基于ELM-PID的Buck变换器输出电压控制方法技术

本发明专利技术公开了一种基于ELM‑PID的buck变换器输出电压控制方法，包括以下步骤：建立状态空间方程；建立平均状态空间方程；得到交流小信号状态方程与输出方程；求得Buck变换器的传递函数；构造控制器；ELM网络初始化；ELM网络自适应调整；在某个时间段设定电阻负载扰动和控制端扰动，通过ELM调节PID参数，得到稳定的电压输出。本发明专利技术首先根据ELM原理设计了PID整定算法，通过对PID参数进行在线调整从而实现输出稳压控制，然后给定控制端扰动和负载端扰动的两种故障，用以证明ELM‑PID控制器能很好的应对负载和外部干扰的影响，具有响应速度快、稳定性好的特点。

Output voltage control method of Buck Converter Based on elm-pid

【技术实现步骤摘要】
基于ELM-PID的Buck变换器输出电压控制方法
本专利技术涉及一种Buck变换器输出电压控制方法，特别涉及一种基于ELM-PID的Buck变换器输出电压控制方法。
技术介绍
Buck变换器是一种高频化电能转换装置，是现代电能变换技术的核心组成部分。其功能是将特定的直流或者交流电压，经过不同形式的电路结构转换为用户端所需求的直流电压。由于Buck变换器是构建其他类型电能变换器的基本组成部分，且具有效率高、体积小及重量轻的特点，在工业、交通、通信、IT以及日常生活中得到了广泛的应用。Buck变换器作为直流功率变换单元广泛应用于电能变换系统的末端负载供电接口，其性能直接决定了直流负载的供电指标。而在微电子和通信电源领域中，微处理器和通信设备的负载随机性大范围波动，其瞬态性能要求更高。现阶段在bcuk变换器的控制方面，由于变换器的精确模型难以建立，传统的控制方法较难得到好的控制特性，在应用过程中存在着功耗大、能量转换效率低、输出响应速度慢等问题，在一定程度上制约了Buck变换器的广泛应用。综上所述，寻求更为有效的Buck变换器控制方法，对改善直流稳压电源系统响应的实时性和稳定性及提高能量转换效率具有重要实际意义。
技术实现思路
为了解决上述技术问题，本专利技术提供了一种基于ELM-PID的Buck变换器输出电压控制方法，在电阻负载扰动和控制端扰动影响的情况下，分别对PID参数进行在线调节。本专利技术解决上述问题的技术方案是：一种基于ELM-PID的Buck变换器输出电压控制方法，包括Buck变换器，Buck变换器包括Buck主电路与控制电路，主电路结构包含输入电压源、开关管、续流二极管、电容、电感及电阻，控制电路包含ELM-PID控制器，输入电压源正极连接开关管漏极，开关管源极与电感一端、续流二极管负极连接，电感另一端与电容一端、电阻一端连接，电容另一端、电阻另一端、续流二极管正极均连接输入电压源负极，ELM-PID控制器连接开关管栅极；输出电压控制方法包括如下步骤：步骤一：仅考虑电路工作在电流连续导通模式下，根据Buck电路的电压方程和电流方程，针对变换器的具体工作状态分别建立状态空间方程；步骤二：为消除开关纹波的影响，对状态空间方程的状态变量在一个开关周期内求平均，并为平均状态变量建立平均状态空间方程；步骤三：根据平均状态空间方程，将平均状态变量进行分解为直流分量与交流小信号分量之和，确定变换器的静态工作点，并分析交流小信号在静态工作点处的工作状况，得到Buck变换器的交流小信号状态方程与输出方程；步骤四：在静态工作点处，对交流小信号状态方程与输出方程进行线性化处理，得到Buck变换器的解析模型，并求得Buck变换器的传递函数；步骤五：对Buck变换器的传递函数作双线性变换，求得系统的差分方程表述，并以此构造相应的控制器；步骤六：初始化阶段，确定ELM网络结构，将采集的Buck变换器的输入与输出数据作为ELM的训练数据，并对采样所得数据归一化处理，用于ELM的学习过程；步骤七：自适应调整阶段，采用增量PID控制算法，确定控制器的性能指标函数，以梯度下降法设计PID的调节算法；步骤八：在某个时间段设定电阻负载扰动，通过ELM调节PID参数，得到稳定的电压输出；在考虑控制信号受到干扰的情况下，在某个时间段设定控制端扰动，通过ELM调节PID参数，得到稳定的电压输出。