一种Boost型DC-DC变换器的自适应控制系统技术方案

本发明专利技术公开了一种Boost型DC‑DC变换器的自适应控制系统，至少包括Boost变换器、控制器、电源管理模块、驱动模块和AD采样模块，其中，所述电源管理模块用于为该控制系统提供稳定电压；控制器根据设置的期望输出电压以及所获取实时反馈输出电压、实时反馈输出电流输出驱动信号控制Boost变换器使其输出电压稳定至预设的参考输出电压。与现有技术相比较，采用边界层滑模控制技术来减小滑模变结构控制在控制过程中产生的抖振。同时，本发明专利技术在设计的滑模变结构控制器的基础上增加自适应控制，能够对外界环境进行自适应同时能够最大程度降低外界环境中各种干扰对Boost变换器的影响并且不损失鲁棒性。

An adaptive control system for Boost DC-DC converter

The invention discloses an adaptive control system for a Boost-type DC_DC converter, which comprises at least a Boost converter, a controller, a power management module, a drive module and an AD sampling module, wherein the power management module is used to provide a stable voltage for the control system, and the controller outputs voltage according to the desired set voltage and the set voltage. Real-time feedback output voltage, real-time feedback output current output drive signal control Boost converter to stabilize its output voltage to the preset reference output voltage. Compared with the existing technology, the boundary layer sliding mode control technology is adopted to reduce the chattering caused by the sliding mode variable structure control in the control process. At the same time, an adaptive control is added to the sliding mode variable structure controller, which can adapt to the external environment and minimize the influence of various disturbances in the external environment on the Boost converter without losing robustness.

