一种直流变换器状态反馈模型预测控制方法技术

本发明专利技术公开一种直流变换器状态反馈模型预测控制方法,首先将根据直流变换器电路模型建立的输出量状态微分方程进行离散化处理得到预测模型，进而得到下一控制周期输出量预测值；将输出量实际反馈值与预测值间的偏差经PI控制器调节后补偿到输出量预测值；采用两步预测，利用补偿校正后的预测值再向前迭代一步得到变换器在第k+2个控制周期的输出量预测值，令其与给定值相等求解得到直流变换器在该控制方法下的第k+1个控制周期应施加的最优控制量Dk+1。本发明专利技术是一种基于状态反馈的模型预测控制方法，利用实时信息进行反馈校正可以把下一步的预测和优化建立在更接近实际的基础上，提高变换器的鲁棒性且具有动态效果好，数字实现容易等优点。

A State Feedback Model Predictive Control Method for DC Converter

【技术实现步骤摘要】
一种直流变换器状态反馈模型预测控制方法
本专利技术涉及一种直流变换器控制方法，特别是一种直流变换器状态反馈模型预测控制方法，属于电力电子

技术介绍
随着电力电子技术与新型控制理论的发展，对直流变换器的动态响应特性和抗干扰能力等指标提出了更高的要求。在含有直流变换器的电力电子电源系统中也往往需要控制系统具有很好的控制性能来达到变换器在输入和负载不断变化等工况下输出快速响应或保持稳定的目的。而传统基于PI控制器的电压环控制策略，因其固有的滞后特性，会导致变换器的动态特性较差。模型预测控制(ModelPredictiveControl,MPC)因其建模直观，动态响应快等优点，近年来已在变流器领域得到了广泛的研究及应用。因此，本专利技术基于预测控制，结合传统PI控制算法，提出了一种带状态反馈校正的直流变换器预测控制策略。该方法在提高变换器动态响应特性的同时改善了预测控制过度依赖模型，鲁棒性差的缺点，进而可以提升整个电源系统对易变电路参数的抗干扰能力。
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结合传统PI控制算法且带状态反馈校正的、具有良好鲁棒性、动态性能和抗干扰能力的直流变换器状态反馈模型预测控制方法。为解决上述技术问题，本专利技术的一种直流变换器状态反馈模型预测控制方法，包括以下步骤：步骤1：根据直流变换器的电路模型，以输出电压为状态变量，根据基尔霍夫电压定律建立系统的状态微分方程；步骤2：采用前向欧拉法对状态微分方程进行离散化处理，得到直流变换器的预测模型；步骤3：采样直流变换器第k个控制周期的实际输出电压值Uo(k)和电流值Io(k)，对采样信号施加野点剔除算法，将经野点剔除算法处理后的电压和电流信号分别记为Uoc(k)和Ioc(k)；步骤4：代入处理后的Uoc(k)和Ioc(k)，运行系统的预测模型，得到系统在下一个控制周期的输出电压预测值Uop(k+1)；步骤5：把Uoc(k)和第k-1个控制周期校正补偿后的预测输出值Uopc(k)的误差通过PI调节器运算后补偿到当前控制周期电压预测值Uop(k+1)中，得到经状态反馈校正补偿后的下一控制周期的输出电压预测值Uopc(k+1)，并存储Uopc(k+1)作为下一控制周期求取误差中的预测输出值；步骤6：将补偿后的输出电压预测值Uopc(k+1)再次代入预测模型，得到第k+2个控制周期的输出电压预测值Uop(k+2)；步骤7：假设期望输出电压值为Uoref，令电压预测值等于期望输出电压值，即Uop(k+2)＝Uoref，且设定Ioc(k)＝Ioc(k+1)，求得直流变换器在第k+1个控制周期应实施的最优控制量Dk+1，并存储Dk+1；步骤8：运行PWM调制器，根据最优控制量产生调制信号，将调制信号与载波信号做比较产生用于开关管驱动的脉冲信号控制开关管；步骤9：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。步骤1中的状态微分方程满足：其中：Uo为输出电压，C为输出滤波电容，Uin为输入电压，Ts＝1/fs为开关周期，L为电路等效电感，R为负载，Iave＝f(Dk,L,Uin,Ts)为变换器平均输出电流，Dk是上一控制周期预测的当前控制周期应施加的最优控制量。直流变换器的预测模型满足：其中，Iave(k)表示第k个控制周期的变换器平均输出电流。下一控制周期的输出电压预测值Uopc(k+1)满足：Uopc(k+1)＝Uop(k+1)+Kp{Uoc(k)-Uopc(k)+Ki∫[Uoc(k)-Uopc(k)]dt}其中：Kp和Ki为PI控制器参数，Uopc(k)为上一控制周期校正补偿后的预测输出值。步骤七中Uop(k+2)＝Uoref具体为：最优控制量为移项比或占空比。本专利技术有益效果：在本专利技术所述控制方法中，首先将根据直流变换器电路模型建立的输出量状态微分方程进行离散化处理得到预测模型，进而得到下一控制周期输出量预测值；为减小实际中模型失配、环境干扰等因素对输出量预测值最优性的影响，将输出量实际反馈值与预测值间的偏差经PI控制器调节后补偿到输出量预测值；为改善控制延时，采用两步预测，即利用补偿校正后的预测值再向前迭代一步得到变换器在第k+2个控制周期的输出量预测值，令其与给定值相等求解得到直流变换器在该控制方法下的第k+1个控制周期应施加的最优控制量Dk+1。