CN115065238B - 带恒功率负载直流降压变换器的积分滑模控制方法和系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了带恒功率负载直流降压变换器的积分滑模控制方法和系统。该方法基于微分的平坦性，将带恒功率负载直流降压变换器的大信号状态空间平均模型转换为结构简单的线性系统，降低了控制器设计的难度。采用积分滑模控制方法，既保证了闭环系统的鲁棒性，又削弱了抖振。同时，设计了一种功率观测器，在线估计负载功率，实时调整控制器参数。通过仿真验证，本发明对带恒功率负载直流降压变换器有良好的控制性能，面对负载突变和参数摄动对系统带来的干扰，具有较强的鲁棒性和抗干扰性。

Description

带恒功率负载直流降压变换器的积分滑模控制方法和系统
技术领域
本发明涉及一种基于微分平坦性的积分滑模控制方法，具体涉及一种带恒功率负载直流降压变换器的自适应积分滑模控制方法和系统，属于电力电子变换器技术领域。
背景技术
微电网可以将分布式电源集成到电力系统中，是未来智能电网的重要组成部分。根据母线电压的特点，微电网可分为交流微电网和直流微电网。与交流微电网相比，直流微电网不存在相位不平衡、谐波、同步和无功潮流等问题，更易于控制。此外，相比于交流微电网，直流微电网可以更高效、更可靠地整合直流电源和直流负载。随着直流电源数量的增加和直流负载比例的增大，直流微电网得到了广泛的应用。
在直流微电网中，为了增加电压调节的灵活性，一些电力电子转换器以级联的形式使用。然而，当这些转换器受到严格控制时，电力电子转换器负载表现为恒定功率负载。而恒功率负载的电流与电压成反比，具有负阻抗特性，会降低系统阻尼，导致系统不稳定，甚至使系统无法正常工作。PID控制法因其结构简单、易于实现，是目前实际工程中最常见的控制方法。但当系统中存在参数摄动和负载扰动时，现有PID控制方法并未考虑负载扰动和参数摄动对系统带来的不利影响，因此其控制性能较差。
发明内容
本发明针对带恒功率负载的直流降压变换器的控制问题，考虑到负载突变、参数摄动，提出一种基于微分平坦性的积分滑模控制方法。
本发明采用以下技术方案。
一方面，本发明提供带恒功率负载直流降压变换器的积分滑模控制方法，所述变换器包括：输入电源、输出端电容、滤波电感、恒功率负载、续流二极管和开关管；所述输入电源的正极连接开关管的漏极，所述开关管的源极连接续流二极管的阴极和滤波电感的一端，滤波电感的另一端分别连接输出端电容的一端和恒功率负载的一端，所述输入电源的负极连接续流二极管的阴极、滤波电容的另一端和恒功率负载的另一端；
所述积分滑模控制方法包括：
获取滤波电感的电流和输出端电容的电压，根据获取的电流和电压建立大信号状态空间平均模型；
基于大信号状态空间平均模型，估计恒功率负载的功率；
基于微分的平坦型，结合估计获得的恒功率负载的功率，对原本非线性的系统状态空间方程进行坐标变换，得到线性系统模型；
针对线性系统模型，基于滑模控制理论，设计积分滑模控制的滑模面，基于滑模面设计控制律；
将控制律进行反变换，得到带恒功率负载的直流降压变换器的控制率，将其作为占空比输入；再经由PWM控制得到固定频率的变换器驱动信号，通过对占空比的实时控制，调整变换器的输出电压。
进一步地，大信号状态空间平均模型表示如下：
Figure 780621DEST_PATH_IMAGE001
；
其中，x 1为滤波电感电流，x 2为输出端电容电压，
Figure 25657DEST_PATH_IMAGE002
为滤波电感电流对时间的导数，
Figure 149602DEST_PATH_IMAGE003
为输出端电容电压对时间的导数；L、C分别为滤波电感、输出端电容的标称值，Us为输入电压，d为占空比，ΔL和ΔC分别为滤波电感和输出端电容的参数摄动，P为恒功率负载功率。
进一步地，估计恒功率负载的功率的表达式如下：
Figure 13653DEST_PATH_IMAGE004
；
其中，x 1为滤波电感电流，x 2为输出端电容电压，C为输出端电容的标称值，
Figure 421501DEST_PATH_IMAGE005
为恒功率负载功率P的估计值，
Figure 712805DEST_PATH_IMAGE006
为中间变量，
Figure 324046DEST_PATH_IMAGE007
为中间变量
Figure 991787DEST_PATH_IMAGE006
对时间的一阶导数，α为调节参数，需要满足条件α>0。