【技术实现步骤摘要】
一种Boost型DC-DC变换器的自适应控制系统
本专利技术属于DC-DC变换器自动控制领域，尤其涉及一种Boost型DC-DC变换器的自适应控制系统。
技术介绍
随着人类社会的发展，人们对电能的需求量不断地增加，同时对电能的品质要求也不断地提高。所以，对电能的处理和转换已经成为社会发展的人类生活中不可或缺的一部分。电能功率处理和变换对利用电能方面发挥着越来越重要的作用，从而其处理和变换方法已成为领域研究的热点。电能处理装置按照功率变换类型可将开关变换器分为以下几种基本形式：AC/DC(整流变换)、AC/AC(交流-交流变换)、DC/AC(逆变换)、DC-DC(直流变换)。其中DC-DC变换器的研究属于电子功率学的范畴，其理论方法涉及电子电力、控制理论和工程等多门学科。DC-DC变换器作为电子电力技术的重要分支，在上个世纪七十年代就已经在欧洲、美国、日本等地掀起了研究的热潮，并且广泛应用与计算机、自动化办公、数据通信以及工业仪表和航天军事等领域。从上世纪七十年代至今，其理论分析和控制系统的研究已经取得了大的发展进步，目前DC-DC变换器正以前所未有的速度向着高效、高频、轻型、绿色、集成化等方向发展。DC-DC变换器作为一种电力转换器，通过改变开关管导通时间的比例来实现输出电压的调节，并且它的功率范围可以从非常低(小电池)到非常高(高压输电)。DC-DC变换器主要有脉冲频率调制(PFM)和脉冲宽度调制(PWM)两种方式，本文主要是以PWM型DC-DC变换器为对象进行研究。目前，DC-DC变换器大部分采用线性化控制以及滑模变结构控制(SMC)技术。常用的比例-积分-微分(PID)控制器是基于受控单元的线性化小信号模型进行性能设计的，不适合会产生较大信号扰动的非线性系统。并且，当系统存在不确定因素的时候，为确保系统有良好的输出性能，PID控制器参数需要被动地进行反复调整。另外，当负载大范围变化，特别是带非线性负载时，开关变换器有动态响应速度慢、输出波形有畸变等缺点。滑模变结构控制是一种非线性控制理论，对电力电子开关变换器非线性特质具有天然的适用性，采用滑模变结构控制的变换器具有稳定范围宽、动态响应快、鲁棒性强、控制实现简单等优点。然而，滑模变结构控制过程类似于一个高频、不确定性开关控制信号，所以在控制过程中经常会在滑模面附近发生抖振现象。所以如何有效的减小或消除抖振是滑模控制过程中经常遇到的一个问题。故，针对现有技术的缺陷，实有必要提出一种技术方案以解决现有技术存在的技术问题。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术提出了一种Boost型DC-DC变换器的自适应控制系统，从而解决现有Boost变换器控制效果不佳的问题，实现Boost变换器良好的输出性能。为了克服现有技术存在的技术缺陷，本专利技术的技术方案如下：一种Boost变换器的双闭环滑模变结构自适应控制系统，至少包括Boost变换器、控制器、电源管理模块、驱动模块和AD采样模块，其中，所述电源管理模块用于为该控制系统提供稳定电压；所述驱动模块用于将控制器的输出电压控制信号进行驱动增强以驱动Boost变换器；所述Boost变换器用于输出电压；所述AD采样模块用于对Boost变换器的输出电压和电流进行采样并将获取实时反馈输出电压、实时反馈输出电流发送给所述控制器；所述控制器根据设置的期望输出电压以及所获取实时反馈输出电压、实时反馈输出电流输出电压控制信号以控制Boost变换器使其输出电压稳定至预设的参考输出电压；所述控制器采用双闭环控制结构，包括滑模变结构自适应控制器和PID控制器，所述滑模变结构自适应控制器为外环电压调节器，采用基于函数逼近的滑模变结构自适应控制器FASMAC，其输出作为电流环的参考电感电流，其输出方程为：式中，ir为参考电感电流(即滑模变结构自适应控制器FASMAC的输出控制量)，ui为实时输入电压，为该滑模变结构自适应控制器根据输入参数(参考输出电压ur和实时反馈电压uo)得到滑模变结构自适应控制器的开关变量；L为电感电流值；所述PID控制器为内环的电流调节器，PID控制器PID控制公式为：式中，kp，kp，kp分别为比例，积分和微分控制系数；ei＝ir-iL，iL为实时反馈电感电流；U为最后系统的输出控制量。作为优选技术方案，所述滑模变结构自适应控制器进一步包括滑模变结构控制器、受控单元、自适应系统以及反馈回路；其中，反馈回路根据参考值和输出值计算系统误差，得到的系统误差作为滑模变结构控制器的输入；所述自适应系统选取正交多项式函数逼近的方式，它通过系统的参考值、输出值、滑模变结构控制器上一次控制输出量以及干扰计算出滑模变结构控制器当前的逼近项用于降低误差和干扰给系统带来的影响；所述滑模变结构控制器对系统误差和自适应逼近项进行处理，得到的结果作为控制量发送给受控单元。作为优选技术方案，还包括按键模块，所述按键模块用于预设期望输出电压以及用于系统的控制命令输入。作为优选技术方案，还包括显示模块，所述显示模块用于显示当前系统的信息。作为优选技术方案，所述控制器中执行以下步骤：步骤S1：设计函数逼近式滑模变结构自适应控制器实现电压环控制，该滑模变结构自适应控制器根据输入参数(参考输出电压ur和实时反馈电压uo)得到滑模变结构自适应控制器的开关变量采用电压环的输出值作为电流环的其中一个输入参数(参考电感电流ir)，参考电感电流的计算公式如下：其中，ui为实时输入电压，L为电感电流值；步骤S2：采用PID控制器实现电流环控制，PID控制器根据电压环得到参考电感电流ir以及采样得到的实时反馈电流输出驱动信号U对Boost变换器进行控制，驱动信号的计算公式如下：其中，e＝ir-iL，iL为实时反馈电感电流；kp，kp，kp分别为比例，积分和微分控制系数。与现有技术相比较，本专利技术具有如下技术效果：(1)本专利技术采用边界层滑模控制技术来减小滑模变结构在控制过程中产生的抖振。(2)针对Boost变换器在工作过程中由于系统参数变化和外部未知干扰引发的不确定性问题，对Boost变换器的状态方程进行更精确的描述，在原有的基础上加入了未知有界的干扰项，该项可以转换成求解一组正交基函数的组合，在此基础上对自适应控制器进行设计。(3)针对系统的不确定性，本专利技术在设计的滑模变结构控制器的基础上增加自适应控制，设计出一种新型的基于函数逼近的滑模变结构自适应控制算法。所设计的算法与PID算法最大区别在于，能够对外界环境进行自适应同时能够最大程度降低外界环境中各种干扰对Boost变换器的影响并且不损失鲁棒性。(4)为解决单闭环控制结构稳定性不强、电压响应过冲量也比较大等问题，本专利技术采用以电容(输出)电压和电感电流作为反馈量组成各自的闭环结构，从而形成双闭环控制系统。其中，外环采用所设计的基于函数逼近的滑模变结构自适应控制器对输出电压进行调节，内环则采用传统的PID控制器对电感电流进行调节。随着电流反馈量的加入，使得系统能够进行高精度的跟踪，实现变换器良好的动、静态特性。附图说明图1为本专利技术Boost控制系统的整体原理框图。图2为本专利技术中控制器的控制结构框图。图3为本专利技术滑模变结构自适应控制器的原理框图。图4为本专利技术中控制器的程序流程图。图5为Boost升压电路拓扑结构。图6为开关导本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种Boost型DC‑DC变换器的自适应控制系统，其特征在于，至少包括Boost变换器、控制器、电源管理模块、驱动模块和AD采样模块，其中，所述电源管理模块用于为该控制系统提供稳定电压；所述驱动模块用于将控制器的输出电压控制信号进行驱动增强以驱动Boost变换器；所述Boost变换器用于输出电压；所述AD采样模块用于对Boost变换器的输出电压和电流进行采样并将获取实时反馈输出电压、实时反馈输出电流发送给所述控制器；所述控制器根据设置的期望输出电压以及所获取实时反馈输出电压、实时反馈输出电流输出电压控制信号以控制Boost变换器使其输出电压稳定至预设的参考输出电压；所述控制器采用双闭环控制结构，包括滑模变结构自适应控制器和PID控制器，所述滑模变结构自适应控制器为外环电压调节器，采用基于函数逼近的滑模变结构自适应控制器FASMAC，其输出作为电流环的参考电感电流，其输出方程为：

