一种逆解耦自适应滑模控制方法技术

本发明专利技术属于带恒功率负载(Constant power load，CPL)多电平DC

【技术实现步骤摘要】
一种逆解耦自适应滑模控制方法


[0001]本专利技术属于带恒功率负载(Constant power load，CPL)多电平DC
‑
DC(Multilevel DC
‑
DC，MD)Buck变换器的鲁棒控制技术范畴，具体涉及一种逆解耦自适应滑模控制方法。

技术介绍

[0002]多电平DC
‑
DC(Multilevel DC
‑
DC，MD)变换器因较传统两电平DC
‑
DC变换器具有更低的电压应力、更多的电平输出、更小的滤波体积等优点，已逐渐在低压、低功率领域得到了应用与研究。为使MD变换器能正常工作且具有良好工作性能，保证飞跨电容(Flying capacitor，FC)电压稳定至各自平衡值极其关键。然而，MD变换器属于一类多输入多输出、强耦合的非线性系统，不仅开关数量众多，工作模态繁杂，且输出电压与FC电压之间存在强耦合作用，给FC电压的平衡及系统的解耦控制带来挑战。为了解决上述问题，现有文献的处理方法可大致分为三类，即增加外部电路方法、线性解耦法和精确反馈线性化(Exact feedback linearization，EFL)解耦法。
[0003]对于增加外部电路方法，文献“STALA R.The switch
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mode flying
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capacitor DC
‑
DC converters with improved natural balancing[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics，2010，57(4)：1369
‑
1382”提出了增强型FC电压平衡方法，该法通过在原拓扑上增加外围电路以达到改善FC电压平衡的目标。
[0004]文献“DELMAS L,GATEAU G,MEYNARD T.Stacked multicell converter:control and natural balancing[C]//IEEE 33rd Annual Power Electronics Specialists Conference,Australia，2002：689
‑
694”提出了并联RLC谐振电路控制方案，该方案通过在变换器输出端并联接入RLC谐振电路，从而加快FC电压的调节速度。增加外部电路法增加了系统的体积和损耗，难以兼顾FC电压和输出电压的耦合性，加大了系统的控制难度。为此，线性解耦法被提出。
[0005]文献“张元媛，阮新波.多电平直流变换器中飞跨电容电压的一种控制策略[J].中国电机工程学报，2004，24(08)：37
‑
41”对MD Buck变换器提出了一种平衡控制策略，该策略通过线性解耦矩阵实现了FC电压和输出电压的解耦，进而设计比例
‑
积分控制器，提高了系统稳定性。
[0006]文献“SUN R Y，WU X H，LI W L，et al.Equivalent sliding mode control for multi
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level buck converter[C]//IEEE International Conference on Aircraft Utility Systems.Beijing，China，2016：460
‑
465”对MD Buck变换器提出了等效滑模控制方法，先采用线性解耦矩阵实现系统解耦，再分别设计等效滑模控制器，提高了系统的控制效果。然而，线性解耦控制方法建立在小信号模型基础上，难以满足现有应用对更高控制性能和更强鲁棒性的要求。为了克服上述缺陷，基于EFL的解耦控制方法被提出。
[0007]文献“WU Jiarong，LU Yimin.Decoupling and optimal control of multilevel buck DC
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DC converters with inverse system theory[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics，2020，67(9)：7861
‑
7870”对MD Buck变换器提出了EFL控制方案，