再进一步地，基于微分的平坦型，结合估计获得的恒功率负载的功率，对原本非线性的系统状态空间方程进行坐标变换，得到线性系统模型，具体包括：
基于微分的平坦性，选取输出端电容的标称值构建所述变换器的平坦输出，平坦输出及其对时间的导数表示如下：
Figure 254142DEST_PATH_IMAGE008
；
Figure 450768DEST_PATH_IMAGE009
；
Figure 549305DEST_PATH_IMAGE010
；
其中
Figure 755158DEST_PATH_IMAGE011
为平坦输出，
Figure 872019DEST_PATH_IMAGE012
为平坦输出对时间的一阶导数，
Figure 770705DEST_PATH_IMAGE013
为平坦输出对时间的二阶导数，L为滤波电感的标称值，Us为输入电压，d为占空比；
进行坐标变换包括：
Figure 88029DEST_PATH_IMAGE014
；
Figure 97573DEST_PATH_IMAGE015
；
其中，
Figure 334520DEST_PATH_IMAGE016
，
Figure 138528DEST_PATH_IMAGE017
为参考电压；
Figure 211657DEST_PATH_IMAGE018
为平坦输出期望值，
Figure 759313DEST_PATH_IMAGE019
为平坦输出期望值的导数，
Figure 850766DEST_PATH_IMAGE020
为平坦输出误差，
Figure 91254DEST_PATH_IMAGE021
为平坦输出误差的导数；
定义估计恒功率负载的功率误差
Figure 386100DEST_PATH_IMAGE022
为：
Figure 737447DEST_PATH_IMAGE023
；
考虑参数摄动和估计误差时平坦输出及其对时间的导数如下：
Figure 683407DEST_PATH_IMAGE024
；
Figure 94796DEST_PATH_IMAGE025
；
Figure 876939DEST_PATH_IMAGE026
；
Figure 766397DEST_PATH_IMAGE027
；
其中，
Figure 832442DEST_PATH_IMAGE028
，
Figure 414733DEST_PATH_IMAGE029
为参考电压；
Figure 681242DEST_PATH_IMAGE030
为考虑参数摄动和估计误差时平坦输出，
Figure 374392DEST_PATH_IMAGE031
为考虑参数摄动和估计误差时平坦输出对时间的导数，
Figure 29364DEST_PATH_IMAGE032
为考虑参数摄动和估计误差时平坦输出的误差，
Figure 782556DEST_PATH_IMAGE033
为考虑参数摄动和估计误差时平坦输出误差的导数；
得到线性系统模型如下：
Figure 539291DEST_PATH_IMAGE034
；
Figure 301710DEST_PATH_IMAGE035
为估计恒功率负载的功率误差对时间的一阶导数，
Figure 76768DEST_PATH_IMAGE036
是
Figure 735283DEST_PATH_IMAGE037
对时间的一阶导数，
Figure 979313DEST_PATH_IMAGE038
是
Figure 279845DEST_PATH_IMAGE039
对时间的一阶导数，
Figure 50355DEST_PATH_IMAGE040
是线性系统的控制律，α为调节参数，需要满足条件α>0。
再进一步地，滑模面表示为：
Figure 4404DEST_PATH_IMAGE041
；
其中，s为滑模面，k 1和k 2为滑模面参数，满足k 1>0且k 2>0，t为时间；
线性系统的控制律表示为：
Figure 860365DEST_PATH_IMAGE042
；
Figure 574374DEST_PATH_IMAGE040
是线性系统的控制律，
Figure 933811DEST_PATH_IMAGE043
为关于滑模面s的符号函数，k 3为滑模面参数。
再进一步地，
占空比
Figure 589920DEST_PATH_IMAGE044
表示如下：
Figure 667598DEST_PATH_IMAGE045
。
