪参考电压和调节输出电压的能力，具有如下优点：1、直接输出电压控制；2、无需任何附加硬件就可保证恒定的开关频率；3、无需测量输入电压；4、对线路、负载不确定性具有很强的鲁棒性，能够跟踪参考电压。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1是本发明实施例中boost变换器的拓扑结构电路图；
图2是本发明实施例基于干扰观测器与积分滑模控制的boost变换器控制方法的示意流程图；
图3是本发明实施例线路输入电压vg不确定情况下输出电压和负载电流的曲线示意图；
图4a是本发明实施例线路输入电压vg不确定情况下输入电压vg等于20V时的输出电压vO和电感器电流iL的曲线示意图；
图4b是本发明实施例线路输入电压vg不确定情况下输入电压vg等于24V时的输出电压vO和电感器电流iL的曲线示意图；
图4c是本发明实施例线路输入电压vg不确定情况下输入电压vg等于28V时的输出电压vO和电感器电流iL的曲线示意图；
图5是本发明实施例负载电阻不确定时输出电压和负载电流的曲线示意图。
具体实施方式
以下结合附图，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。
本发明实施例利用的拓扑结构为boost变换器，如图1所示，其中主要器件有：直流电压源V、开关管Q、二极管D、电感L、电容C、负载R。
基于上述boost变换器，本发明实施例提出一种基于干扰观测器与积分滑模控制的boost变换器控制方法，如图1所示，包括以下步骤：
S1：建立boost变换器的状态空间模型方程；
S2：基于状态空间模型方程并根据扰动观测器估计的不确定性建立积分滑模控制器；
S3：在线路输入电压和/或负载电阻不确定时，通过积分滑模控制器调节输出电压。
积分滑模控制是滑模控制的一种改进，它可以降低系统的不确定性。另外，利用积分滑模控制设计的干扰观测器可以实现连续控制，并且可以消除抖振，同时保证滑模控制的强鲁棒性和高精度。本发明基于干扰观测器设计的积分滑模控制方法，可以在输入电压和负载不确定时对输出电压进行调节，并且能够跟踪参考电压，保证恒定的开关频率。
建立boost变换器的状态空间模型方程，要注意的是boost变换器可以工作在电流连续工作模式(CCM)或电流不连续工作模式(DCM)。在本发明中选择的负载电阻满足电流连续工作模式(CCM)条件。因此，转换器将始终在电流连续工作模式(CCM)中工作。电流连续工作模式(CCM)中转换器的状态空间模型方程具体如下：
Figure BDA0002752539930000051
其中，iL表示通过电感器的电流；vC表示电容器上的电压、L表示电感；C表示电容；u表示输入电压；R表示负载电阻；vg表示线路输入电压。在后面的内容中，输出电压用vO表示，vO等于vC。可以注意到，负载电阻R和输入电压vg未知，但其数值是位于已知的范围内。用矩阵方程表示如下：
Figure BDA0002752539930000052
状态空间模型方程(1)中不包括变换器的寄生元件。控制目标是在输入电压和负载电阻两种不确定性的情况下调节输出电压，并跟踪参考电压。
作为优选，可以将状态空间模型方程简化改写为：
Figure BDA0002752539930000053
其中，
x1＝iL,x2＝vC-Vref (4)
Figure BDA0002752539930000054
d1＝-a1′1(Vref+ku-Vrefu)+a12 (6)
d2＝-a′21ux1-a22(x2+Vref) (7)
其中a′11、a′21、k都是已知的常数，而a12、a22是不确定的变量。改写后的数学模型(3)比原始模型更为简单。状态变量x1和x2是被定义为控制目标是使x2变为零。Vref表示；
Figure BDA0002752539930000061
表示状态变量x1的导数；
Figure BDA0002752539930000062
表示表示状态变量x2的导数；d1和d2表示不确定度。在建立基于扰动观测器的积分滑模控制器时将证明提出的控制规律可以使x2渐近为零。
基于状态空间模型方程并根据扰动观测器估计的不确定性建立积分滑模控制器。扰动观测器估计线路输入电压和负载电阻的不确定性，然后将其应用到控制律中。
不确定度d1的干扰观测器的设计为：
Figure BDA0002752539930000063
Figure BDA0002752539930000064
Figure BDA0002752539930000065
该式中，l1>0是观测器增益，p1是辅助变量，
Figure BDA0002752539930000066
是d1的估计值，并且
Figure BDA0002752539930000067
Figure BDA0002752539930000068
表示辅助变量p1的导数；
Figure BDA0002752539930000069
表示不确定度d1的误差。从(9)式的两边减去
Figure BDA00027525399300000610
得到：
Figure BDA00027525399300000611
Figure BDA00027525399300000612
表示不确定度d1的导数；
Figure BDA00027525399300000613
