DC/DC电力变换系统的非线性控制方法研究

摘要

近年来，DC/DC变换器在航空航天、通信设备以及家用电器等领域的开关电源以及其它特殊电源中得到了广泛应用。DC/DC变换器的强非线性、时变和不确定性特点，使得对其的控制变得十分困难。目前，绝大多数控制方案仍然基于状态空间平均模型或线性化小信号模型对控制器设计。这种控制器只能确保工作点附近的局部稳定性，对于输入电压固定且负载变化范围较小的DC/DC变换器而言基本能够满足系统要求。但工作点变化范围较大时，不能达到理想的控制效果，甚至系统出现不稳定。为了解决这些问题，本文在研究状态空间平均模型基础上，对大信号等效电路统一模型进行了研究，并利用目前控制领域中比较流行的非线性控制策略对控制器进行设计。
　　 现代控制理论及其的发展，为使用数学手段整定PID参数提供了可能。本文从工程实践的角度出发，针对PWM型DC/DC变换器，基于二次型最优化理论，利用增广系统和最优控制原理将跟踪问题转化为二次型最优PID控制算法，同时根据系统的无超调、无静差要求设计控制器。仿真结果表明：该方法能极大的提高了控制系统性能。
　　 模糊控制对于被控过程没有数学模型或很难建立精确数学模型的工业控制是一种有效的控制策略，因此可以将模糊控制应用到DC/DC变换器的控制中。虽然模糊控制在DC/DC变换器中已早有应用，但是传统模糊控制方法不能达到理想的控制效果。本文对传统控制方法进行改进，将模糊控制与电流控制相结合来设计控制器，并对模糊控制器进行小信号分析。仿真结果表明：该方法十分有效能极大的提高控制系统性能。
　　 滑模变结构控制是非线性控制理论的一个重要分支，其对系统的参数摄动、外界的扰动和系统模型的不确定性具有良好的鲁棒性，甚至具有不变性。因而滑模变结构控制被广泛应用于电机与电力系统等领域。但滑模变结构控制带来的高频抖振阻碍了其在实际工程中的应用。本文结合模糊控制和滑模变结构控制，采用基于模糊自适应调节的滑模变结构控制方法对PWM型DC/DC变换器进行研究。仿真结果表明：该方法在保证系统的鲁棒性的前提下，可以很好提高系统性能，并削弱抖振。