第二方面，本发明提供了带恒功率负载直流降压变换器的积分滑模控制系统，所述变换器包括：为输入电源、输出端电容、滤波电感、恒功率负载、续流二极管和开关管；所述输入电源的正极连接开关管的漏极，所述开关管的源极连接续流二极管的阴极和滤波电感的一端，滤波电感的另一端分别连接输出端电容的一端和恒功率负载的一端，所述输入电源的负极连接续流二极管的阴极、滤波电容的另一端和恒功率负载的另一端；
所述积分滑模控制系统包括：电流传感器、电压传感器、坐标变换模块、功率观测器、积分滑模控制器、坐标反变换模块和PWM模块，
所述电流传感器，用于获取滤波电感的电流；
所述电压传感器用于获取输出端电容的电压；
所述功率观测器，用于根据获取的电流和电压建立大信号状态空间平均模型；基于大信号状态空间平均模型，估计恒功率负载的功率；
所述坐标变换模块，用于基于微分的平坦型，结合估计获得的恒功率负载的功率，对原本非线性的系统状态空间方程进行坐标变换，得到线性系统模型；
所述积分滑模控制器，用于针对所述坐标变换模块得到的线性系统模型，基于滑模控制理论，设计积分滑模控制的滑模面，基于滑模面设计控制律；
所述坐标反变换模块，用于将控制律进行反变换，得到带恒功率负载的直流降压变换器的控制率，将其作为占空比输入；
所述PWM 模块，用于基于占空比，通过PWM控制得到固定频率的变换器驱动信号，通过对占空比的实时控制，调整变换器的输出电压。
本发明与现有技术相比具有如下优点：
（1）本发明基于微分平坦性，将原本复杂的非线性系统转化为线性系统，设计过程简明，控制器结构简单，易于实现。
（2）基于微分平坦性的积分滑模控制器，可以显著提高系统的抗干扰能力，能有效抑制参数摄动对系统带来的不利影响。
（3）结合一种功率观测器，在线估计负载功率，并对控制器参数进行实时调整，最终使直流降压变换器的输出电压实现对参考电压的精确快速跟踪。在负载突变的情况下，依然可以保证良好的控制性能。
附图说明
图1 是实施例提供的带恒功率负载直流降压变换器的电路图；
图2是本发明实施例提供的种带恒功率负载直流降压变换器的积分滑模控制方法的控制原理图；
图3为本发明实施例在负载功率由6W突变为10W情况下的功率观测器输出曲线；
图4为本发明实施例在负载功率由6W突变为10W情况下的输出电压响应曲线；
图5是本发明实施例存在参数变化时的输出电压响应曲线6
图6是在负载突变情况下带恒功率负载直流降压变换器使用本发明实施例提供的控制方法与PI控制方法时输出电压曲线对比图；
其中附图标记：1-输入电源；2-开关管；3-续流二极管；4-滤波电感；5-输出端电容；6-恒功率负载；7-电流传感器；8-电压传感器；9-功率观测器；10-坐标变换模块；11-积分滑模控制器；12-坐标反变换模块；13-PWM模块。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式做详细说明。
实施例1：带恒功率负载直流降压变换器的积分滑模控制方法，如图1所示，变换器包括：输入电源1、输出端电容5、滤波电感4、恒功率负载6、续流二极管3和开关管2；所述输入电源1的正极连接开关管2的漏极，所述开关管2的源极连接续流二极管3的阴极和滤波电感4的一端，滤波电感4的另一端分别连接输出端电容5的一端和恒功率负载6的一端，所述输入电源1的负极连接续流二极管3的阴极、滤波电容5的另一端和恒功率负载6的另一端。
所述积分滑模控制方法包括：
获取滤波电感的电流和输出端电容的电压，根据获取的电流和电压建立大信号状态空间平均模型；
基于大信号状态空间平均模型，估计恒功率负载的功率；
基于微分的平坦型，结合估计获得的恒功率负载的功率，对原本非线性的系统状态空间方程进行坐标变换，得到线性系统模型；
针对线性系统模型，基于滑模控制理论，设计积分滑模控制的滑模面，基于滑模面设计控制律；
将控制律进行反变换，得到带恒功率负载的直流降压变换器的控制率，将其作为占空比输入；再经由PWM控制得到固定频率的变换器驱动信号，通过对占空比的实时控制，调整变换器的输出电压。
具体实施例中，大信号状态空间平均模型表示如下：
Figure 182368DEST_PATH_IMAGE001
；
其中，x 1为滤波电感电流，x 2为输出端电容电压，
Figure 661891DEST_PATH_IMAGE002
为滤波电感电流对时间的导数，
Figure 223323DEST_PATH_IMAGE003
为输出端电容电压对时间的导数；L、C分别为滤波电感、输出端电容的标称值，Us为输入电压，d为占空比，ΔL和ΔC分别为滤波电感和输出端电容的参数摄动，P为恒功率负载功率。
