CN116345897A - 一种基于Buck-Boost变换器的无源性控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于Buck‑Boost变换器的无源性控制方法，具体包括：在电感电流连续导通状态下，建立Buck‑Boost变换器的数学模型，得到系统端口受控哈密顿模型，根据系统端口受控哈密顿模型，从能量整形与阻尼注入两部分入手，并与积分环节结合，优化传统级联与阻尼配置的外环控制器，本发明的方法应用Buck‑Boost变换器，建立端口受控哈密顿模型，设计级联阻尼配置无源控制器，着重在内环控制中利用非线性反馈控制改进的fal函数，以及输入输出侧功率平衡的原则，补偿内环控制的电感电流期望值。通过所设计控制器，无论电阻性负载阻值与恒功率负载阻值大小如何变化，是否存在外部扰动，系统均能稳定运行且精确输出至期望值。
Description
技术领域
本发明属于自动化控制技术领域，具体涉及一种基于Buck-Boost变换器的无源性控制方法。
背景技术
DC-DC变换器是一种通过控制开关器件占空比来实现电能之间相互转换的电力电子设备，有多种形式的拓扑结构。现有常用的拓扑结构是Buck-Boost型变换器，这种变换器因结构简单，工作稳定，便于控制，转换效率快等特点逐渐成为研究热点。对此常用的控制方案分为线性控制算法与非线性控制算法。线性控制算法是在平衡点附近线性化，在其邻域内达到稳定输出；但对非线性系统调节时间，超调量等动态特性仍存在优化空间；且对于恒功率负载出现情况，不能保证系统稳定运行。因而针对非线性系统，大多使用非线性控制算法。如：滑模控制、无源控制、自适应控制、自抗扰控制以及反步控制等。其中无源控制是基于能量平衡的全局控制算法，其原理设计核心是通过能量整形与阻尼注入两部分使系统阻抗部分呈现正阻抗特性，即系统为正定；根据严格正实引理(KYP)证明系统正定与无源性的关系，进而由局部不变定理以及李雅普诺夫第二方法证明无源系统是稳定的。
但现有的应用于恒功率负载系统的无源控制系统，无法兼顾超调与快速性，在满足快速响应的同时难以稳定输出。
发明内容
基于现有技术中存在的上述缺点和不足，本发明的目的之一是至少解决现有技术中存在的上述问题之一或多个，换言之，本发明的目的之一是提供满足前述需求之一或多个的一种基于Buck-Boost变换器的无源性控制方法。
为了达到上述发明目的，本发明采用以下技术方案：
一种基于Buck-Boost变换器的无源性控制方法，具体包括：
在电感电流连续导通状态下，建立Buck-Boost变换器的数学模型，得到系统端口受控哈密顿模型；
根据系统端口受控哈密顿模型，从能量整形与阻尼注入两部分入手，并与积分环节结合，优化传统级联与阻尼配置的外环控制器；
使用内环控制器，依据非线性反馈控制重新定义系统的期望电流，进一步增强系统的动态性能。
作为一种优选的实施方式，优化传统级联与阻尼配置的外环控制器具体包括：
将传统无源控制律与积分环节结合，优化传统级联与阻尼配置的外环控制器。
作为一种优选的实施方式，使用内环控制器，依据非线性反馈控制重新定义系统的期望电流，具体使用方法：
依据非线性反馈控制改进fal函数重新定义系统的期望电流。
作为一种进一步优选的实施方式，内环控制器将改进后的非线性反馈作为期望值，进而重新定义系统的期望电流。
作为一种优选的实施方式，Buck-Boost变换器的控制参数如下：
其中e为输出电压与期望电压的差值，根据实验设参数β＝5；α＝0.5；δ＝0.01，ki取值0.8，A∈(1，π)，B小于1。Vdis是寄生电阻的电压Vdis＝-(RL+(1-u)*RVD+u*RVT)*x1；RL、RVD以及RVT分别是电感、续流二极管以及MOSFET的内阻；tan函数使得在大误差时加快系统收敛时间，且收敛时较传统函数更加平滑。
作为一种优选的实施方式，Buck-Boost变换器的fal函数具体为：
本发明与现有技术相比，有益效果是：
本发明的方法应用Buck-Boost变换器，建立端口受控哈密顿模型，设计级联阻尼配置无源控制器，着重在内环控制中利用输入输出侧功率平衡的原则，补偿内环控制的电感电流期望值，进而通过积分环节优化无源外环控制，无论电阻性负载阻值与恒功率负载阻值大小如何变化，是否存在外部扰动，系统均能稳定运行且精确输出至期望值。
附图说明
图1为本发明提出的基于无源性控制的Buck-Boost变换器的结构示意图；
图2为开环控制下恒功率负载与电阻性负载阻值大小关系对系统影响的示意图；
图3为本发明的内环控制器与传统的内环控制器误差对比图；
图4为本发明的控制器与其他控制器的输出电压图；