【技术特征摘要】
1.一种Boost型DC-DC变换器的自适应控制系统，其特征在于，至少包括Boost变换器、控制器、电源管理模块、驱动模块和AD采样模块，其中，所述电源管理模块用于为该控制系统提供稳定电压；所述驱动模块用于将控制器的输出电压控制信号进行驱动增强以驱动Boost变换器；所述Boost变换器用于输出电压；所述AD采样模块用于对Boost变换器的输出电压和电流进行采样并将获取实时反馈输出电压、实时反馈输出电流发送给所述控制器；所述控制器根据设置的期望输出电压以及所获取实时反馈输出电压、实时反馈输出电流输出电压控制信号以控制Boost变换器使其输出电压稳定至预设的参考输出电压；所述控制器采用双闭环控制结构，包括滑模变结构自适应控制器和PID控制器，所述滑模变结构自适应控制器为外环电压调节器，采用基于函数逼近的滑模变结构自适应控制器FASMAC，其输出作为电流环的参考电感电流，其输出方程为：式中，ir为参考电感电流(即滑模变结构自适应控制器FASMAC的输出控制量)，ui为实时输入电压，为该滑模变结构自适应控制器根据输入参数(参考输出电压ur和实时反馈电压uo)得到滑模变结构自适应控制器的开关变量；L为电感电流值；所述PID控制器为内环的电流调节器，PID控制器PID控制公式为：式中，kp，kp，kp分别为比例，积分和微分控制系数；ei＝ir-iL，iL为实时反馈电感电流；U为最后系统的输出控制量。2.根据权利要求1所述的Boost型DC-DC变换器的自适应控制系统，其特征在于，所述滑模变结构自适应控制器进一步包括滑模变结构控制器、受控单元、自适应系统...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈龙，卢旺，樊凌雁，杨柳，郑雪峰，
申请(专利权)人：杭州电子科技大学，
类型：发明
国别省市：浙江,33