估计恒功率负载的功率的表达式如下：
Figure 788296DEST_PATH_IMAGE004
；
其中，x 1为滤波电感电流，x 2为输出端电容电压，C为输出端电容的标称值，
Figure 234321DEST_PATH_IMAGE005
为恒功率负载功率P的估计值，
Figure 443716DEST_PATH_IMAGE006
为中间变量，
Figure 51415DEST_PATH_IMAGE046
为
Figure 228319DEST_PATH_IMAGE006
对时间的一阶导数，α为调节参数，需要满足条件α>0。
基于微分的平坦型，结合估计获得的恒功率负载的功率，对原本非线性的系统状态空间方程进行坐标变换，得到线性系统模型，具体包括：
基于微分的平坦性，选取输出端电容的标称值构建所述变换器的平坦输出，平坦输出及其对时间的导数如下：
Figure 946876DEST_PATH_IMAGE047
；
Figure 276357DEST_PATH_IMAGE009
；
Figure 54958DEST_PATH_IMAGE010
；
其中
Figure 984736DEST_PATH_IMAGE011
为平坦输出，
Figure 506984DEST_PATH_IMAGE012
为平坦输出对时间的一阶导数，
Figure 690972DEST_PATH_IMAGE013
为平坦输出对时间的二阶导数；
进行坐标变换：
Figure 640474DEST_PATH_IMAGE014
；
Figure 526390DEST_PATH_IMAGE015
；
其中，
Figure 852329DEST_PATH_IMAGE016
，
Figure 911331DEST_PATH_IMAGE017
为参考电压；
Figure 31734DEST_PATH_IMAGE018
为平坦输出期望值，
Figure 670526DEST_PATH_IMAGE019
为平坦输出期望值的导数，
Figure 534577DEST_PATH_IMAGE020
为平坦输出误差，
Figure 427577DEST_PATH_IMAGE021
为平坦输出误差的导数；
定义估计恒功率负载的功率误差
Figure 984461DEST_PATH_IMAGE022
为：
Figure 844969DEST_PATH_IMAGE048
，考虑参数摄动和估计误差时平坦输出及其对时间的导数如下：
Figure 512711DEST_PATH_IMAGE024
；
Figure 650431DEST_PATH_IMAGE025
；
Figure 253582DEST_PATH_IMAGE026
；
Figure 476753DEST_PATH_IMAGE027
；
其中，
Figure 807240DEST_PATH_IMAGE049
，
Figure 799467DEST_PATH_IMAGE050
为参考电压；
Figure 573519DEST_PATH_IMAGE051
为考虑参数摄动和估计误差时平坦输出，
Figure 18407DEST_PATH_IMAGE031
为考虑参数摄动和估计误差时平坦输出对时间的导数，
Figure 152585DEST_PATH_IMAGE032
为考虑参数摄动和估计误差时平坦输出的误差，
Figure 264898DEST_PATH_IMAGE033
为考虑参数摄动和估计误差时平坦输出误差的导数；
得到线性系统模型如下：
Figure 941342DEST_PATH_IMAGE034
；
Figure 139105DEST_PATH_IMAGE035
为估计恒功率负载的功率误差对时间的一阶导数，
Figure 811395DEST_PATH_IMAGE036
是
Figure 778214DEST_PATH_IMAGE037
对时间的一阶导数，
Figure 894069DEST_PATH_IMAGE052
是
Figure 579128DEST_PATH_IMAGE039
对时间的一阶导数，
Figure 55109DEST_PATH_IMAGE040
是上述线性系统的控制律。
本实施例中滑模面表示为：
Figure 876434DEST_PATH_IMAGE041
其中，s为滑模面，k 1和k 2为滑模面参数，满足k 1>0且k 2>0，t为时间；
控制律表示为：
Figure 163190DEST_PATH_IMAGE042
