一种基于Fal函数滤波器的直流变换器模型预测控制算法制造技术

本发明专利技术公开了一种基于Fal函数滤波器的直流变换器模型预测控制算法，包括：步骤1：列写原边电流在半个周期内的状态空间方程；步骤2：离散状态空间方程，得到预测控制模型；步骤3：采集第k时刻负载输出电压和负载输出电流，预测得到第k+1时刻的电压；步骤4：在第k时刻给定参考电压作为Fal函数滤波器的输入量，计算得到输出量；步骤5：根据第k+1时刻的电压和Fal函数输出量构造目标函数Ji(k)并求导，得到第k时刻最优移相角α，进而控制PWM调制器；步骤6：判断是否结束，如果结束退出运行，否则返回至步骤3。本发明专利技术能提高控制系统的快速性与稳定性，快速跟随给定电压信号、输出电压无超调、动态变化过程短。

Model Predictive Control of DC Converter Based on Fal Function Filter

【技术实现步骤摘要】
一种基于Fal函数滤波器的直流变换器模型预测控制算法
本专利技术涉及一种直流变换器模型预测控制算法，特别是一种基于Fal函数滤波器的直流变换器模型预测控制算法，属于电力电子技术控制领域。
技术介绍
近年来，随着在分布式新能源发电中，直流配电网电压等级的逐步提高，隔离型的三电平直流变换器被广泛应用于生活中的各个领域，特别是在船舶电力推进、电动汽车充电等方面备受关注，由于三电平拓扑具有开关管承受电压应力小，谐波含量少的优点，在电力电子研究中占据重要的地位。PID控制器在工业过程中占据着半壁江山，然而PID控制算法在闭环控制中，这种“直接取目标与实际行为之间的误差来消除误差”的方式常常会造成初始控制力太大而使系统行为出现超调，而积分环节的存在使得系统的动态特性变差，而对于随时变化的负载扰动，积分环节的抑制能力又不显著。并且具有PI参数选择困难的缺点，而模型预测控制是一种以直流变换器的数学模型为基础、通过预测控制变量的变化趋势进行在线调节的控制算法，具有实时修正控制量，从而使模型失配、时变、干扰等引起的不确定性能及时得到弥补，提高了系统的控制效果，具有动态响应快，稳态误差小的优点，针对负载等扰动作用时，恢复时间短。非线性的Fal函数常常用于自抗扰控制(ADRC)中安排输入给定的过渡过程，借鉴Fal函数的优点，结合预测控制下可以快速跟随给定的特点，在传输功率较大的直流变换器的启动过程中，平滑给定信号，可以大大减小启动电流的冲击，并且在启动过程可以实现无超调。
技术实现思路
针对上述现有技术，本专利技术要解决的技术问题是提供一种应用在高压、大电流、大功率的、快速跟随给定电压信号、输出电压无超调、动态变化过程短的基于Fal函数滤波器的直流变换器模型预测控制算法。为解决上述技术问题，本专利技术一种基于Fal函数滤波器的直流变换器模型预测控制算法，包括以下步骤：步骤1：根据三电平直流变换器开关周期平均等效模型列写原边电流在半个周期内的状态空间方程：其中Vd是稳态输入电压，Vo是稳态输出电压，Lr是变压器原边漏感，iLr是原边漏感电流，n为变压器原副边变比，t1至t5时刻是在斩波移相控制方法下电感电流换流点；步骤2：采用欧拉前向法离散步骤1的状态空间方程，得到预测控制模型其中为第k时刻负载输出电压，为第k时刻负载输出电流，C1是输出滤波电容，f是开关频率，变压器副边整流桥侧输出电流平均值Isaver满足：Isaver＝nF(Vd，Vo，Lr，f，α)，其中α是移相角控制量，isaver是变压器副边整流桥侧输出电流平均值的动态值，isaver是关于α的函数；步骤3：采集第k时刻负载输出电压和负载输出电流并利用步骤2的预测控制模型预测得到第k+1时刻的电压步骤4：在第k时刻给定参考电压U*作为Fal函数滤波器的输入量，计算得到输出量步骤5：根据步骤3得到的第k+1时刻的电压和步骤4得到的构造目标函数Ji(k)，令得到第k时刻最优移相角α，根据最优移相角α控制PWM调制器，产生脉冲信号控制开关管；步骤6：判断是否结束，如果结束退出运行，否则下一控制周期开始，返回至步骤3。本专利技术还包括：步骤4中的Fal函数滤波器满足：a是0～1之间常数，跟踪速度随a增大而加快，δ为影响滤波效果的参数，Ts是开关周期时间，kp为响应的比例系数，sgn(e)是符号函数，sgn(e)>0时为1，sgn(e)<0时为-1，动态过程通过调节Fal函数的δ，a参数调节动态启动过程。本专利技术有益效果：本专利技术是一种应用于隔离型三电平全桥直流变换器，预测控制算法与Fal函数滤波器结合的复合控制算法，使用该新型的控制算法能够解决启动电流过大，PI控制滞后延时问题，采用Fal函数滤波器与传统的预测控制相结合的算法，通过Fal函数滤波器安排给定信号合理的过渡时间，能够有效的解决预测控制算法在启动过程中响应过快问题；而与PI控制算法相比，预测控制算法能提高控制系统的快速性与稳定性，该算法适合宽范围输入电压的高压、大电流的三电平变换器。