在实现系统解耦的基础上，采用最优控制技术提高系统的动态性能。
[0008]文献“CAI Pei，WU Xiaohua，SUN Runyu.Exact feedback linearization of general four
‑
level buck DC
‑
DC converters[C]//29th Chinese Control and Decision Conference.Chongqing，China，2017：4638
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4643”对四电平Buck变换器提出了EFL控制方法，实现了FC电压与输出电压的解耦，降低了控制器的设计难度。然而，EFL方法对被控对象的精确数学模型具有强依赖性。
[0009]滑模控制(Sliding mode control，SMC)对系统不确定性、外界干扰和未建模动态具有强鲁棒性，能有效克服EFL方法的上述缺陷。然而，SMC的切换增益大小需视不确定性的上界值而定，这难以在系统实际运行中进行估量，导致系统的稳定难以维持。此外，随着电力电子应用的推广，大量的电子负载连接到MD变换器上。当电子负载输出功率恒定时，该类负载可视为恒功率负载(Constant power load，CPL)。CPL的负阻抗特性不仅会增加系统的非线性，还会严重减小系统的阻尼系数，给带CPL MD变换器的稳定控制带来困难。现有研究对MD变换器的研究仍停留在输出端仅接有纯电阻负载的情形，难以满足同时为多种不同类型负载供电的需求。
[0010]线性解耦比例积分控制(Linear decoupling proportional integral control，LD
‑
PIC)，作为广泛应用的现有技术，该策略通过线性解耦矩阵实现了FC电压和输出电压的解耦，进而设计比例
‑
积分控制器，提高了系统稳定性。具体实现过程于文献“张元媛，阮新波.多电平直流变换器中飞跨电容电压的一种控制策略[J].中国电机工程学报，2004，24(08)：37
‑
41”。但是，线性解耦控制方法建立在小信号模型基础上，难以满足现有应用对更高控制性能和更强鲁棒性的要求。
[0011]为了解决带CPL MD Buck变换器的飞跨电容电压的平衡问题及飞跨电容电压与输出电压的解耦难题，本专利技术提出一种逆解耦自适应滑模控制方法，可以抵消了CPL的负阻抗特性影响，有效提高了变换器的稳定性能，并且具有更强的抗干扰性和鲁棒性以及更好的控制性能。
[0012]公开于该
技术介绍
部分的信息仅仅旨在增加对本专利技术的总本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种逆解耦自适应滑模控制方法，其特征在于，包括如下步骤：S1：建立带恒功率负载多电平DC
‑
DC Buck变换器的非线性数学模型，采用逆系统方法验证系统的可逆性，并推导出逆系统表达式；S2：将系统线性化解耦为多个伪线性子系统，抵消负阻抗特性的影响；S3：引入自适应机制实时更新滑模切换增益，分别为子系统设计自适应滑模控制器；S4：基于李雅普诺夫理论验证闭环系统的稳定性和鲁棒性；S5：与现有控制方法进行仿真比较，验证逆解耦自适应滑模控制方法具有更强的鲁棒性和更好的优越性；S6：搭建原理样机。2.根据权利要求1所述的逆解耦自适应滑模控制方法，其特征在于，步骤S1中以(v
Ck
，i
L
，v
o
)为状态变量，以d＝(d1，
…
，d
k
，
…
，d
p
‑1，d
p
)为输入变量，采用状态空间平均建模法建立的带恒功率负载多电平DC
‑
DC Buck变换器的非线性数学模型为其中，v
Ck
为C
k
两端电压，i
L
为电感电流，d
k
为Q
k
的占空比，R，L，C分别为电阻、电感和电容；P为恒功率负载的功率，基本单元由开关管Q
k
、二极管D
k
和飞跨电容C
k
组成，且Q
k
和D
k
互不导通；对于C
k
，k＝1,2,
…
,p
‑
1；而对于Q
k
和D
k
，k＝1,2,
…
,p；带恒功率负载多电平DC
‑
DC Buck变换器由p个基本单元串联组成，包含有p个开关管，p个二极管和p
‑
1个飞跨电容；理想状态下，p个开关管占空比相等，均为d，且相位依次相差2π/p导通，此时FC电压平衡于kV
in
/p，输出电压v
o
＝d
×
V
in
，其中V
in
为输入电压；为使系统具有良好的跟踪效果，分别取FC电压和输出电压作为输出函数，即对由FC电压和输出电压作...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴家荣，莫名贵，张萱，杨林，李建军，韦赐镇，韦元兵，
申请(专利权)人：广西民族大学，
类型：发明
国别省市：