本专利技术利用实时信息进行反馈校正可以把下一步的预测和优化建立在更接近实际的基础上，提高变换器的鲁棒性且具有动态效果好，数字实现容易等优点。本专利技术在提高变换器动态响应特性的同时改善了预测控制过度依赖模型，鲁棒性差的缺点，进而可以提升整个电源系统对易变电路参数的抗干扰能力。附图说明附图1为专利所述方法流程图；附图2为专利所述用于示例的隔离式双向DC-DC变换器的电路拓扑图；附图3为双向DC-DC变换器在传统桥间移相模式控制下稳态工作波形图；附图4为双向DC-DC变换器的状态反馈模型预测控制方法的结构图；附图5为双向DC-DC变换器在传统PI控制方法和状态反馈预测控制方法下负载突变工况时的对比仿真图。附图6为双向DC-DC变换器在传统PI控制方法和状态反馈预测控制方法下输入电压突变工况时的对比仿真图。附图7为双向DC-DC变换器在变压器漏感减小50％的情况下传统PI控制方法和状态反馈预测控制方法的对比仿真图。附图8为双向DC-DC变换器在电路电感减小50％的情况下预测误差反馈校正补偿前和补偿后的对比仿真图。具体实施方式下面结合附图对本专利技术具体实施方式做进一步说明。如图1所示，本专利技术包括以下步骤：步骤1：根据直流变换器的电路模型，以输出电压为状态变量，由基尔霍夫电压定律构建系统的状态微分方程，利用前向欧拉法对其进行离散化处理可以得到直流变换器的预测模型。步骤2：为避免实际实验过程中电磁干扰信号对采样信号准确性的影响，对采样得到的第k个控制周期的输出电压Uo(k)和输出电流Io(k)引入基于最小二乘法的野点剔除算法，提升采样的精度和可靠性。将经野点剔除算法处理后的采样信号分别记为Uoc(k)和Ioc(k)。步骤3：在实施预测控制的过程中，由于建模偏差、环境干扰等未知因素会对第k+1个控制周期输出电压预测值产生负面影响。因此，为了提高预测输出的准确性，将PI控制器与经典预测控制理论中的反馈校正机制结合，把当前控制周期输出电压实际采样值Uoc(k)与预测输出值Uopc(k)(第k-1个控制周期校正补偿后的预测输出值)的误差，通过PI调节器运算后补偿到当前控制周期预测输出值Uop(k+1)中，以此来补充基于模型的预测，使下一步的优化更接近实际，确保预测量在未来两个控制周期内的最优性。将经状态反馈校正后的输出电压预测值记为Uopc(k+1)，作为下一步预测的初始值。步骤4：考虑到控制器计算时间及采样延时不可忽略，进而进行延时补偿，采用两步预测。假定被计算出的最优控制量在第k+1个控制周期应用，则必须去预测第k+2个控制周期的输出电压Uop(k+2)，且为了使得输出电压具有快速的动态特性，令输出电压预测值和输出电压给定值相等，即Uop(k+2)＝Uoref。进一步求解得到变换器在状态反馈预测控制方法下的第k+1个控制周期的最优控制量Dk+1。步骤1中，根据直流变换器的电路模型，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种直流变换器状态反馈模型预测控制方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：根据直流变换器的电路模型，以输出电压为状态变量，根据基尔霍夫电压定律建立系统的状态微分方程；步骤2：采用前向欧拉法对状态微分方程进行离散化处理，得到直流变换器的预测模型；步骤3：采样直流变换器第k个控制周期的实际输出电压值Uo(k)和电流值Io(k)，对采样信号施加野点剔除算法，将经野点剔除算法处理后的电压和电流信号分别记为Uoc(k)和Ioc(k)；步骤4：代入处理后的Uoc(k)和Ioc(k)，运行系统的预测模型，得到系统在下一个控制周期的输出电压预测值Uop(k+1)；步骤5：把Uoc(k)和第k‑1个控制周期校正补偿后的预测输出值Uopc(k)的误差通过PI调节器运算后补偿到当前控制周期电压预测值Uop(k+1)中，得到经状态反馈校正补偿后的下一控制周期的输出电压预测值Uopc(k+1)，并存储Uopc(k+1)作为下一控制周期求取误差中的预测输出值；步骤6：将补偿后的输出电压预测值Uopc(k+1)再次代入预测模型，得到第k+2个控制周期的输出电压预测值Uop(k+2)；步骤7：假设期望输出电压值为Uoref，令电压预测值等于期望输出电压值，即Uop(k+2)＝Uoref，且设定Ioc(k)＝Ioc(k+1)，求得直流变换器在第k+1个控制周期应实施的最优控制量Dk+1，并存储Dk+1；步骤8：运行PWM调制器，根据最优控制量产生调制信号，将调制信号与载波信号做比较产生用于开关管驱动的脉冲信号控制开关管；步骤9：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。...