Figure 69966DEST_PATH_IMAGE040
是线性系统的控制律，
Figure 225004DEST_PATH_IMAGE043
为关于滑模面s的符号函数，k 3为滑模面参数。
带恒功率负载的直流降压变换器的控制律表示如下：
Figure 291049DEST_PATH_IMAGE053
，
Figure 607761DEST_PATH_IMAGE054
为占空比，也是控制输入。
本实施例中对变换器的控制是通过改变占空比实现的，这里求得的控制律需要作为占空比输入到系统中才能实现对系统的控制。
实施例2：与以上实施例提供的带恒功率负载直流降压变换器的积分滑模控制方法相对应地，本发明具体实施例还提供了带恒功率负载直流降压变换器的积分滑模控制系统，所述带恒功率负载直流降压变换器，如图2所示，包括：输入电源1、输出端电容5、滤波电感4、恒功率负载6、续流二极管3和开关管2；所述输入电源1的正极连接开关管2的漏极，所述开关管2的源极连接续流二极管3的阴极和滤波电感4的一端，滤波电感4的另一端分别连接输出端电容5的一端和恒功率负载6的一端，所述输入电源1的负极连接续流二极管3的阴极、滤波电容的另一端和恒功率负载6的另一端；
所述积分滑模控制系统包括：电流传感器7、电压传感器8、坐标变换模块10、功率观测器9、积分滑模控制器11、坐标反变换模块12和PWM模块13。
本系统的控制方法包括：
步骤（1）：基于时间平均技术，将直流降压变换器的电感电流和电容电压作为其数学模型的状态变量，同时考虑直流降压变换器的参数摄动，建立大信号状态空间平均模型；
步骤（2）：针对步骤（1）所得的大信号状态空间平均模型，设计功率观测器9，估计负载的功率。
步骤（3）：结合步骤（2）功率观测器9得的估计负载的功率，基于微分的平坦性，对原本非线性的系统状态空间方程进行坐标变换，得到线性系统模型；
步骤（4）：基于滑模控制理论，针对步骤（3）所得的线性系统模型，基于滑模控制理论，设计积分滑模控制的滑模面，基于滑模面设计积分滑模控制器11的控制律；
步骤（5）：将步骤（4）所得的积分滑模控制器11的控制律进行反变换，得到带恒功率负载的直流降压变换器，并作为占空比输入；再经由PWM输出，得到固定频率、可实时调整占空比的驱动信号，以此控制直流降压变换器的输出电压。
图2是提出的自适应积分滑模控制方法的控制原理图。
控制方法具体地，包括：
步骤1：利用电流和电压传感器8测量直流降压变换器的电感电流和电容电压，并将采集到的数据输入到模数转换器，得到电感电流和电容电压的数字信号，以便于控制器处理。将电感电流和电容电压作为数学模型的状态变量，同时考虑直流降压变换器的参数摄动，基于时间平均技术，建立大信号状态空间平均模型：
Figure 877199DEST_PATH_IMAGE055
；
其中，x 1为滤波电感4电流，x 2为输出端电容5电压，
Figure 570349DEST_PATH_IMAGE056
为滤波电感4电流对时间的导数，
Figure 490900DEST_PATH_IMAGE003
为输出端电容5电压对时间的导数。L、C分别为滤波电感4、输出端电容5的标称值，Us为输入电压，d为占空比，ΔL和ΔC分别为滤波电感4和输出端电容5的参数摄动，P为恒功率负载6功率。
步骤2：
针对步骤1所得的大信号状态空间平均模型，设计功率观测器9，实时观测负载功率。利用电感电流x 1和电容电压x 2，功率观测器9设计如下：
Figure 244093DEST_PATH_IMAGE057
；
其中，观测器的调节参数α需要满足条件α>0，C为电容的标称值，
Figure 263477DEST_PATH_IMAGE005
为恒功率负载6功率P的估计值，
Figure 494738DEST_PATH_IMAGE006
为中间变量。
步骤3：
基于微分的平坦性，选取输出端电容的标称值构建所述变换器的平坦输出，可得平坦输出及其对时间的导数如下：
Figure 269796DEST_PATH_IMAGE047
；
Figure 193889DEST_PATH_IMAGE009
；
其中，L、C分别为直流降压变换器的电感、电容的标称值。
为使闭环系统的输出稳定于参考电压，进行坐标变换：
Figure 437920DEST_PATH_IMAGE014
；
Figure 472872DEST_PATH_IMAGE015
；
其中，
Figure 102437DEST_PATH_IMAGE016
