一种Boost型DC-DC变换器的自适应控制方法技术

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方法，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，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；以及，针对系统的不确定性，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。

【技术实现步骤摘要】
一种Boost型DC-DC变换器的自适应控制方法
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方法。
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，其理论分析和控制方法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变结构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方法，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型DC-DC变换器的自适应控制方法，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，其中，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和实时反馈输出电压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iL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。作为优选技术方案，控制器的设计进一步包括如下步骤：步骤1：建立Boost变换器系统状态方程；Boost电路的状态方程如下：式中，R为负载电阻；C为与负载电阻并联的滤波(输出)电容。将上式用矩阵方程表示为：式中，u为开关函数，定义如下：式中，T为开关周期，D为占空比，且在CCM模式下作为优选技术方案，控制器的设计进一步包括如下步骤：步骤2：滑模变量设计；将系统误差定义成：x1＝ur-uo(5)式中：ur代表参考输出电压，uo代表实时反馈输出电压；然后对x1进行求导得到x2：对式(6)进行求导，并结合式(5)整理后得到算式：式中，f1(t)和f2(t)为系统的不确定性和干扰的总和，并且假设它们是有界的，即|f1(t)|≤F1,|f2(t)|≤F2，F1和F2均为正数；把x1，x2当作状态变量，将式(7)写成状态方程形式式中，x＝[x1x2]T，N＝[f1(t)f2(t)]T为未知有界的时变不确定项；将滑模变量s定义为：式中，λ＝[λ1λ2]，λ2≠0，并且λ1，λ2同时为正或负常数；对滑模变量s求导可得：作为优选技术方案，控制器的设计进一步包括如下步骤：步骤3：正交多项式函数逼近项设计；自适应系统选取正交多项式函数逼近的方式，通过系统的参考值、输出值、控制器上一次控制输出量以及干扰计算出控制器当前的逼近项令Nm(X)＝λN，假设未知有界的不确定性项Nm(X)在任何有限时间内都是平方可积的，即Nm(X)∈L2(E)，则Nm(X)能够用一组正交基函数的组合替代：Nm(X)＝WTZ(X)+ε(11)其中，Z(X)为基函数，W为基函数的系数，ε为逼近项的逼近误差；Z(X)＝[φ1φ2φ3…φn]T(12)W＝[w1w2w3…wn]T(13)设为Nm(X)的实时逼近函数：式中，为W的逼近项系数：根据以上这些设定，系统的不确定性项就转换成了求时变基函数Z(X)以及基函数的系数而Z(X)是已知的函数，所以最后只需要确定一个时不变的常向量。作为优选技术方案，控制器的设计进一步包括如下步骤：步骤4：自适应律设计；定义：则有采用李雅普诺夫直接法求得滑模变结构自适应控制器的表达式，在原有的李雅普诺夫函数中加入函数逼近自适应项：其中，η1＞0，η2＞0；对V进行求导得：根据式(19)，选取自适应律为：将式(20)代入式(19)得到：根据可以得到的表达式：式中，k＞|ε|，作为优选技术方案，步骤5：系统稳定性分析；为验证设计的合理性，将式(22)带入式(21)中：当且仅当s＝0时，等号成立；式(23)表明系统的运动点可以在一定时间内收敛到滑模平面，满足Lyapunov的稳定条件，从而使系统误差能够收敛到零值。作为优选技术方案，步骤6：电压环输出设计；根据步骤S1中的参考电感电流的计算公式可得滑模变结构自适应控制器的表达式：滑模控制信号是非连续的，式(24)中含有符号函数sign(s)，当滑模变量达到滑模平面时会产生抖动，为了减少非连续的抖动，用饱和函数sat(s)替代式(24)中的符号函数sign(s)：式中，饱和函数sat(s)的表达式为：式中，常数δ＞0，δ为切换面边界层的上限，采用饱和函数对于边界层外的运动点来说起切换作用，而边界层内部的运动点则为线性变化；通过选取合适的δ值，使误差能够收敛到零，从而减小抖振。作为优选技术方案，步骤7：电流环设计；电流环采用PID控制器，电流环的误差定义成式(29)所示：ei＝ir-iL(29)式本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种Boost型DC‑DC变换器的自适应控制方法，其特征在于，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，其中，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和实时反馈输出电压uo)得到滑模变结构自适应控制器的开关变量

【技术特征摘要】
1.一种Boost型DC-DC变换器的自适应控制方法，其特征在于，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，其中，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和实时反馈输出电压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iL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。2.根据权利要求1所述的Boost型DC-DC变换器的自适应控制方法，其特征在于，控制器的设计进一步包括如下步骤：步骤1：建立Boost变换器系统状态方程；Boost电路的状态方程如下：式中，R为负载电阻；C为与负载电阻并联的滤波(输出)电容。将上式用矩阵方程表示为：式中，u为开关函数，定义如下：式中，T为开关周期，D为占空比，且在CCM模式下3.根据权利要求2所述的Boost型DC-DC变换器的自适应控制方法，其特征在于，控制器的设计进一步包括如下步骤：步骤2：滑模变量设计；将系统误差定义成：x1＝ur-uo(5)式中：ur代表参考输出电压，uo代表实时反馈输出电压；然后对x1进行求导得到x2：对式(6)进行求导，并结合式(5)整理后得到算式：式中，f1(t)和f2(t)为系统的不确定性和干扰的总和，并且假设它们是有界的，即|f1(t)|≤F1,|f2(t)|≤F2，F1和F2均为正数；把x1，x2当作状态变量，将式(7)写成状态方程形式式中，x＝[x1x2]T，N＝[f1(t)f2(t)]T为未知有界的时变不确定项；将滑模变量s定义为：式中，λ＝[λ1λ2]，λ2≠0，并且λ1，λ2同时为正或负常数；对滑模变量s求导可得：4.根据权利要求3所述的Boost型DC-DC变换器的自适应控制方法，其特征在于，控制器的设计进一步包括如下步骤：步骤3：正交多项式函数逼近项设计；自适应系统选取正交多项式函数逼近的方式，通过系统的参考值、输出值、控制器上一次控制输出量以及干扰计算出控制器当前的逼近项令Nm(X)＝λN，假设未知有界的不确定性项Nm(X)在任何有限时间内都是平方可积的，即Nm(X)∈L2(E)，则Nm(X)能够用一组正交基函数的组合替代：Nm(X)＝WT...

【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