图5为本发明的控制器的相位图。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
在下述介绍中提供了本申请的多个实施例，不同实施例之间可以替换或者合并组合，因此本申请也可认为包含所记载的相同和/或不同实施例的所有可能组合。因而，如果一个实施例包含特征A、B、C，另一个实施例包含特征B、D，那么本申请也应视为包括含有A、B、C、D的一个或多个所有其他可能的组合的实施例，尽管该实施例可能并未在以下内容中有明确的文字记载。
下面的描述提供了示例，并且不对权利要求书中阐述的范围、适用性或示例进行限制。可以在不脱离本申请内容的范围的情况下，对描述的元素的功能和布置做出改变。各个示例可以适当省略、替代或添加各种过程或组件。例如所描述的方法可以以所描述的顺序不同的顺序来执行，并且可以添加、省略或组合各种步骤。此外，可以将关于一些示例描述的特征组合到其他示例中。
本申请提供一种基于Buck-Boost变换器的无源性控制方法，具体包括：
在电感电流连续导通状态下，建立Buck-Boost变换器的数学模型，得到系统端口受控哈密顿模型。
根据所述系统端口受控哈密顿模型，从能量整形与阻尼注入两部分入手，并与积分环节结合，优化传统级联与阻尼配置的外环控制器。
在本申请的一个实施例中，提供了上述方法的一个具体实现，其具体包括如下步骤：
S11、在电感电流连续导通状态下(CCM)，建立Buck-Boost电路数学模型
式中，x1、x2是电感电流与电容电压；R为电阻负载；P是CPL的恒定功率；RL、RVD以及RVT分别是电感、续流二极管以及MOSFET的内阻；控制器u∈[0，1]；Vdis是寄生电阻的电压Vdis＝-(RL+(1-u)*RVD+u*RVT)*x1。
S12、计算得到系统的端口受控哈密顿模型(PCHD)；
令Lx1＝z1，Cx2＝z2Buck-Boost变换器的PCHD模型：
S13、计算恒功率负载对系统影响
图2为开环控制下恒功率负载与电阻性负载阻值大小关系对系统影响的示意图，结合图2分析，R＞RCPL，系统以无阻尼响应状态工作，输出端无能量耗散，系统振荡。R＜RCPL，系统稳定，输出端消耗能量较大。针对Buck-Boost变换器存在的稳定性与能量消耗问题，本发明采用端口受控哈密顿模型(PCHD)，设计新型无源控制器，对系统能量整形，补偿系统的能量差值，维持系统稳定。
S21、优化无源控制器的外环控制器
为获得期望能量函数，获得所期望能量函数Hd(z)需满足：
式中，Jd(z)：期望互联矩阵，满足Jd(z)＝J1(z)+J2(z)；Rd(z)：期望阻尼矩阵，满足Rd(z)＝R1(z)+R2(z)。J2(z)：互联注入矩阵；R2(z)：阻尼注入矩阵。H2(z)：注入的能量函数，满足Hd(z)＝H1(z)+H2(z)；D2(z)：H2(z)系数矩阵；不失一般性地，给定无源控制律u，J2(z)，R2(z)以及D2(z)满足：
将式2代入式4可得传统无源控制律，为增强系统抗干扰能力，将传统控制律与积分环节结合，优化外环控制器得：
式中，iL *具体形式下节所述，ki取值0.8。
S3、建立无源控制器内环控制
结合图3分析：z1、z2稳定工作点的确定是无源控制器设计的必要条件。单靠外环控制给出z1期望值，一旦存在外部干扰时，输出电压难以达到精确值。因此本小节主要求取z1的期望值。
先求取Buck-Boost变换器功率平衡表达式：
为了在满足快速响应的同时实现稳定输出，本发明使用一种新型的fal1函数，相较于传统的fal函数，可以在快速响应的同时，该fal函数可以有效减少系统的静态误差。
式中β＝5；α＝0.5；δ＝0.01；A∈(1，π)，B小于1。在NLSEF中应该满足大误差小增益，小误差大增益的条件，故当e≤δ时，
满足百倍以上增加即大增益；A*tan*(B*|e|C)略小于1，本发明选取A＝1.57；B＝0.8，此时/>
即在大误差时控制量增大；当|e|＞1时，Asgn2|e|，满足大误差小增益，从而加快系统收敛时间；且tan函数使得系统收敛更加平滑。
图3为本发明步骤S3所提出的内环控制器与传统的内环控制器误差对比图，从图3中可明显看出：起动时改进后的内环控制器收敛时间较快为3ms，远小于传统内环控制器的23ms；0.1s由2KW突变1KW时，控制器的调节时间与幅值变换均有较大改善。
由可得出电流环所输出电感电流期望值为：
其中，
为额外添加的误差补偿，能够有效减少系统的静态误差。基于上述内环控制器，得到本申请的无源性控制器的控制方程：
作为一种改进方案，在本申请的一个实例中，为了验证上述方法的有效性，在上述方法之后，本实施例还包括如下方法：
