基于状态反馈精确线性化的CCMBuck变换器微分平坦控制方法技术

本发明专利技术公开了基于状态反馈精确线性化的CCM Buck变换器微分平坦控制方法，包括：对CCM Buck变换器反馈线性化建模；CCM Buck变换器控制器设计，具体为，CCM Buck变换器的平坦性分析，CCM Buck变换器的反馈补偿设计；灵敏度分析，提升CCM Buck变换器系统暂态性能。本发明专利技术有效地提高了对CCM Buck变换器输入电压和负载电流的扰动抑制。载电流的扰动抑制。载电流的扰动抑制。

【技术实现步骤摘要】
基于状态反馈精确线性化的CCM Buck变换器微分平坦控制方法


[0001]本专利技术属于变换器
，具体涉及基于状态反馈精确线性化的 CCM Buck变换器微分平坦控制方法。

技术介绍

[0002]Buck变换器是典型的时变、非线性系统，传统线性控制理论具有较 大的局限性，尤其是结构简单的比例积分控制无法使系统获得满意的动 态响应，且由于引入比例、积分等经验系数，使得系统控制难度较大， 因此Buck变换器的控制方法一直是众多学者们关注的热点问题。
[0003]为提高工作在连续导电模式(Continuous Conduction Mode,CCM)下 Buck变换器的动态性能，国内外专家学者已经做了许多的研究工作。现 有文献通过递归设计算法构建有限时间反馈控制器，然后导出新颖的观 测器来估计Buck变换器不可衡量状态的有限时间的收敛速度，通过将状 态反馈控制法和从观测器输出的反馈控制律组合来分析系统稳定的有效 性。与渐近稳定性控制方法相比，提高了系统受扰动后的收敛速度，但 计算方法较复杂，获取准确的观测器数值难度大。现有文献为保留多级 Buck变换器开关应力低，电感尺寸小和功率密度高的优点，通过反向系统 理论的解耦最优控制方法在适当的电压参考值下平衡飞行电容电压。在逆系 统方法的基础上提出了一种通用的全线性化输出函数选择方法，实现了系统 的线性化和解耦，所提的控制策略具有好的动态性能。设计的多个最优控制 器对子系统进行控制，降低了控制器的设计难度，但计算过程较复杂。现有 文献针对CCM Buck变换器提出四种控制策略：单环自适应控制策略(SA)、 双环自适应控制策略(DA)、基于单环干扰观测器的控制策略(SDOB)以 及基于双环干扰观测器的控制策略(DDOB)，不考虑Buck变换器的参数不 确定的标称系统，来完成SA和DA的开发，考虑参数不确定的标称系统， 来完成SDOB和DDOB的开发，分析比较了所提出的四种控制策略的优缺 点，对Buck变换器的控制器设计具有实际的指导意义。现有文献设计出了 时间离散状态反馈控制器，可应用于宽输出负载条件下的Buck变换器进行 高带宽电压控制，控制过程中建立了CCM和DCM的离散时间动态，所提 出控制电路结构的建模、设计及其性能在仿真和实验中得到证明。现有文献 提出了一种复合稳固的离散化准滑动模式控制(DQSMC)方法，以解决因 恒功率的负电阻效应引起的稳定性问题。文中设计了离散的整体滑动表面以 获得直流电压的快速且稳定的动态响应，将二阶滑动模式干扰观测器嵌入在 电压控制器中以进行干扰估计和补偿，由此组合的复合DQSMC方案具有强 鲁棒性，固有的抖动抑制和保证动态。同时，PI电流控制器保留在内部控制 回路中以实现电流控制。现有文献提出了基于辅助并联电感的顺序开关控制 方案，该方案引入了一个与输出电感并联的小型受控电感，在负载突变期间 增加电感电流变化率，提出了顺序切换策略来控制辅助并联电感，但对于受 控电感的选取以及控制存在一定的难度。以上文献中所提控制方法可提高 CCM Buck变换器的动态性能，但在控制方法设计过程中引入了诸多如比例、 积分和微分等经验系数，造
成系统稳定参数自由度增大，难以被其他研究者 学习。再者，大多控制方法是在仿真软件中运行，试凑出多组经验系数较容 易，却忽略了在实际应用中的可复现度。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的是提供基于状态反馈精确线性化的CCM Buck变换器微 分平坦控制方法，有效地提高了对CCM Buck变换器输入电压和负载电流的 扰动抑制，提高系统暂态性能。
[0005]本专利技术所采用的技术方案是，CCM Buck变换器包括开关管S、二极管 D、滤波电感L、输出电容C、负载电阻R，输入电压为u
i
，输出电压为u
o
， 电感电流为i
L
，建立CCM Buck变换器反馈线性化模型，基于该模型对CCM Buck变换器进行微分平坦控制，根据极点配置法对CCM Buck变换器进行 反馈补偿设计，使系统输出能精准跟随期望值，并通过灵敏度理论分析了电 路参数改变时系统特征值的变化趋势，提升CCM Buck变换器系统暂态性能， 具体包括以下步骤：
[0006]步骤1：建立反馈线性化模型，
[0007]步骤2：平坦控制器设计，
[0008]步骤2.1：平坦性分析；
[0009]步骤2.2：反馈补偿设计；
[0010]步骤3：灵敏度分析，提升CCM Buck变换器系统暂态性能。
[0011]步骤1具体为：
[0012]根据状态空间平均法建立系统状态方程：
