CN114499209A - 一种基于dab转换器的ladrc控制方法及系统 - Google Patents

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符奥
田国锋
巩凡
张锐
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Abstract

本发明公开了一种基于DAB转换器的LADRC控制方法，包括：以传输功率的单位值为控制量，通过DAB转换器线性大信号模型进行LADRC控制；其中，所述DAB转换器线性大信号模型基于单边不对称占空比调制方法，通过直接控制标量化的传输功率实现对输出电压的控制。本发明所提出的控制方法，保证系统性能的前提下，改进了传统的线性有源干扰抑制控制器，优化了参数设置过程。最后，通过仿真平台进行了验证，在全功率范围内的总体效率得到显著提高，提出的控制比传统的PI控制具有更好的鲁棒性，并大大简化了传统ADRC控制器设计中参数过多、取值困难的问题。

Description

一种基于DAB转换器的LADRC控制方法及系统
技术领域
本发明涉及信号调制技术领域，特别是涉及一种基于DAB转换器的LADRC控制方法及系统。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
单相移相(SPS)调制策略是DAB转换器最简单的调制方法，通过控制两个H桥之间的移相角可以调节传输功率的大小和方向。但是，当输入和输出电压幅值不匹配时，软开关将难以实现，回流功率和电流应力急剧增加，这将导致非常大的开关损耗，降低DAB变换器的效率。因此，近年来很多学者对这个问题进行了大量的研究，有关研究提出了扩展移相(EPS)调制，也有提出了双重移相(DPS)调制，还有提出了调制三重移相(TPS)调制。与SPS调制相比，这些方法可以有效降低回流功率和电流应力，软开关范围变大，提高了DAB变换器的效率，其共同点是所有开关都以50％的占空比工作。
随着DAB的快速发展，为了使DAB具有较宽的输出电压、较强的负载能力和抗干扰能力，DAB变换器的性能要求也在一步步翻番，这就需要有更好的速度、鲁棒性和适应性的控制策略。许多控制策略被研究用于DAB转换器的控制，还有自适应控制、模糊控制、神经网络控制和主动干扰抑制控制。但是，自适应算法需要有足够精确的控制对象模型，这使得控制器的参数确定很麻烦；应用模糊控制会给电路带来抖动和振动问题，影响电路的稳定输出；神经网络控制的复杂结构使得其控制器设计很麻烦。因此，所有的上位控制策略在实际应用中都有一些缺点。且传统的自抗扰控制器使用一个非线性函数，参数较多，调整复杂，传输效率较低。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提出了一种基于线性ADRC电压控制的占空比调制方法及系统，其能够有效地减少稳态误差。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
第一方面，本发明提供一种基于DAB转换器的LADRC控制方法，包括：
以传输功率的单位值为控制量，通过DAB转换器线性大信号模型进行LADRC控制；
其中，所述DAB转换器线性大信号模型基于单边不对称占空比调制方法，通过直接控制标量化的传输功率实现对输出电压的控制。
进一步地，所述DAB变换器通过控制开关的通断来控制能量传输，所述控制开关的通断过程为非线性过程。
进一步地，所述DAB变换器包括两个H桥，分别为原边H桥和副边H桥。
进一步地，所述原边H桥非对称占空比调制，副边H桥对称占空比调制。
进一步地，所述两个H桥之间通过移相角实现功率传输，单边不对称占空比调制方法包括两个控制自由度。
进一步地，还包括对传输功率进行标幺化处理，用于表示输出电压和传输功率之间的关系。
进一步地，还包括，考虑电路中存在的传输损耗，用于使DAB转换器线性大信号模型更加精确，从而加快动态响应速度。
进一步地，通过将输出功率与传输功率结合，DAB变换器传输功率的标幺值p为:
p＝8(-2D2-D1 2+D+D1-0.25)；
其中，D1为内移相比；D为外移相比。
进一步地，还包括通过提供估计的扩张状态观测器ESO来估计系统总扰动。
进一步地，所述扩张状态观测器ESO为:
Figure BDA0003498731290000031
其中，z1是LESO中跟踪输出电压的状态，z2是LESO[11]中跟踪系统总扰动的状态。
第二方面，提供一种基于DAB转换器的LADRC控制系统，包括：跟踪控制器，用于跟踪系统总扰动和输出电压的状态；
扩张状态观测器，用于估计系统总扰动；
状态误差反馈控制器，用于针对外部扰动实施反馈控制。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明所提出的控制方法，保证系统性能的前提下，改进了传统的线性有源干扰抑制控制器，优化了参数设置过程。最后，通过仿真平台进行了验证，在全功率范围内的总体效率得到显著提高，提出的控制比传统的PI控制具有更好的鲁棒性，并大大简化了传统ADRC控制器设计中参数过多、取值困难的问题。
附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1为本实施例1提供的DAB变换器的拓扑结构；
图2为本实施例1提供的DAB变换器调制策略波形图；
图3为本实施例1提供的DAB变换器的等效结构图；
图4为本实施例1提供的DAB变换器的数学模型图；
图5为本实施例1提供的LADRC控制器结构图。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明做进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
本发明中，术语如“固接”、“相连”、“连接”等应做广义理解，表示可以是固定连接，也可以是一体的连接或可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的相关科研或技术人员，可以根据具体情况确定上述术语在本发明中的具体含义，不能理解为对本发明的限制。
实施例1
第一方面，本发明提供一种基于DAB转换器的LADRC控制方法，包括：
以传输功率的单位值为控制量，通过DAB转换器线性大信号模型进行LADRC控制；
其中，所述DAB转换器线性大信号模型基于单边不对称占空比调制方法，通过直接控制标量化的传输功率实现对输出电压的控制。
进一步地，所述DAB变换器通过控制开关的通断来控制能量传输，所述控制开关的通断过程为非线性过程。
进一步地，所述DAB变换器包括两个H桥，分别为原边H桥和副边H桥。
进一步地，所述原边H桥非对称占空比调制，副边H桥对称占空比调制。
进一步地，所述两个H桥之间通过移相角实现功率传输，单边不对称占空比调制方法包括两个控制自由度。
具体的，
图1给出了DAB转换器的等效电路图，其中：i为输出侧电流，io为输出电流，iC为电容电流。在C2之前的转换器电路的输出电流i2被视为由传输功率控制的电流源，输出电压的转变是对输出电容的充放电，所以引入iC有利于提高动态性能。本发明构建了一个基于闭环控制器的线性化和直接的大信号模型，通过直接控制标量化的传输功率来实现对输出电压的快速和准确控制。
为了方便地表示输出电压V2和p之间的关系，本文只对传输功率进行标幺化处理。从图3所示的等效电路中，可以得到标化传输功率的等效线性大信号数学模型，如图4所示。因此，次级H桥的直流侧输出电流i2和输出电压V2为:
Figure BDA0003498731290000061
Figure BDA0003498731290000062
由输出功率表达式P0＝V2i2得:
P0＝V2(iC+i0) (3)
考虑电路中存在的传输损耗可以使模型更加精确，从而加快动态响应速度。此时传输功率与输出功率的关系为:
Figure BDA0003498731290000071
其中，η为传输效率，与控制方式和电路本身有关。式(4)可进一步标幺化为:
Figure BDA0003498731290000072
其中，V2ref为参考电压，通过式(5)将输出功率与传输功率结合，非对称占空比调制策略的DAB变换器传输功率的标幺值p可表示为:
p＝8(-2D2-D1 2+D+D1-0.25) 6)
其中，D1为内移相比；D为外移相比。
当电路状态改变时，传输功率立即改变，以加快动态响应速度。
由于DAB的传递函数为(1)，可得控制电压V2为:
Figure BDA0003498731290000073