表示不确定度d1的误差的导数。
同样，不确定度d2估计为：
Figure BDA00027525399300000614
Figure BDA0002752539930000071
Figure BDA0002752539930000072
该式中，l2>0是观测器增益，p2是辅助变量，
Figure BDA0002752539930000073
是d2的估计值，并且
Figure BDA0002752539930000074
从(14)式的两边减去
Figure BDA0002752539930000075
得到：
Figure BDA0002752539930000076
从式(11)和(15)可以看出，如果d1和d2是常数，估计误差将渐近地趋于零。如果d1和d2是慢变参数，估计误差将保持在零的一个小范围内。在boost变换器中，负载电阻和输入电压在隔离瞬间以阶跃方式变化，否则它们会是未知常数。所以，在这些情况下，
Figure BDA0002752539930000077
和
Figure BDA0002752539930000078
是0，因此在l1>0和l2>0时可以保证估计误差的稳定性。
建立用于补偿不匹配扰动的积分滑模面：
Figure BDA0002752539930000079
其中，c1，c2，α是用户选择的正常数。σ*的选择可以保证在t＝0时σ*＝0。通过对积分滑模面进行微分以及使用简化后的非线性数学模型，可得滑动面的动力学公式如下：
Figure BDA00027525399300000710
设计控制规律u使滑动条件满足
Figure BDA00027525399300000711
得到积分滑模控制器如下：
Figure BDA00027525399300000712
上式中，kl是用户选择的正常参数，用来保证滑模控制条件
Figure BDA00027525399300000713
在t和k为正数的情况下都会成立。选择这种控制方式，对于任何vC值来说既不是消极的，也不是无限的。c1、c2的值保证了x2的值趋近于0。在积分滑模控制器中也指出了它不受正负符号函数的影响。本积分滑模控制器保证了恒定的切换频率，而且不需要任何额外的硬件电路，输出电压也无抖动。另外，积分滑模控制器不需要测量任何的输入电压vg。(6)和(7)式中出现的线路和负载不确定性在(18)式中通过估计值得以解决，通过(11)和(15)式可以看出，观测器的增益l1和l2的估算率是确定的。控制u会使滑模面σ*在任何时间t内保持为0，当σ*＝0时，x2的动力学公式如下：
Figure BDA0002752539930000081
这表明，如果
Figure BDA0002752539930000082
是常数，x2将渐进趋向于0。也可以看出，通过选择合适的c1、c2值可以控制误差x2的瞬时状态。
滑模面σ*的稳定性分析。首先考虑Lyapunov函数：
Figure BDA0002752539930000083
σ*的动力学公式通过将(18)带入(17)推导出：
Figure BDA0002752539930000084
对V(σ*)进行微分并利用式子(21)得到：
Figure BDA0002752539930000085
通过(22)式可以推|σ*|最终将会由下式决定：
Figure BDA0002752539930000086
增加kl可以降低σ*的上限，但是增大kl的值不会增加(18)中u的大小，因为σ*总是接近于0的，由于不确定性是以阶跃方式变化，然后变成常数。因此可以得出结论，除了阶跃变化的时刻外，σ*将接近于零。
在一示例实施例中，输入电压vg＝24V、电感L＝200μH、输出电容C＝330μF、负载电阻R＝100Ω、参考电压Vref＝48V；c1＝12×103、c2＝8×105、k＝50、kl＝103、l1＝9×102、l2＝9×102、α＝2×103。
在线路输入电压vg不确定的情况下，线路输入电压vg以20-24-28V的顺序逐步改变，然后利用本发明方法重复实验。输出电压和负载电流如图3所示。可以看出输出电压保持在48V。暂态特性上，vg的瞬时电压分别为1.32V和1.26V，持续时间分别为36ms和34ms，图4a、4b和4c分别示出了输入电压vg等于20V、24V和28V时的输出电压vO和电感器电流iL的曲线。可以看出当输入电压从20V增加到28V时，电感电流的频率在100KHz不变。
在负载电阻不确定的情况下，将输入电压vg和参考电压Vref分别保持在24V和48V，而负载电阻R以100-50-25Ω的方式逐步变化。如图5所示的是输出电压和负载电流的图像。负载电阻R的瞬态变化分别为0.34V和0.44V，持续时间分别为21ms和24ms。而且可以很明显的看出本发明所提出的控制方法是没有显示出稳定误差的。
本发明利用扰动观测器估计线路和负载的不确定性，然后将其应用到积分滑模控制律中，实现了在输入电压和负载不确定的情况下调节输出电压的目的。分析了控制器跟踪参考电压和调节输出电压的能力，具有如下优点：1、直接输出电压控制；2、无需任何附加硬件就可保证恒定的开关频率；3、无需测量输入电压；4、对线路、负载不确定性具有很强的鲁棒性，能够跟踪参考电压。
本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (4)