仿真验证新型无源控制器的有效性与可实施性；
具体包括：S41、动态性能分析
设置仿真实验中初始条件与部分参数C＝2e-4F；L＝4e-4H；R＝50Ω；PCPL＝1KW；R1＝5Ω；j1＝1；Vin＝200V；Vo＝200V；本发明新型复合控制器控制器(无源性控制器)由式9给出，具体参数如下A＝1.57；B＝0.8；β＝5；α＝0.5；δ＝0.01；结合图4输出电压分析：将本发明提出的无源性控制器与传统复合控制器(外环一致，内环传统fal函数)、PBC+PI
相比较。本次仿真在0.1s处，将恒功率负载由2KW突降为1KW。图4为本发明的控制器与其他控制器的输出电压对比图，从图中可知：本发明输出精度高；有效缩短系统到达输出电压的时间；解决了超调与快速性无法协调的问题。
S42、稳定性分析
图5为本发明的控制器的相位图，结合图5相位图分析：恒功率负载的功率为1000W，输出电压为200V，则恒功率负载的等效电阻值为40Ω。在(0，0.1s)时，R为50Ω，即R>RCPL，在0.1s后R由50Ω降至25Ω，即R<RCPL。电路器件参数摄动时，所提方法依然可以达到预期输出。
以上所述者，仅为本公开的示例性实施例，不能以此限定本公开的范围。即但凡依本公开教导所作的等效变化与修饰，皆仍属本公开涵盖的范围内。本领域技术人员在考虑说明书及实践这里的公开后，将容易想到本公开的其实施方案。本申请旨在涵盖本公开的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本公开的一般性原理并包括本公开未记载的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本公开的范围和精神由权利要求限定。
Claims (6)
1.一种基于Buck-Boost变换器的无源性控制方法，其特征在于，具体包括：在电感电流连续导通状态下，建立Buck-Boost变换器的数学模型，得到系统端口受控哈密顿模型；
根据所述系统端口受控哈密顿模型，从能量整形与阻尼注入两部分入手，并与积分环节结合，优化传统级联与阻尼配置的外环控制器；
依据非线性反馈控制重新定义系统内环控制器，获得系统的期望电流，进一步增强系统的动态性能。
2.如权利要求1所述的一种基于Buck-Boost变换器的无源性控制方法，其特征在于，所述优化传统级联与阻尼配置的外环控制器具体包括：
将传统无源控制律与积分环节结合，优化传统级联与阻尼配置的外环控制器。
3.如权利要求1所述的一种基于Buck-Boost变换器的无源性控制方法，其特征在于，依据非线性反馈控制重新定义系统内环控制器，获得系统的期望电流，具体使用方法：
依据非线性反馈控制改进fal函数重新定义系统的期望电流。
4.如权利要求3所述的一种基于Buck-Boost变换器的无源性控制方法，其特征在于，所述内环控制器将改进后的非线性反馈作为期望值，进而重新定义系统的期望电流。
5.如权利要求1所述的一种基于Buck-Boost变换器的无源性控制方法，其特征在于，所述Buck-Boost变换器的控制参数如下：
其中e为输出电压与期望电压的差值，根据实验设参数β＝5；α＝0.5；δ＝0.01，ki取值0.8，A∈(1,π)，B小于1。Vdis是寄生电阻的电压Vdis＝-(RL+(1-u)*RVD+u*RVT)*x1；RL、RVD以及RVT分别是电感、续流二极管以及MOSFET的内阻；tan函数使得在大误差时加快系统收敛时间，且收敛时较传统函数更加平滑。
6.如权利要求1所述的一种基于Buck-Boost变换器的无源性控制方法，其特征在于，所述Buck-Boost变换器的fal函数具体为：
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| CN202211741715.3A CN116345897A (zh) | 2022-12-31 | 2022-12-31 | 一种基于Buck-Boost变换器的无源性控制方法 |
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| CN116505767A (zh) * | 2023-06-28 | 2023-07-28 | 南京信息工程大学 | 一种lc滤波器级联升压变换器无源控制方法及装置 |
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2022
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