上述基于ELM-PID的Buck变换器输出电压控制方法，步骤一中，根据Buck变换器的电压方程和电流方程，建立状态空间方程的方法为：在每个开关周期的[0,dTs]时间段内，开关管Q1导通，续流二极管D1截止时，所述电压方程与电流方程为：式中，vL、vC分别为电感和电容两端的电压，iin、iL、iC为输入电流、电感和电容所在的支路电流，vin、vo分别为变换器的电源和输出部分的电压，L、R分别为电感、电容和电阻，d为占空比，此阶段Buck变换器的状态空间方程为：y(t)＝C1x(t)+E1u(t)其中，状态变量x＝[iC(t)vC(t)]T，输入u(t)＝vin，输出y＝[iinvo]T且在每个开关周期[dTs,Ts]时间段内,开关管Q1截止，续流二极管D1导通时，所述电压方程与电流方程为：此阶段Buck变换器的状态空间方程为：y(t)＝C2x(t)+E2u(t)式中，上述基于ELM-PID的Buck变换器输出电压控制方法，步骤二中，对状态变量在一个开关周期内求平均，并为平均状态变量建立平均状态空间方程的方法为：为了滤除Buck变换器各变量中的高频开关纹波，使各变量中的直流分量与交流小信号分量间的关系突显出来，采取在一个周期内求变量平均值，以状态方程的形式建立各平均变量间的关系，建立的平均变量状态方程的一般形式为：式中，平均变量为平均变量的导数，为常量，d′＝1-d，T为开关周期。上述基于ELM-PID的Buck变换器输出电压控制方法，步骤三中，为了分析交流小信号在静态工作点的工作状况，在计算中将实际的平均变量等效分解为直流分量与交流纹波分量之和，并求解Buck变换器的交流小信号状态方程与输出方程的方法为：将平均变量状态方程中的以及含有交流分量的控制量d分解为：式中，X、Y、U、D分别是与状态向量、输出向量、输入向量、占空比对应的直流分量向量；则分别是与状态向量、输出向量、输入向量、占空比相对应的交流分量，U和d是外界输入，为已知量，得出Buck变换器状态方程与输出方程的瞬时值表达式如下：式中A＝dA1+d′A2，B＝dB1+d′B2，C＝dC1+d′C2，E＝dE1+d′E2，根据状态方程与输出方程的瞬时值表达式中的交流项对应相等，得到交流小信号状态状态方程与输出方程：上述基于ELM-PID的Buck变换器输出电压控制方法，步骤四中，对交流小信号状态方程与输出方程进行线性化处理，得到Buck变换器的解析模型，据此求得Buck变换器的输出对输入的传递函数Gvd(s)的方法为：省略交流小信号状态方程与输出方程中包含小信号的乘积项，求得Buck变换器交流小信号的状态方程与输出方程为：在各初始状态均为零的情况下，对交流小信号的状态方程与输出方程进行拉氏变换：其中，I为单位矩阵，得到Buck变换器输出对输入变量的传递函数Gvd(s)为：式中，s为复频率，Vin为实际输入电压，为输入电压中的交流分量。上述基于ELM-PID的Buck变换器输出电压控制方法，步骤五中，对Buck变换器的传递函数作双线性变换，求得系统的差分方程表述：yk+a1yk-1+a2yk-2＝b1dk+b2dk-1+b3dk-3其中，k为迭代步长，yk为系统第k次迭代的输出电压值，dk为PWM第k次迭代的输出脉冲的占空比，且T本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于ELM-PID的Buck变换器输出电压控制方法，包括Buck变换器，Buck变换器包括Buck主电路与控制电路，主电路结构包含输入电压源、开关管、续流二极管、电容、电感及电阻，控制电路包含ELM-PID控制器，输入电压源正极连接开关管漏极，开关管源极与电感一端、续流二极管负极连接，电感另一端与电容一端、电阻一端连接，电容另一端、电阻另一端、续流二极管正极均连接输入电压源负极，ELM-PID控制器连接开关管栅极；/n输出电压控制方法包括如下步骤：/n步骤一：仅考虑电路工作在电流连续导通模式下，根据Buck电路的电压方程和电流方程，针对变换器的具体工作状态分别建立状态空间方程；/n步骤二：为消除开关纹波的影响，对状态空间方程的状态变量在一个开关周期内求平均，并为平均状态变量建立平均状态空间方程；/n步骤三：根据平均状态空间方程，将平均状态变量进行分解为直流分量与交流小信号分量之和，确定变换器的静态工作点，并分析交流小信号在静态工作点处的工作状况，得到Buck变换器的交流小信号状态方程与输出方程；/n步骤四：在静态工作点处，对交流小信号状态方程与输出方程进行线性化处理，得到Buck变换器的解析模型，并求得Buck变换器的传递函数；/n步骤五：对Buck变换器的传递函数作双线性变换，求得系统的差分方程表述，并以此构造相应的控制器；/n步骤六：初始化阶段，确定ELM网络结构，将采集的Buck变换器的输入与输出数据作为ELM的训练数据，并对采样所得数据归一化处理，用于ELM的学习过程；/n步骤七：自适应调整阶段，采用增量PID控制算法，确定控制器的性能指标函数，以梯度下降法设计PID的调节算法；/n步骤八：在某个时间段设定电阻负载扰动，通过ELM调节PID参数，得到稳定的电压输出；在考虑控制信号受到干扰的情况下，在某个时间段设定控制端扰动，通过ELM调节PID参数，得到稳定的电压输出。/n...