，
Figure 197432DEST_PATH_IMAGE017
为参考电压。
令
Figure 928758DEST_PATH_IMAGE058
，进而得到线性的系统状态空间模型：
Figure 501822DEST_PATH_IMAGE059
；
Figure 251472DEST_PATH_IMAGE060
；
定义功率观测器9误差
Figure 517369DEST_PATH_IMAGE022
为：
Figure 470412DEST_PATH_IMAGE048
，考虑到参数不确定性和功率观测器9估计误差，平坦输出及其对时间的导数如下：
Figure 378325DEST_PATH_IMAGE061
；
Figure 857848DEST_PATH_IMAGE062
；
Figure 419280DEST_PATH_IMAGE026
；
Figure 984253DEST_PATH_IMAGE027
；
其中，
Figure 771556DEST_PATH_IMAGE063
。
考虑到参数不确定性，同时将功率观测器9估计误差作为系统状态，系统状态方程被整理为如下形式：
Figure 371165DEST_PATH_IMAGE034
；
步骤4：
针对步骤3所得的系统状态方程，根据滑模控制理论，设计积分滑模控制器11，滑模面s选择为：
Figure 103497DEST_PATH_IMAGE064
Figure 155767DEST_PATH_IMAGE065
；
其中，k 1和k 2为滑模面参数，满足k 1>0且k 2>0；
对滑模面s求导可得：
Figure 749691DEST_PATH_IMAGE066
；
设计控制器为：
Figure 203806DEST_PATH_IMAGE067
；
其中，k 3为控制器参数，即滑模面参数，需要满足条件k 3>0。
步骤5：
根据步骤3中的等式
Figure 107040DEST_PATH_IMAGE068
，对线性系统控制律
Figure 646605DEST_PATH_IMAGE069
进行反变换，得到带恒功率负载6的直流降压变换器的控制律：
Figure 309799DEST_PATH_IMAGE070
；
将控制器输出经过PWM模块13输出后得到频率固定的直流降压变换器开关管2的驱动信号。通过实时调整驱动信号的占空比，达到控制变换器的输出电压的目的。
在MATLAB/Simulink中，对本发明提出的一种带恒功率负载直流降压变换器的自适应积分滑模控制方法进行了仿真验证，以证实其有效性。直流降压变换器参数如表1所示。首先考虑存在功率突变的情况，在
Figure 618421DEST_PATH_IMAGE071
时负载功率从6W增加到10W，图3将功率观测器9的输出与实际负载功率作对比，功率观测器9可以准确快速地估计负载功率。图4为直流降压变换器的输出电压曲线，可以看出输出电压能够快速跟踪上期望的输出电压值。负载发生突变时，输出电压在小幅波动后，又迅速跟踪上了参考电压。图5为存在参数变化时直流降压变换器的输出电压曲线，在
Figure 692556DEST_PATH_IMAGE071
时，使
Figure 453838DEST_PATH_IMAGE072
，而输出电压几乎没有发生波动。图6为带恒功率负载直流降压变换器使用本发明控制器与PI控制器时输出电压曲线的对比，PI控制器参数选择为
Figure 655144DEST_PATH_IMAGE073
，参考输入
Figure 818272DEST_PATH_IMAGE074
，在t = 0.2s时负载功率由20W突变至35W。PI控制结构简单、易于实现，常用于实际工程中。但其基于线性控制技术，仅能在系统平衡点的小范围邻域内保证控制性能。当系统存在较大扰动时，控制性能下降，甚至无法保证闭环系统的稳定性。与PI控制相比，使用本发明控制器时，系统输出拥有更快响应速度和更高的跟踪精度。负载突变发生后，使用本发明控制器的系统输出在短暂波动后仍能保证稳定。
仿真结果表明，本发明对带恒功率负载直流降压变换器有良好的控制性能，同时可以有效抑制负载突变和参数摄动对系统带来的干扰，具有较强的鲁棒性和抗干扰性。
表1 含恒功率负载6直流降压变换器电路参数
Figure 63308DEST_PATH_IMAGE075
