开关DC-DC变换器的有限时间控制方法研究

摘要

相对于传统的线性电源，开关变换器因其具有高功率变换效率、高功率密度等优异性能而得到了越来越广泛的应用。目前，随着电力电子技术和控制技术的快速发展，如何进一步提升开关变换器的性能吸引了众多学者的关注。从控制的角度来看，开关DC-DC变换器本质上属于强非线性系统，以线性控制理论为基础的PWM技术在瞬态特性和鲁棒性等方面的不足逐渐受到人们的关注，如在集成电路、微处理芯片等场合要求对其供电的变换器具有极高的性能。为提高开关变换器的性能，有必要研究并引入一些具有更优控制性能的新型非线性控制方法。本文主要利用一种近年来新发展的非线性控制方法，即有限时间控制方法来研究开关DC-DC变换器系统的控制问题，以提高闭环系统的收敛性能和抗干扰性能。本文所做的主要工作如下:
　　1)基于Buck型DC-DC变换器系统，根据其平均状态空间方程，利用一定的时间尺度坐标变换，得到新的变换后状态方程。利用有限时间控制理论方法，即齐次性理论设计方法，具体构造出有限时间状态反馈控制器，从而在理论上可以证明变换器的输出电压在一个有限时间内达到期望的参考电压。考虑到实际系统对DC-DC变换器的控制输入，即占空比的限制，对齐次型有限时间控制器进行了改进，设计了饱和的有限时间控制器，从理论上严格地保证了对控制输入饱和的限制。
　　2)针对Buck型DC-DC变换器系统，在实际中存在外部负载和输入电压变化的情况，基于系统模型的特点，设计了时变的有限时间参数估计器，以在有限时间内快速辨识出外部负载和输入电压。结合前述的有限时间控制算法，设计出自适应的有限时间电压调节控制算法。考虑到系统如果同时存在电感、电容参数的不确定性，将系统建模成带有不匹配和匹配干扰形式的模型，基于有限时间扰动观测器-估计器的理论，给出基于扰动观测、补偿的有限时间电压调节控制算法。
　　3)针对Buck型DC-DC变换器系统，为了降低系统的成本，提高系统可靠性，考虑电流不可测情况下的有限时间电压调节控制方法。根据有限时间观测器理论，从而设计出有限时间电流观测器和基于输出反馈的有限时间控制算法，从而保证变换器的输出电压在有限时间内收敛到参考电压。
　　4)针对Boost型DC-DC变换器系统，基于系统模型特点，设计了有限时间升压控制算法，以保证输出电压可以在有限时间内跟踪上期望的电压。考虑外部负载和输入电压未知情况，设计了针对Boost型DC-DC变换器有限时间参数辨识方法，以在有限时间内估计出外部负载和输入电压，从而设计出自适应有限时间升压控制算法;考虑电流不可测情况，设计了针对Boost型DC-DC变换器有限时间观测器，以在有限时间内估计出电流，并给出了有限时间输出电压反馈控制算法。
　　最后，搭建了Buck型DC-DC变换器控制系统实验平台，验证了有限时间控制算法和自适应有限时间控制算法的可行性和优越性（在瞬态响应和抗干扰性能方面），为有限时间控制算法在DC-DC变换器系统的进一步工程应用提供了直接实验依据。

目录

声明

致谢

摘要

1 绪论

1．1 选题的背景

1．2 选题的意义

1．3 研究现状

1．4 本文的主要研究内容

2 Buck型DC-DC变换器的有限时间电压控制

2．1 Buck变换器工作原理分析及建模

2．2 相关定义和引理

2．3 Buck型DC-DC变换器有限时间降压控制算法设计

2．3．1 误差动态方程

2．3．2 时间尺度坐标变换

2．3．3 有限时间电压调节控制器设计

2．3．4 设计饱和有限时间电压调节控制器

2．4 仿真实验

2．4．1 仿真电路参数的选取

2．4．2 控制策略选择和控制增益选取

2．4．3 启动过程动态响应

2．4．4 参考电压变化情况下动态响应

2．4．5 负载突变情况下动态响应

2．5 结论

3 Buck型DC-DC变换器的自适应有限时间电压控制--负载和输入电压变化

3．1 设计有限时间负载估计器

3．2 输入电压有限时间辨识

3．3 仿真实验

3．3．1 系统仿真参数

3．3．2 参考电压不变情况下动态响应

3．3．3 参考电压变化情况下的系统响应曲线

3．4 结论

4 Buck型DC-DC变换器的自适应有限时间电压控制—参数变化

4．1 参数不确定性情况下的Buck型DC-DC变换器系统模型分析

4．2 无扰动情况下的有限时间电压控制器设计

4．3 针对不匹配干扰和匹配平拢的有限时间扰动观测器设计

4．4 基于扰动估计-补偿-有限时间降压控制算法

4．5 饱和自适应有限时间控制算法设计

4．6 仿真实验

4．6．1 仿真参数选择

4．6．2 在不同参考电压下系统的动态响应曲线

4．6．3 负载变化下系统的抗干扰能力

4．7 结论

5 Boost型DC-DC变换器的有限时间电压控制

5．2 Boost型DC-DC变换器有限时间电压调节器设计

5．3 仿真实验

5．4．1 系统仿真参数

5．4．2 控制策略选择和控制增益选取

5．4．2 参考电压变化情况下动态响应

5．4．3 负载突变情况下动态响应

5．5 结论

6 Boost型DC-DC变换器的自适应有限时间电压控制

6．1 有限时间参数估计器设计

6．2 基于参数估计器的自适应有限时间电压调节器设计

6．3 仿真实验

6．3．1 参考电压变化下的动态响应

6．3．2 负载突变情况下的动态响应

6．3．3 输入电压变化下的Boost变换器系统动态响应

6．4 结论

7 DC-DC变换器的有限时间输出反馈控制方法研究

7．1．2 Buck型DC-DC变换器有限时间输出电压反馈控制算法

7．1．3 仿真

7．2 Boost型DC-DC变换器有限时间输出电压反馈控制算法设计

7．2．1 Boost变换器的有限时间电流观测器设计

7．2．2 Boost型变换器有限时间输出反馈控制器设计

7．2．3 仿真与实验

7．3 本章小结

8 Buck型DC-DC变换器的有限时间控制方法实验验证

8．1 Buck变换器硬件电路及实验平台介绍

8．2 Buck型DC-DC变换器的有限时间控制算法实现

模块1)AD采样模块

模块2)基于DSP的控制算法实现

模块3)ePWM模块

8．3 实验结果与分析

8．4 本章小结

9 总结与展望

9．1 结论

9．2 展望

参考文献

攻读博士学位期间的学术活动及成果情况