一种基于扩张状态观测器的直流降压变换器系统控制方法技术方案

一种基于扩张状态观测器的直流降压变换器系统控制方法，首先对电压变化和电阻负载扰动通过设计一个扩张状态观测器来观测扰动，在此基础上设计PD控制器从而得到复合控制器来控制直流降压变换器系统在有输入电压变化和负载电阻扰动情况下能够快速的高精度跟踪目标电压。本发明专利技术的方法实现简单，参数调节较少，不但可以提高直流降压变换器系统快速跟踪参考信号的目的，而且可以有效地减小电力电子直流降压变换器稳态波动，满足高性能电力电子降压变换器系统的应用。

A control method of DC buck converter system based on extended state observer

A control method for DC buck converter system based on extended state observer is proposed. Firstly, the voltage variation and resistance load disturbance are observed by designing an extended state observer. Then a PD controller is designed to control the input voltage variation and the resistance load disturbance. The target voltage can be tracked quickly and accurately under the condition of load resistance disturbance. The method of the invention has the advantages of simple realization and less parameter adjustment, and can not only improve the purpose of fast tracking reference signal of the DC buck converter system, but also effectively reduce the steady-state fluctuation of the power electronic DC buck converter and meet the application of the high-performance power electronic buck converter system.

【技术实现步骤摘要】
一种基于扩张状态观测器的直流降压变换器系统控制方法
本专利技术涉及电力电子直流降压变换器系统，尤其涉及一种基于扩张状态观测器的直流降压变换器系统控制方法。
技术介绍
随着现代科学技术的飞速发展，特别是电力电子技术、微电子技术、数字控制技术和现代控制理论的巨大进步，为电力电子直流开关电源系统的发展创造了有利条件，特别是在机器人、精密雷达、军用武器、新能源光伏系统等对直流开关电源控制性能要求越来越高的领域，直流变换器系统受到越来越多的关注。目前，直流降压电力电子变换器系统多采用双闭环的控制结构，即内环为电流控制环，外环为电压控制环。控制器多采用PD调节器。其中电流环的作用是提高系统的快速性，及时抑制电流内部的干扰；电压环的作用是提高系统抗负载扰动的能力，抑制电压稳态波动。在实际直流供电设备中，由于直流变换器系统的工作场合大多要求输出电压精度相当高，而且要求能够快速适应各种不同的工况，但是由于目前采用的PD控制器当系统工作在不同的工况下，例如在有扰动的情况下无法消除扰动对输出电压带来的影响，特别是在系统遇到快速时变或者周期性的扰动时无法跟踪给定电压，这些扰动主要包括负载波动，电压输入变化等。如果控制器不对这些扰动快速主动进行处理，则闭环系统很难达到快速且高精度电压输出性能。因此在直流降压电力电子变换器系统存在扰动的情况下，系统能够及时地对扰动进行处理，就能够进一步提高电力电子变换器系统的跟踪速度和精度，满足电力电子系统在高精度电压输出工作领域的应用。为了能够及时对系统扰动进行处理，提高电力电子直流降压变换器系统的跟踪精度，国内外学者进行了大量的研究。文献(PWM型DC/DC开关变换器非线性闭环控制策略的研究[J].中国电机工程学报,2001,21(30):19-22.设计了基于大信号模型的降压变换器非线性控制方法，但是该方法还只是采用比例积分方法来克服外部扰动的控制器设计，针对直流升压电力电子变换器控制系统系统，文献(JunYang,BinWu,ShihuaLi,XinghuoYu,DesignandQualitativeRobustnessAnalysisofanDOBCApproachforDC-DCBuckConvertersWithUnmatchedCircuitParameterPerturbations..IEEETransactionsonCircuitsandSystemsI:RegularPapers,2016，vol.63,no.4,pp.551-560.)提出了采用扰动观测器的鲁棒控制方法抑制负载扰动和外部输入电压变化，实验结果表明，该方案能够及时地对扰动进行处理，达到较高的跟踪精度。
技术实现思路
本专利技术的目的在于针对直流降压变换器的负载扰动和输入电压变化，利用扩张状态观测器技术在实验中采集的电压状态信息基础上对扰动进行估计，实现对直流降压变换器系统给定电压跟踪的快速性和准确性。该方法易于实现，参数调节相对简单，具有很好的应用价值。为了解决上述技术问题本专利技术提供如下的技术方案：一种基于扩张状态观测器的直流降压变换器系统控制方法，所述方法包括以下步骤：步骤一：基于直流降压变换器的拓扑结构，考虑其强非线性的开关特性，采用连续建模法中的状态空间平均法将状态变量加权平均，将非线性、时变的开关电路转换为等效的线性、时不变的连续电路；以系统的电感电流、电容电压为状态变量，建立系统的状态空间平均模型；步骤二：考虑到直流变换器的输入电压波动和负载电阻变化，对其设计扩张状态控制器，对负载电阻变化和输入电压波动进行估计，在DC-DC变换器统一模型的基础上，将负载电阻变化和输入电压波动的扰动估计为根据扩张状态观测器技术设计观测器对扰动进行估计；步骤三：在以扩张状态观测器对扰动进行估计的基础上，在考虑负载电阻变化和输入电压波动的情况下设计复合控制器，复合控制器器可以保证在系统存在扰动时输出电压vs仍然能够较快的跟踪给定参考电压vr。进一步，所述步骤一中，以系统的电感电流、负载电压为状态变量，依靠时间平均技术，将时变、非线性的开关电路转换为等效的时不变、线性的连续电路，由此可对开关变换器进行大信号瞬态分析，建立系统的状态空间平均模型；以开关管的两种状态μ＝0或1，建立降压变换器的模型：开关管Q关断时，控制量输入为0即μ＝0，电感电流iL通过二极管D向输出侧流动，电感的储能向负载和电容转移，给电容充电；此时，加在电感上的电压为-VS，故iL线性减小；开关管Q导通时,控制量输入为1即μ＝1，电源电压Vin通过开关管Q加到二极管D和输出滤波电感L、输出滤波电感C上，二极管D截止；此时，加在电感上的电压为E-Vs，故iL线性增长；以开关管的两种状态μ＝0或1，将上式统一为：再进一步，所述步骤二中，根据扩张状态观测器的理论，其观测器设计为：式中为输出电压与输出电压标称值之差的估计值，为输出电压与输出电压标称值之差求导后的估计值,为负载电阻变化和输入电压波动的扰动估计值，参数β1、β2、β3>0；其中x1＝e＝vs-vr，更进一步，所述步骤三中，在已设计的扩张状态观测器的基础上，在负载电阻可变和输入电压波动的条件下设计扩张状态观测器和PD控制技术结合的复合控制器：其中,E0为输入电压，L为电感，C为电容，R0为电阻初始值，vr为电压参考值，z1和z2为状态估计值；闭环系统的输出电压vs就实现了对于参考电压vr的跟踪。所述系统扰动是电压输入的变化和负载电阻扰动。所述的变换器是直流降压电力电子变换器，所采用的模型是状态平均模型。本专利技术具有以下有益效果：本专利技术将设计扩张状态观测器和PD控制技术结合的复合控制器应用于直流降压变换器，在保证系统动态性能的情况下，可以明显地抑制负载变化和输入电压波动引起的扰动，从而大大提高直流降压变换器的跟踪的速度和精度。基于扩张状态观测器和PD控制技术的控制方法应用于直流降压变换器系统，在保证原动态性能的情况下，可以明显提高直流降压变化系统的抗扰性能和跟踪性能，满足直流降压变换器在高精度领域的应用，工程人员只需要较少的调节控制器的参数，与现有的技术相比，具有设计原理简单，在确保动态性能的基础上对降压变换器的快速性和精确性明显改善，对负载扰动和输入电压波动都有良好的抑制性等优点。附图说明图1为基于扩张状态观测器和有PD控制技术的直流降压变换器控制方法的控制框图；图2为基于扩张状态观测器和PD控制技术的直流降压变换器控制方法的原理图；图3为扩张状态观测器结构图；图4为在PD+ESO复合控制器下负载电阻由94Ω突变为50Ω时的直流降压变换器系统输出响应实验图，其中，(a)为输出电压响应实验图，(b)为输出电流响应实验图；(c)为输出控制量响应实验图。图5为在PD+ESO复合控制器下输入电压由30V突变为50V时的直流降压变换器系统输出响应实验图，其中，(a)为输出电压响应实验图，(b)为输出电流响应实验图；(c)为输出控制量响应实验图。具体实施方式下面结合附图对本专利技术的实施例作详细说明：本实施例在专利技术技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体实施过程，但本专利技术的保护范围不限于下述的实例。参照图1～图5，一种基于扩张状态观测器的直流降压变换器系统控制方法，所述方法包括以下步骤本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于扩张状态观测器的直流降压变换器系统控制方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：步骤一：基于直流降压变换器的拓扑结构，考虑其强非线性的开关特性，采用连续建模法中的状态空间平均法将状态变量加权平均，将非线性、时变的开关电路转换为等效的线性、时不变的连续电路；以系统的电感电流、电容电压为状态变量，建立系统的状态空间平均模型；步骤二：考虑到直流变换器的输入电压波动和负载电阻变化，对其设计扩张状态控制器，对负载电阻变化和输入电压波动进行估计，在DC‑DC变换器统一模型的基础上，将负载电阻变化和输入电压波动的扰动估计为