1.基于干扰观测器与积分滑模控制的boost变换器控制方法，其特征在于，包括：
建立boost变换器的状态空间模型方程；
基于状态空间模型方程并根据扰动观测器估计的不确定性建立积分滑模控制器；
在线路输入电压和/或负载电阻不确定时，通过积分滑模控制器调节输出电压。
2.根据权利要求1所述的基于干扰观测器与积分滑模控制的boost变换器控制方法，其特征在于，所述boost变换器的状态空间模型方程为：
Figure FDA0002752539920000011
其中，iL表示通过电感器的电流；vC表示电容器上的电压、L表示电感；C表示电容；u表示输入电压；R表示负载电阻；vg表示线路输入电压。
3.根据权利要求2所述的基于干扰观测器与积分滑模控制的boost变换器控制方法，其特征在于，将非线性数学模型进行简化，得到：
Figure FDA0002752539920000012
其中，a′11、a′21、k为已知的常数，而a12、a22为不确定的变量；状态变量x1和x2是被定义为控制目标是使x2变为零；
Figure FDA0002752539920000013
表示状态变量x1的导数；
Figure FDA0002752539920000014
表示表示状态变量x2的导数；d1和d2表示不确定度。
4.根据权利要求3所述的基于干扰观测器与积分滑模控制的boost变换器控制方法，其特征在于，所述基于状态空间模型方程并根据扰动观测器估计的不确定性建立积分滑模控制器包括：
建立用于补偿不匹配扰动的积分滑模面：
Figure FDA0002752539920000021
其中，c1，c2，α为用户选择的正常数；σ*的选择可以保证在t＝0时σ*＝0；
对积分滑模面进行微分以及使用简化后的非线性数学模型，可得滑动面的动力学公式如下：
Figure FDA0002752539920000022
设计控制规律u使滑动条件满足
Figure FDA0002752539920000023
得到积分滑模控制器如下：
Figure FDA0002752539920000024
CN202011190229.8A 2020-10-30 2020-10-30 基于干扰观测器与积分滑模控制的boost变换器控制方法 Pending CN112421950A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202011190229.8A CN112421950A (zh) 2020-10-30 2020-10-30 基于干扰观测器与积分滑模控制的boost变换器控制方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202011190229.8A CN112421950A (zh) 2020-10-30 2020-10-30 基于干扰观测器与积分滑模控制的boost变换器控制方法

