本发明专利技术公开了一种基于指数型吸引律的直流降压变换器数字控制器设计方法；采用离散指数型吸引律对收敛速度进行控制并消除系统颤振；利用复合型干扰补偿器对直流降压变换器的系统干扰进行估计和补偿；基于离散指数型吸引律和复合型干扰补偿器构造具有干扰补偿作用的理想误差动态；依据理想误差动态设计数字控制器，将计算获得的控制信号作为直流降压变换器的控制输入，使直流降压变换器的输出电压跟随给定参考信号变化。具体的控制器参数整定工作可依据系统收敛性能和稳态性能的指标进行，且给出了表征直流降压变换器收敛性能和稳态性能的绝对吸引层和稳态误差带边界。本发明专利技术提供的数字控制器设计方法，采用复合型干扰补偿器，通过抑制干扰提高跟踪精度和有效降低输出电压纹波，兼有消除系统颤振和快速收敛的控制效果。效果。效果。
【技术实现步骤摘要】
基于指数型吸引律的直流降压变换器数字控制器设计方法
[0001]本专利技术涉及一种基于指数型吸引律的直流降压变换器数字控制器设计方法，该方法适于降压型直流电源，也适用于工业控制中的DC
‑
DC电源。
技术介绍
[0002]Buck型变换器是一种实现直流降压功能的电力电子设备。由于Buck型变换器具有系统结构简单、轻便、可靠以及稳定等优点，目前在电动汽车充电、新能源发电以及直流电机驱动等工业领域得到广泛应用。
[0003]常规的Buck型变换器控制器常采用线性比例
‑
积分
‑
微分(PID)控制方法，但由于Buck型变换器存在输入电压变动、输出负载突变和系统模型参数摄动等扰动，很难实现高性能控制。滑模变结构控制是常用的非线性控制方法，具有实现简单、系统响应快和鲁棒性强等优点。然而滑模变结构控制存在固有的颤振问题，将其作用于Buck型变换器中会使得系统输出电压的纹波变大。因此，如何减小系统颤振和稳态误差是滑模变结构控制的一个研究重点。
[0004]滑模变结构趋近律方法采用等式形式的到达条件，系统动态响应过程分为趋近过程与滑动模态过程，其稳定性能与收敛性能由具体的趋近律形式和切换函数所决定。吸引律方法直接采用跟踪误差信号，能够使系统跟踪误差在有限时间内直接趋近原点，不同于使得切换函数趋近切换面的趋近律。这样给出的闭环系统不存在滑动模态，因而无需设计滑模面，控制器设计变得更为直观、简洁。闭环系统的动态响应过程仅由吸引律所决定。考虑实际系统存在各种干扰，将干扰抑制措施“嵌入”到吸引律中，构造出具有干扰抑制能力的理想误差动态。依据理想误差动态设计离散时间控制器，使得闭环系统具有理想误差动态所刻画的误差动态特性，从而提高控制系统抗干扰能力和跟踪性能。
[0005]Buck型变换器存在各种干扰信号，例如负载突变以及输入电压变动等，需要对各种干扰信号进行有效估计、补偿处理。目前常用的干扰补偿抑制方法是一种“一步延迟干扰估计”技术。该技术能对常值/慢时变扰动起到有效补偿抑制作用。但此处理方法会存在量测噪声放大问题，且对于慢时变干扰也存在一步滞后补偿问题，从而会降低Buck型变换器的控制精度以及干扰抑制性能。因此，如何有效提高Buck型变换器的干扰抑制能力以及降低输出电压纹波(减小稳态误差)是控制器设计需要关注的焦点问题，也是亟待解决的难题。
技术实现思路
[0006]为了克服现有控制方法存在输出电压纹波大以及噪声放大等问题，本专利技术提供了一种基于指数型吸引律的直流降压变换器数字控制器设计方法。将复合型干扰抑制措施嵌入到吸引律中，以便构建具有扰动抑制能力的理想误差动态，可有效抑制噪声和模型非线性等各种干扰。采用复合型干扰抑制策略的Buck型变换器数字控制技术能够实现精确的参考信号跟踪任务，并具有抗干扰能力和有效降低输出电压纹波。
[0007]本专利技术解决上述技术问题采用的技术方案是：基于指数型吸引律的直流降压变换器数字控制器设计方法，包括如下步骤：
[0008]步骤(1)：建立直流降压变换器控制系统的数学模型；
[0009]步骤(2)：构造离散指数型吸引律；
[0010]步骤(3)：复合型干扰补偿器；
[0011]步骤(4)：基于理想误差动态设计控制器；
[0012]步骤(5)：将当前的控制变量作为直流降压变换器的控制命令，使直流降压变换器跟随参考信号变化。
[0013]进一步的，所述步骤(1)具体如下：
[0014]建立直流降压变换器控制系统的数学模型为：
[0015][0016]其中，V
k+1
,V
k
,V
k
‑1为直流降压变换器第k+1，k，k
‑
1时刻的输出电压，u
k
表示直流降压变换器第k时刻的控制输入信号，T
s
为功率开关管的开关周期，R，L，C分别为直流降压变换器的负载电阻、电感和电容；V
in
为输入电压信号；w
k+1