【技术特征摘要】
1.一种基于扩张状态观测器的直流降压变换器系统控制方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：步骤一：基于直流降压变换器的拓扑结构，考虑其强非线性的开关特性，采用连续建模法中的状态空间平均法将状态变量加权平均，将非线性、时变的开关电路转换为等效的线性、时不变的连续电路；以系统的电感电流、电容电压为状态变量，建立系统的状态空间平均模型；步骤二：考虑到直流变换器的输入电压波动和负载电阻变化，对其设计扩张状态控制器，对负载电阻变化和输入电压波动进行估计，在DC-DC变换器统一模型的基础上，将负载电阻变化和输入电压波动的扰动估计为根据扩张状态观测器技术设计观测器对扰动进行估计；步骤三：在以扩张状态观测器对扰动进行估计的基础上，在考虑负载电阻变化和输入电压波动的情况下设计复合控制器，复合控制器器可以保证在系统存在扰动时输出电压vs仍然能够较快的跟踪给定参考电压vr。2.如权利要求1所述的一种基于扩张状态观测器的直流降压变换器系统控制方法，其特征在于：所述步骤一中，以系统的电感电流、负载电压为状态变量，依靠时间平均技术，将时变、非线性的开关电路转换为等效的时不变、线性的连续电路，由此可对开关变换器进行大信号瞬态分析，建立系统的状态空间平均模型；以开关管的两种状态μ＝0或1，建立降压变换器的模型：开关管Q关断时，控制量输入为0即μ＝0，电感电流iL通过二极管D向输出侧流动，电感的储能向负载和电容转移，给电容充电；此时，加在电感上的电压为-VS，故i...

【专利技术属性】
技术研发人员：王军晓，戎佳艺，俞立，周骞，吴宇轩，
申请(专利权)人：浙江工业大学，
类型：发明
国别省市：浙江,33