本发明公开了带恒功率负载直流降压变换器的积分滑模控制方法和系统。该方法基于微分的平坦性，将带恒功率负载直流降压变换器的大信号状态空间平均模型转换为结构简单的线性系统，降低了控制器设计的难度。采用积分滑模控制方法，既保证了闭环系统的鲁棒性，又削弱了抖振。同时，设计了一种功率观测器9，在线估计负载功率，实时调整控制器参数。通过仿真验证，本发明对带恒功率负载直流降压变换器有良好的控制性能，面对负载突变和参数摄动对系统带来的干扰，具有较强的鲁棒性和抗干扰性。
所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统，模块/单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

Claims (6)

1.带恒功率负载直流降压变换器的积分滑模控制方法，其特征在于，所述变换器包括：输入电源、输出端电容、滤波电感、恒功率负载、续流二极管和开关管；所述输入电源的正极连接开关管的漏极，所述开关管的源极连接续流二极管的阴极和滤波电感的一端，滤波电感的另一端分别连接输出端电容的一端和恒功率负载的一端，所述输入电源的负极连接续流二极管的阴极、滤波电容的另一端和恒功率负载的另一端；
所述积分滑模控制方法包括：
获取滤波电感的电流和输出端电容的电压，根据获取的电流和电压建立大信号状态空间平均模型；
基于大信号状态空间平均模型，估计恒功率负载的功率；
基于微分的平坦型，结合估计获得的恒功率负载的功率，对原本非线性的系统状态空间方程进行坐标变换，得到线性系统模型；
针对线性系统模型，基于滑模控制理论，设计积分滑模控制的滑模面，基于滑模面设计控制律；
将控制律进行反变换，得到带恒功率负载的直流降压变换器的控制率，将其作为占空比输入；再经由PWM控制得到固定频率的变换器驱动信号，通过对占空比的实时控制，调整变换器的输出电压；
估计恒功率负载的功率的表达式如下：
Figure FDA0003890658520000011
其中，x1为滤波电感电流，x2为输出端电容电压，C为输出端电容的标称值，
Figure FDA0003890658520000012
为恒功率负载功率P的估计值，
Figure FDA0003890658520000013
为中间变量，
Figure FDA0003890658520000014
为中间变量
Figure FDA0003890658520000015
对时间的一阶导数，α为调节参数，需要满足条件α>0。
2.根据权利要求1所述的带恒功率负载直流降压变换器的积分滑模控制方法，其特征在于，大信号状态空间平均模型表示如下：
Figure FDA0003890658520000021
其中，x1为滤波电感电流，x2为输出端电容电压，
Figure FDA0003890658520000022
为滤波电感电流对时间的导数，
Figure FDA0003890658520000023
为输出端电容电压对时间的导数；L、C分别为滤波电感的标称值、输出端电容的标称值，Us为输入电压，d为占空比，ΔL和ΔC分别为滤波电感和输出端电容的参数摄动，P为恒功率负载功率。
3.根据权利要求1所述的带恒功率负载直流降压变换器的积分滑模控制方法，其特征在于，基于微分的平坦型，结合估计获得的恒功率负载的功率，对原本非线性的系统状态空间方程进行坐标变换，得到线性系统模型，具体包括：
基于微分的平坦性，选取输出端电容的标称值构建所述变换器的平坦输出，平坦输出及其对时间的导数表示如下：
Figure FDA0003890658520000024
Figure FDA0003890658520000025
Figure FDA0003890658520000026
其中
Figure FDA0003890658520000027
为平坦输出，
Figure FDA0003890658520000028
为平坦输出对时间的一阶导数，
Figure FDA0003890658520000029
为平坦输出对时间的二阶导数，L为滤波电感的标称值，Us为输入电压，d为占空比；
进行坐标变换包括：
Figure FDA00038906585200000210
Figure FDA0003890658520000031
其中，
Figure FDA0003890658520000032
Figure FDA0003890658520000033
为参考电压；
Figure FDA0003890658520000034
为平坦输出期望值，
Figure FDA0003890658520000035
为平坦输出期望值的导数，