为建立系统有效的数学模型，并考虑系统扰动f，可在LADRC框架内将DAB变换器的动态系统重新表述为:
Figure BDA0003498731290000074
其中，x1＝Vc为控制电压，u为控制输入变量，b0表示已知部分，Δb为未知建模错误，f表示系统总扰动。
在自抗扰控制(ADRC)结构中，核心思想是找到一个能提供估计的ESO，提供一个估计f，使f(t)的影响可以通过抗扰来补偿。对于系统的评估，设x1＝VC,x2＝f,x＝[x1,x2]T,yc＝x1.显然，状态空间方程形式为:
Figure BDA0003498731290000081
增强后的系统可以由(7)直接表示，系统状态空间方程可以表示为:
Figure BDA0003498731290000082
其中，
Figure BDA0003498731290000083
根据公式(9)得:
Figure BDA0003498731290000084
式中，L、z(t)分别为观测器增益向量和观测器状态向量，VC为观测器的实测值，式(10)可表示为:
Figure BDA0003498731290000085
其中，uc＝[u Vc]T为输入，yc为输出。观测器增益向量L是由[A-LC]设计的，它是具有期望特征值的Hurwitz判据。对观测器增益采用带宽参数化方法得:
s2+l1s+l2＝(s+w0)2 (13)
其中，ω0>0，ω0表示二阶LESO的带宽，l1＝2ω0，l2＝ω0 2，ω0 2。本系统的ESO如下:
Figure BDA0003498731290000091
其中，z1是LESO中跟踪输出电压的状态，z2是LESO中跟踪系统总扰动的状态，l1和l2的值对LESO的收敛速度有影响。
实施例2
一种基于DAB转换器的LADRC控制系统，包括：跟踪控制器，用于跟踪系统总扰动和输出电压的状态；
扩张状态观测器，用于估计系统总扰动；
状态误差反馈控制器，用于针对外部扰动实施反馈控制。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种基于DAB转换器的LADRC控制方法，其特征在于，包括：
以传输功率的单位值为控制量，通过DAB转换器线性大信号模型进行LADRC控制；
其中，所述DAB转换器线性大信号模型基于单边不对称占空比调制方法，通过直接控制标量化的传输功率实现对输出电压的控制。
2.如权利要求1所述的一种基于DAB转换器的LADRC控制方法，其特征在于，所述DAB变换器通过控制开关的通断来控制能量传输，所述控制开关的通断过程为非线性过程。
3.如权利要求2所述的一种基于DAB转换器的LADRC控制方法，其特征在于，所述DAB变换器包括两个H桥，分别为原边H桥和副边H桥。
4.如权利要求3所述的一种基于DAB转换器的LADRC控制方法，其特征在于，所述原边H桥非对称占空比调制，副边H桥对称占空比调制。
5.如权利要求4所述的一种基于DAB转换器的LADRC控制方法，其特征在于，所述两个H桥之间通过移相角实现功率传输，单边不对称占空比调制方法包括两个控制自由度。
6.如权利要求5所述的一种基于DAB转换器的LADRC控制方法，其特征在于，还包括对传输功率进行标幺化处理，用于表示输出电压和传输功率之间的关系。
7.如权利要求6所述的一种基于DAB转换器的LADRC控制方法，其特征在于，还包括，考虑电路中存在的传输损耗，用于使DAB转换器线性大信号模型更加精确，从而加快动态响应速度。
8.如权利要求1所述的一种基于DAB转换器的LADRC控制方法，其特征在于，通过将输出功率与传输功率结合，DAB变换器传输功率的标幺值p为:
p＝8(-2D2-D1 2+D+D1-0.25)；
其中，D1为内移相比；D为外移相比。
9.如权利要求8所述的一种基于DAB转换器的LADRC控制方法，其特征在于，还包括通过提供估计的扩张状态观测器ESO来估计系统总扰动。
10.一种基于DAB转换器的LADRC控制系统，其特征在于，包括：
跟踪控制器，用于跟踪系统总扰动和输出电压的状态；
扩张状态观测器，用于估计系统总扰动；
状态误差反馈控制器，用于针对外部扰动实施反馈控制。
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