【技术特征摘要】
1.一种基于ELM-PID的Buck变换器输出电压控制方法，包括Buck变换器，Buck变换器包括Buck主电路与控制电路，主电路结构包含输入电压源、开关管、续流二极管、电容、电感及电阻，控制电路包含ELM-PID控制器，输入电压源正极连接开关管漏极，开关管源极与电感一端、续流二极管负极连接，电感另一端与电容一端、电阻一端连接，电容另一端、电阻另一端、续流二极管正极均连接输入电压源负极，ELM-PID控制器连接开关管栅极；
输出电压控制方法包括如下步骤：
步骤一：仅考虑电路工作在电流连续导通模式下，根据Buck电路的电压方程和电流方程，针对变换器的具体工作状态分别建立状态空间方程；
步骤二：为消除开关纹波的影响，对状态空间方程的状态变量在一个开关周期内求平均，并为平均状态变量建立平均状态空间方程；
步骤三：根据平均状态空间方程，将平均状态变量进行分解为直流分量与交流小信号分量之和，确定变换器的静态工作点，并分析交流小信号在静态工作点处的工作状况，得到Buck变换器的交流小信号状态方程与输出方程；
步骤四：在静态工作点处，对交流小信号状态方程与输出方程进行线性化处理，得到Buck变换器的解析模型，并求得Buck变换器的传递函数；
步骤五：对Buck变换器的传递函数作双线性变换，求得系统的差分方程表述，并以此构造相应的控制器；
步骤六：初始化阶段，确定ELM网络结构，将采集的Buck变换器的输入与输出数据作为ELM的训练数据，并对采样所得数据归一化处理，用于ELM的学习过程；
步骤七：自适应调整阶段，采用增量PID控制算法，确定控制器的性能指标函数，以梯度下降法设计PID的调节算法；
步骤八：在某个时间段设定电阻负载扰动，通过ELM调节PID参数，得到稳定的电压输出；在考虑控制信号受到干扰的情况下，在某个时间段设定控制端扰动，通过ELM调节PID参数，得到稳定的电压输出。


2.根据权利要求1所述的基于ELM-PID的Buck变换器输出电压控制方法，其特征在于，步骤一中，根据Buck变换器的电压方程和电流方程，建立状态空间方程的方法为：
在每个开关周期的[0,dTs]时间段内，开关管Q1导通，续流二极管D1截止时，所述电压方程与电流方程为：



式中，vL、vC分别为电感和电容两端的电压，iin、iL、iC为输入电流、电感和电容所在的支路电流，vin、vo分别为变换器的电源和输出部分的电压，L、R分别为电感、电容和电阻，d为占空比，
此阶段Buck变换器的状态空间方程为：



y(t)＝C1x(t)+E1u(t)
其中，状态变量x＝[iC(t)vC(t)]T，输入u(t)＝vin，输出y＝[iinvo]T且



在每个开关周期[dTs,Ts]时间段内,开关管Q1截止，续流二极管D1导通时，所述电压方程与电流方程为：



此阶段Buck变换器的状态空间方程为：



y(t)＝C2x(t)+E2u(t)
式中，


3.根据权利要求1所述的基于ELM-PID的Buck变换器输出电压控制方法，其特征在于，步骤二中，对状态变量在一个开关周期内求平均，并为平均状态变量建立平均状态空间方程的方法为：
为了滤除Buck变换器各变量中的高频开关纹波，使各变量中的直流分量与交流小信号分量间的关系突显出来，采取在一个周期内求变量平均值，以状态方程的形式建立各平均变量间的关系，建立的平均变量状态方程的一般形式为：
式中，平均变量为平均变量的导数，为常量，d′＝1-d，T为开关周期。


4.根据权利要求1所述的基于ELM-PID的Buck变换器输出电压控制方法，其特征在于，步骤三中，为了分析交流小信号在静态工作点的工作状况，在计算中将实际的平均变量等效分解为直流分量与交流纹波分量之和，并求解Buck变换器的交流小信号状态方程与输出方程的方法为：
将平均变量状态方程中的以及含有交流分量的控制量d分解为：



式中，X、Y、U、D分别是与状态向量、输出向量、输入向量、占空比对应的直流分量向量；则分别是与状态向量、输出向量、输入向量、占空比相对应的交流分量，U和d是外界输入，为已知量，
得出Buck变换器状态方程与输出方程的瞬时值表达式如下：



式中A＝dA1+d′A2，B＝dB1+d′B2，C＝dC1+d′C2，E＝dE1+d′E2，
根据状态方程与输出方程的瞬时值表达式中的交流项对应相等，得到交流小信号状态状态方程与输出方程：





5.根据权利要求1所述的基于ELM-PID的Buck变换器输出电压控制方法，其特征在于，步骤四中，对交流小信号状态方程与输出方程进行线性化处理，得到Buck变换器的解析模型，据此求得B...

【专利技术属性】
技术研发人员：于文新，陆洋，王俊年，李燕，李瑞奇，蒋丹，
申请(专利权)人：湖南科技大学，
类型：发明
国别省市：湖南;43