Figure FDA0003890658520000036
为平坦输出误差，
Figure FDA0003890658520000037
为平坦输出误差的导数；
定义估计恒功率负载的功率误差
Figure FDA0003890658520000038
为：
Figure FDA0003890658520000039
考虑参数摄动和估计误差时平坦输出及其对时间的导数如下：
Figure FDA00038906585200000310
Figure FDA00038906585200000311
Figure FDA00038906585200000312
Figure FDA00038906585200000313
其中，
Figure FDA00038906585200000314
Figure FDA00038906585200000315
为参考电压；Z为考虑参数摄动和估计误差时平坦输出，
Figure FDA00038906585200000316
为考虑参数摄动和估计误差时平坦输出对时间的导数，y1为考虑参数摄动和估计误差时平坦输出的误差，y2为考虑参数摄动和估计误差时平坦输出误差的导数；
得到线性系统模型如下：
Figure FDA0003890658520000041
Figure FDA0003890658520000042
为估计恒功率负载的功率误差对时间的一阶导数，
Figure FDA0003890658520000043
是y1对时间的一阶导数，
Figure FDA0003890658520000044
是y2对时间的一阶导数，uy是线性系统的控制律。
4.根据权利要求3所述的带恒功率负载直流降压变换器的积分滑模控制方法，其特征在于，滑模面表示为：
Figure FDA0003890658520000045
其中，s为滑模面，k1和k2为滑模面参数，满足k1>0且k2>0，t为时间；
线性系统的控制律表示为：
Figure FDA0003890658520000046
Figure FDA0003890658520000047
为关于滑模面s的符号函数，k3为滑模面参数。
5.根据权利要求4所述的带恒功率负载直流降压变换器的积分滑模控制方法，其特征在于，
占空比d表示如下：
Figure FDA0003890658520000048
6.带恒功率负载直流降压变换器的积分滑模控制系统，其特征在于，所述变换器包括：为输入电源、输出端电容、滤波电感、恒功率负载、续流二极管和开关管；所述输入电源的正极连接开关管的漏极，所述开关管的源极连接续流二极管的阴极和滤波电感的一端，滤波电感的另一端分别连接输出端电容的一端和恒功率负载的一端，所述输入电源的负极连接续流二极管的阴极、滤波电容的另一端和恒功率负载的另一端；
所述积分滑模控制系统包括：电流传感器、电压传感器、坐标变换模块、功率观测器、积分滑模控制器、坐标反变换模块和PWM模块，
所述电流传感器，用于获取滤波电感的电流；
所述电压传感器用于获取输出端电容的电压；
所述功率观测器，用于根据获取的电流和电压建立大信号状态空间平均模型；基于大信号状态空间平均模型，估计恒功率负载的功率；
所述坐标变换模块，用于基于微分的平坦型，结合估计获得的恒功率负载的功率，对原本非线性的系统状态空间方程进行坐标变换，得到线性系统模型；
所述积分滑模控制器，用于针对所述坐标变换模块得到的线性系统模型，基于滑模控制理论，设计积分滑模控制的滑模面，基于滑模面设计控制律；
所述坐标反变换模块，用于将控制律进行反变换，得到带恒功率负载的直流降压变换器的控制率，将其作为占空比输入；
所述PWM模块，用于基于占空比，通过PWM控制得到固定频率的变换器驱动信号，通过对占空比的实时控制，调整变换器的输出电压；
估计恒功率负载的功率的表达式如下：
Figure FDA0003890658520000051
其中，x1为滤波电感电流，x2为输出端电容电压，C为输出端电容的标称值，
Figure FDA0003890658520000052
为恒功率负载功率P的估计值，
Figure FDA0003890658520000053
为中间变量，
Figure FDA0003890658520000054
为中间变量
Figure FDA0003890658520000055
对时间的一阶导数，α为调节参数，需要满足条件α>0。
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