【技术特征摘要】
1.一种直流变换器状态反馈模型预测控制方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：根据直流变换器的电路模型，以输出电压为状态变量，根据基尔霍夫电压定律建立系统的状态微分方程；步骤2：采用前向欧拉法对状态微分方程进行离散化处理，得到直流变换器的预测模型；步骤3：采样直流变换器第k个控制周期的实际输出电压值Uo(k)和电流值Io(k)，对采样信号施加野点剔除算法，将经野点剔除算法处理后的电压和电流信号分别记为Uoc(k)和Ioc(k)；步骤4：代入处理后的Uoc(k)和Ioc(k)，运行系统的预测模型，得到系统在下一个控制周期的输出电压预测值Uop(k+1)；步骤5：把Uoc(k)和第k-1个控制周期校正补偿后的预测输出值Uopc(k)的误差通过PI调节器运算后补偿到当前控制周期电压预测值Uop(k+1)中，得到经状态反馈校正补偿后的下一控制周期的输出电压预测值Uopc(k+1)，并存储Uopc(k+1)作为下一控制周期求取误差中的预测输出值；步骤6：将补偿后的输出电压预测值Uopc(k+1)再次代入预测模型，得到第k+2个控制周期的输出电压预测值Uop(k+2)；步骤7：假设期望输出电压值为Uoref，令电压预测值等于期望输出电压值，即Uop(k+2)＝Uoref，且设定Ioc(k)＝Ioc(k+1)，求得直流变换器在第k+1个控制周期应实施的最优控制量Dk+1，并存储Dk+1；步骤8：运行PWM调制器，根据...

【专利技术属性】
技术研发人员：孟繁荣，刘永伟，巩冰，李鹏，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