[0013][0014]式(1)中，u为主功率开关管S的占空比；
[0015]选取系统状态变量x＝[x1,x2]＝[i
L
,u
o
]，可将式(1)改写为：
[0016][0017]式(2)中，y为系统输出变量，U
ref
为输出电压的期望值，且有且有
[0018]反馈线性化借助坐标变换将Buck变换器的非线性转化成线性模型，并 获得控制率的表达式。根据微分几何理论，可证明式(2)满足线性化的条件， 并推导出以下李导数：
[0019][0020]根据式(3)可知，该CCM Buck变换器的相对阶r＝2＝系统维数＝n，r反映 了系统的全部动态，即系统由n
‑
r个状态变量描述，无其余部分，经状态反 馈后所有状态变量都是能观的，不存在可能导致系统内动态不稳定的问题， 从而进一步定义如下的坐标变换：
[0021][0022]因此可得：
[0023][0024]由于式(5)为非奇异阵，因此该变换全局微分同胚，经过坐标变换后的系 统状态方程的布鲁诺斯基标准型为：
[0025][0026]式(6)中v为新的输入变量，且有：
[0027][0028]将式(7)描述的系统状态反馈率控制u记为u1，即
[0029]步骤2.1具体为：
[0030]为提高系统的抗干扰能力，对CCM Buck变换器进行平坦控制，该 方法是通过期望的平坦输出量对系统所有状态量和控制量进行整体描述。其 基本含义为：若是在系统控制过程中可以找到一个平坦输出量y，并可以将 状态变量x和控制变量u表示为y及其各阶有限微分的函数，那么该系统是 可以微分平坦控制的，即对于如下所示n阶非线性系统：
[0031][0032]存在y∈R，使得
[0033][0034]式(9)中，i与j为整数，与γ为标量函数；
[0035]在进行微分平坦控制前需重新选取合适的平坦输出量、状态变量和控制 变量，由上述分析可知，CCM Buck变换器满足反馈精确线性化的充分必要 条件，因此可令u＝v，有：
[0036][0037]将式(10)代入式(1)，可得：
[0038][0039]根据式(11)可知系统满足微分平坦理论的要求，即有：
[0040][0041][004本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于状态反馈精确线性化的CCM Buck变换器微分平坦控制方法，CCM Buck变换器包括开关管S、二极管D、滤波电感L、输出电容C、负载电阻R，系统输入电压为u
i
，系统输出电压为u
o
，电感电流为i
L
，其特征在于，建立CCM Buck变换器反馈线性化模型，基于该模型对CCM Buck变换器进行微分平坦控制，根据极点配置法对CCM Buck变换器进行反馈补偿设计，使系统输出能精准跟随期望值，并通过灵敏度理论分析了电路参数改变时系统特征值的变化趋势，提升CCM Buck变换器系统暂态性能，包括以下步骤：步骤1：建立反馈线性化模型，步骤2：平坦控制器设计，步骤2.1：平坦性分析；步骤2.2：反馈补偿设计；步骤3：灵敏度分析，提升CCM Buck变换器系统暂态性能。2.根据权利要求1所述的基于状态反馈精确线性化的CCM Buck变换器微分平坦控制方法，其特征在于，所述步骤1具体为：根据状态空间平均法建立系统状态方程：式(1)中，u为主功率开关管S的占空比。选取系统状态变量x＝[x1,x2]＝[i
L
,u
o
]，可将式(1)改写为：式(2)中，y为系统输出变量，U
ref
为输出电压的期望值，且有为输出电压的期望值，且有反馈线性化借助坐标变换将Buck变换器的非线性转化成线性模型，并获得控制率的表达式。根据微分几何理论，可证明式(2)满足线性化的条件，并推导出以下李导数：根据式(3)可知，该CCM Buck变换器的相对阶r＝2＝系统维数＝n，r反映了系统的全部动态，即系统由n
‑
r个状态变量描述，无其余部分，经状态反馈后所有状态变量都是能观的，不存在可能导致系统内动态不稳定的问题，从而进一步定义如下的坐标变换：
因此可得：由于式(5)为非奇异阵，因此该变换全局微分同胚，经过坐标变换后的系统状态方程的布鲁诺斯基标准型为：式(6)中v为新的输入变量，且有：将式(7)描述的系统状态反馈率控制u记为u1，即3.根据权利要求2所述的基于状态反馈精确线性化的CCM Buck变换器微分平坦控制方法，其特征在于，所述步骤2.1具体为：为提高系统的抗干扰能力，对CCM Buck变换器进行平坦控制，该方法是通过期望的平坦输出量对系统所有状态量和控制量进行整体描述。其基本含义为：若是在系统控制过程中可以找到一个平坦输出量y，并可以将状态变量x和控制变量u表示为y及其各阶有限微分的函数，那么该系统是可以微分平坦控制的，即对于如下所示n阶非线性系统：存在y∈R，使得式(9)中，i，j为整数，与γ为标量函数；在进行微分平坦控制前需重新选取合适的平坦输出量、状态变量和控制变量，由上述分析可知，CCM Buck变换器满足反馈精确线性化的充分必要条件，因此可令u＝v，有：将式(10)代入式(1)，可得：根据式(11)可知系统满足微分平坦理论的要求，即有：
将式(13...

【专利技术属性】
技术研发人员：皇金锋，李慧慧，谢锋，
申请(专利权)人：陕西理工大学，
类型：发明
国别省市：