为第k+1时刻的系统总干扰信号；
[0017]进一步的，所述步骤(2)具体如下：
[0018]构造离散指数型吸引律
[0019][0020]其中，e
k
＝r
k
‑
V
k
为第k时刻的系统跟踪误差，r
k
为第k时刻的给定参考信号，V
k
为第k时刻的系统实际输出信号；φ＞0,λ＞0,ε＞0为跟踪误差的收敛速度参数；为单调减函数且当|e
k
|较大时，即离原点较远处，式(2)中的趋向于0且趋向于1从而加快系统的收敛速度；当|e
k
|较小时，即离原点附近，式(2)中的趋向于1且趋向于0，符号函数的系数趋向于0，从而消除系统颤振。
[0021]进一步的，所述步骤(3)具体如下：
[0022]为了提高系统抗干扰能力，将复合型干扰补偿措施嵌入到吸引律(2)中，构造具有干扰补偿作用的理想误差动态
[0023][0024]其中，为基于一步延迟干扰估计技术和扩展状态观测技术的复合型干扰补偿器，且满足
[0025][0026]式(4)中的w
k
为一步延迟干扰估计值，且
[0027][0028]式(4)中的为扩展状态观测值，且
[0029][0030]其中，分别为第k+1，k，k
‑
1时刻的系统干扰观测值；分别为直流降压变换器第k+1，k，k
‑
1，k
‑
2时刻的输出电压观测值；u
k
,u
k
‑1分别表示直流降压变换器第k和k
‑
1时刻的控制输入信号；复合型干扰补偿误差满足其中Δ为复合型干扰补偿误差的上确界。
[0031]进一步的，所述步骤(4)具体如下：
[0032]将式(1)代入式(3)，可得直流降压变换器的数字控制器的表达式为
[0033][0034]进一步的，所述步骤(5)具体如下：将u
k
作为直流降压变换器的控制输入信号，可量测获得直流降压变换器的电压输出信号V
k
跟随参考信号r
k
变化，系统跟踪误差的动态行为由式(3)表征。
[0035]进一步的，为表征吸引律的收敛性能和稳态性能，本专利技术给出绝对吸引层边界和稳态误差带边界这两个指标的表达式；这两个指标可用于指导控制器参数整定，其中绝对吸引层边界和稳态误差带边界的定义如下：
[0036]1)绝对吸引层边界Δ
AAL
[0037]|e
k+1
|＜|e
k
|，当|e
k
|＞Δ
AAL
ꢀꢀꢀ
(8)
[0038]2)稳态误差带边界Δ
SSE
[0039]|e
k+1
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【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种基于指数型吸引律的直流降压变换器数字控制器设计方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤(1)：建立直流降压变换器控制系统的数学模型；步骤(2)：构造离散指数型吸引律；步骤(3)：复合型干扰补偿策略；步骤(4)：基于理想误差动态设计控制器；步骤(5)：将当前的控制变量作为直流降压变换器的控制命令，使直流降压变换器跟随参考信号变化；所述步骤(1)具体如下：建立直流降压变换器控制系统的数学模型为：其中，V
k+1
,V
k
,V
k
‑1分别是直流降压变换器第k+1，k，k
‑
1时刻的输出电压，u
k
是直流降压变换器第k时刻的控制输入信号，T
s
表示功率开关管的开关周期，R，L，C分别为直流降压变换器的负载电阻、电感和电容；V
in
为输入电压信号；w
k+1
为第k+1时刻的系统总干扰信号；所述步骤(2)具体如下：构造离散指数型吸引律其中，e
k
＝r
k
‑
V
k
为第k时刻的系统跟踪误差，r
k
为第k时刻的给定参考信号，V
k
为第k时刻直流降压变换器的实际电压输出信号；φ＞0,λ＞0,ε＞0为跟踪误差的收敛速度参数；为单调减函数且当|e
k
|较大时，即离原点较远处，式(2)中的趋向于0且趋向于1从而加快系统的收敛速度；当|e
k
|较小时，即离原点附近，式(2)中的趋向于1且趋向于0，符号函数的系数趋向于0，从而消除系统颤振；所述步骤(3)具体如下：将复合型干扰补偿措施嵌入到吸引律(2)中，构造具有干扰补偿作用的理想误差动态：其中，为基于一步延迟干扰估计技术和扩展状态观测技术的复合型干扰补偿器，且满足式(4)中的w
k
为一步延迟干扰估计值，且式(4)中的为扩展状态观测值，且
...
【专利技术属性】
技术研发人员：朱莺莺，邬玲伟，梅盼，林志明，雷必成，
申请(专利权)人：台州学院，
类型：发明
国别省市：
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