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN112421950A true CN112421950A (zh) 2021-02-26

Family

ID=74827133

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202011190229.8A Pending CN112421950A (zh) 2020-10-30 2020-10-30 基于干扰观测器与积分滑模控制的boost变换器控制方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN112421950A (zh)

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111431403A (zh) * 2020-02-21 2020-07-17 浙江工业大学 一种基于非线性扩张状态观测器和pd控制技术的直流升压变换器系统控制方法
US10788523B1 (en) * 2019-06-14 2020-09-29 Infineon Technologies Ag Inductor value determination for power converter
CN111756238A (zh) * 2020-07-02 2020-10-09 扬州大学 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

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US10788523B1 (en) * 2019-06-14 2020-09-29 Infineon Technologies Ag Inductor value determination for power converter
CN111431403A (zh) * 2020-02-21 2020-07-17 浙江工业大学 一种基于非线性扩张状态观测器和pd控制技术的直流升压变换器系统控制方法
CN111756238A (zh) * 2020-07-02 2020-10-09 扬州大学 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

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
SANJEEV KUMAR PANDEY ET AL.: "Regulation of Nonminimum Phase DC–DC Converters Using Integral Sliding Mode Control Combined With a Disturbance Observer", 《IEEE TRANSACTIONS ON CIRCUITS AND SYSTEMS II: EXPRESS BRIEFS》 *
王攘攘等: "基于状态观测器的DC-DC升压变换器滑模控制", 《电气传动》 *

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Xu et al. Backstepping control for large signal stability of high boost ratio interleaved converter interfaced DC microgrids with constant power loads
CN102411396B (zh) 用于跟踪光伏模块的最大功率点的方法和设备
Chander et al. Auto-tuned, discrete PID controller for DC-DC converter for fast transient response
CN107147283B (zh) 一种基于扰动观测器和二阶滑模的Buck变换器补偿控制方法
CN110518801B (zh) 一种双重移相调制下双有源全桥变换器小信号建模方法
CN103973102B (zh) 用于电源控制器的系统和方法
Shen et al. Adaptive sliding mode control method for DC–DC converters
CN113285593B (zh) 基于复合积分滑模控制的直流降压变换器系统控制方法
CN104037800B (zh) 一种光伏并网逆变器电流控制方法
Wang et al. Reduced‐order extended state observer based event‐triggered sliding mode control for DC‐DC buck converter system With parameter perturbation
CN112737315A (zh) 基于未知系统动态估计器的降压型直流变换器快速固定时间控制方法
Sira‐Ramirez et al. Sliding mode control of DC‐to‐DC power converters using integral reconstructors
CN108549238A (zh) 基于多胞形LPV系统Buck变换器的鲁棒变增益控制方法
CN109245518A (zh) 一种降压型直流变换器固定时间滑模控制方法
Govindharaj et al. Real-time implementation of adaptive neuro backstepping controller for maximum power point tracking in photo voltaic systems
CN109143862B (zh) 基于参数自适应的降压型直流变换器固定时间滑模控制方法
CN103312293B (zh) 阻抗校正装置与阻抗校正方法
Shahdadi et al. Design and implementation of an improved sliding mode controller for maximum power point tracking in a SEPIC based on PV system
CN109687703A (zh) 基于干扰上界估计的降压型直流变换器固定时间滑模控制方法
Nikolić et al. Adaptive control based on LMS algorithm for grid-connected inverters
CN112421950A (zh) 基于干扰观测器与积分滑模控制的boost变换器控制方法
CN115987086A (zh) 基于神经网络的单开关直流-直流变换器在线控制方法
CN111077782B (zh) 一种基于标准型的连续系统u模型抗扰控制器设计方法
Siddhartha et al. Low‐power non‐ideal pulse‐width modulated DC–DC buck–boost converter: design, analysis and experimentation
CN113949265A (zh) 具有不确定参数的Buck型变换器自适应反步控制方法

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
RJ01 Rejection of invention patent application after publication
RJ01 Rejection of invention patent application after publication

Application publication date: 20210226