(1)能够实现输出电压快速跟随给定电压信号。(2)在直流变换器启动建压过程中，冲击电流较小，并且输出电压无超调。(3)对于负载、电感、电容参数变化等扰动信号作用时，输出电压几乎无波动，动态变化过程非常短。(4)易于数字控制器实现。附图说明图1为新型控制方法的执行流程图。图2为专利控制方法结构图。图3为专利所述隔离型三电平直流变换器的拓扑结构示意图。图4为专利所述采用斩波加移相控制时序图。图5为专利所述开关周期等效图。图6为专利所述Fal函数滤波器结构图。图7为提出的控制方法下的输出电压以及电感电流波形图。图8为PI控制下的输出电压以及电感电流波形图。图9为传统PI和本专利提出的控制方法输出电压对比图。图10为突变给定电压响应对比图。图11为突加载、减载电压响应对比图。图12为突变输入电压响应对比图。具体实施方式下面结合附图对本专利技术的具体实施方式做进一步说明。如图1和图2所示，本专利技术用非线性的Fal函数实现给定信号低通滤波，用模型预测控制算法实现三电平变换器输出电压快速响应，两者相结合的新型控制方法，具体实现过程如下：如图3所示基于隔离型三电平直流变换器的拓扑结构，采用斩波加移相的控制策略，如图4所示，选择原边电感电流Lr作为状态变量，列写状态空间方程：其中Vd是稳态输入电压，Vo是稳态输出电压，Lr是变压器原边漏感，iLr是原边漏感电流，n为变压器原副边变比，t2～t7时刻是在斩波移相控制方法下电感电流换流点，然后对原边漏感电流求半个周期的平均值，记为Ipaver，Ipaver是关于Vd，Vo，Lr，f，α，n的函数，其中α是移相角控制量，f是开关频率，可以表示为：Ipaver＝F(Vd，Vo，Lr，f，n，α)(1-2)在不考虑损耗的情况下，得到变压器副边整流桥侧输出电流平均值Isaver：Isaver＝nIpaver＝nF(Vd，Vo，Lr，f，α)(1-3)根据输出电压的平均等效模型，在动态过程中的输出电压的平均方程可写为：其中＜·＞表示平均值，C1是输出滤波电容，R是负载电阻，采用前向欧拉法离散式(1-4)，可得：在第k时刻采样负载输出电流值负载输出电压值通过式(1-5)即可计算出代表在第k时刻预测出的第k+1时刻输出电压值，同时在第k时刻，参考电压U*作为Fal函数滤波器的输入量v，得出输出量y0，此处用表示y0，构建价值函数Ji(k)通过带入变换器参数，可以得出Ji(k)是α的函数，对移相角α求导，使导数为零，可求解第k时刻最优移相角α，代表下一时刻的输出电压与参考电压的偏差最小，在k时刻作用于PWM调制器，输出驱动脉冲，当前第k时刻作用完毕，下一时刻第k+1时刻仍按上述第k时刻的流程，进行输出电压，电流的采样，进行最优移相角的计算并作用PWM调制器，即为滚动优化过程。如图3和图4所示，基于二极管箝位型三电平直流变换器拓扑结构，该拓扑主流的控制方式可以分为斩波加移相控制、对称双移相控制、全桥移相控制。本文以斩波加移相控制策略进行分析计算，同样对其他两种控制策略的分析计算也在本专利的保护范围之内。斩波加移相控制原理是Q1和Q4互补导通，Q2和Q3互补导通，Q5&Q6触发脉冲相同，Q7&Q8的触发脉冲相同，Q本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于Fal函数滤波器的直流变换器模型预测控制算法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：根据三电平直流变换器开关周期平均等效模型列写原边电流在半个周期内的状态空间方程；

【技术特征摘要】
1.一种基于Fal函数滤波器的直流变换器模型预测控制算法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：根据三电平直流变换器开关周期平均等效模型列写原边电流在半个周期内的状态空间方程；其中Vd是稳态输入电压，Vo是稳态输出电压，Lr是变压器原边漏感，iLr是原边漏感电流，n为变压器原副边变比，t1至t5时刻是在斩波移相控制方法下电感电流换流点；步骤2：采用欧拉前向法离散步骤1的状态空间方程，得到预测控制模型其中为第k时刻负载输出电压，为第k时刻负载输出电流，C1是输出滤波电容，f是开关频率，变压器副边整流桥侧输出电流平均值Isaver满足：Isaver＝nF(Vd，Vo，Lr，f，α)，其中α是移相角控制量，isaver是变压器副边整流桥侧输出电流平均值的动态值，isaver是关于α的函数；步骤3：采集第k时刻负载输出电压和负载输出电流并利用...

【专利技术属性】
技术研发人员：孟繁荣，李鹏，巩冰，刘永伟，边笑宇，杨天奇，吴悠，
申请(专利权)人：哈尔滨工程大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江,23