分数阶Buck变换器的滑模控制及混沌抑制研究

摘要

Buck变换器作为一种直流电压变换装置，能够快速地将输入直流电压变换为理想的更低的输出直流电压，由于Buck变换器具有能量利用率高、电子元件少等优点，因而在办公自动化、家用电器、工业仪器仪表、空间飞行器等多个领域得到了广泛的应用。但其本身作为一种时变、非线性系统，其控制是非线性且不连续的，对系统参数变化及负载变化比较敏感。为了提高系统输出的快速性和鲁棒性，本文基于分数阶理论，对Buck变换器分别在电感电流连续模式和电感电流断续模式进行了滑模控制研究;并基于分数阶理论研究了Buck变换器混沌抑制方法。主要研究内容如下: 首先，针对电感电流连续模式下的Buck变换器，利用状态空间平均法，建立了整数阶状态空间平均模型。但基于电感和电容不是整数阶而是分数阶的事实，又利用状态空间平均法和分数阶微积分算子，分别建立了电感电流连续模式和电感电流断续模式下的分数阶状态空间平均模型。另外，通过理论证明和Matlab/Simulink仿真验证了对Buck变换器建立分数阶模型的必要性和正确性;通过Matlab/Simulink仿真验证了电压模式控制Buck变换器随输入电压增大向混沌状态演替的过程。 其次，分别针对电感电流连续模式和电感电流断续模式的Buck变换器，基于分数阶理论，分别设计了分数阶PID滑模控制器和分数阶反步滑模控制器，加快了系统响应的速度，增强了系统的鲁棒性。仿真结果验证了控制器的有效性。 再次，利用微扰思想，针对电压模式控制Buck变换器因输入电压过大引起的混沌现象，基于分数阶理论，进行了微分电流负反馈混沌抑制研究和输出电压延迟负反馈混沌抑制研究。基于微扰思想的两种控制方式有效的抑制了Buck变换器的混沌现象，快速的将Buck变换器控制到了单周期状态，并保留了Buck变换器的固有特性。 最后，对全文工作进行总结，并对未来的研究方向做出展望。

目录

声明

摘要

第1章绪论

1．1课题背景和研究意义

1．2 Buck变换器控制研究现状

1．2．1 Buck变换器分数阶控制研究现状

1．2．2 Buck变换器滑模控制研究现状

1．2．3 Buck变换器反步控制研究现状

1．2．4 Buck变换器混沌控制研究现状

1．3本文主要工作

第2章分数阶微积分基本理论

2．1分数阶微积分的定义及性质

2．1．1分数阶微积分的定义

2．1．2分数阶微积分的性质

2．2分数阶微积分的物理意义

2．3分数阶微积分的Laplace变换

2．4．1分数阶控制系统

2．4．2分数阶控制系统的稳定性定理

2．5本章小结

第3章Buck变换器的数学模型

3．1引言

3．2．1 Buck变换器的工作原理

3．2．2 Buck变换器连续导通模式的整数阶状态空间平均模型

3．2．3 Buck变换器连续导通模式的分数阶状态空间平均模型

3．2．4 Buck变换器断续导通模式的分数阶状态空间平均模型

3．3仿真验证

3．3．1 Buck变换器的数值仿真

3．3．2小结

3．4 Buck变换器混沌现象研究

3．4．1 Buck变换器混沌现象

3．4．2 Buck变换器混沌现象仿真验证

3．4．3小结

3．5本章小结

第4章Buck变换器的分数阶滑模控制

4．1引言

4．2 PD滑模控制与线性滑模控制性能比较

4．2．1 Buck变换器的线性滑模控制器设计

4．2．2 Buck变换器的PID滑模控制器设计

4．2．3仿真与对比分析

4．2．4小结

4．3 Buck变换器连续导通模式分数阶PID滑模控制

4．3．1 Buck变换器连续导通模式整数阶PID滑模控制器设计

4．3．2 Buck变换器连续导通模式分数阶PID滑模控制器设计

4．3．3仿真与对比分析

4．3．4小结

4．4 Buck变换器断续导通模式反步滑模控制

4．4．1 Buck变换器断续导通模式反步滑模控制器设计

4．4．2 Buck变换器断续导通模式反步滑模控制仿真

4．4．3小结

4．5本章小结

5．1引言

5．2 Buck变换器微分电流负反馈控制

5．2．1 Buck变换器微分电流负反馈控制器设计

5．2．2 Buck变换器微分电流负反馈控制仿真分析

5．3 Buck变换器输出延迟反馈混沌控制

5．3．1 Buck变换器输出延迟反馈控制器设计

5．3．2 Buck变换器输出延迟反馈控制仿真分析

5．4本章小结

第6章结论与展望

参考文献

致谢