一种分数阶非奇异终端滑模控制方法及装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种分数阶非奇异终端滑模控制方法及装置，采集DC

【技术实现步骤摘要】
一种分数阶非奇异终端滑模控制方法及装置


[0001]本专利技术涉及DC
‑
DC变换器应用的
，尤其是指一种分数阶非奇异终端滑模控制方法及装置。

技术介绍

[0002]目前DC
‑
DC变换器广泛应用于直流微网、电动汽车等领域。这类变换器在工业上常用的控制方法是PI控制和PID控制。这些控制方法的鲁棒性较差，存在动态响应速度慢、输出电压误差较大等问题。
[0003]滑模控制是一种具有较强鲁棒性的非线性控制方法，具有算法简单、对系统的参数及外界的扰动不敏感等优点。所以滑模控制在工业控制中的应用也逐渐广泛。传统的滑模控制，一般会选择线性滑模面，只能使变换器系统的状态变量渐近收敛而不能在有限时间内达到平衡。而且由于滑模控制自身的特点，变换器系统的输出会出现抖振，抖振会使变换器系统的控制效果变差，甚至会引起变换器系统的硬件损坏。

技术实现思路

[0004]本专利技术的第一目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种分数阶非奇异终端滑模控制方法，使变换器系统的状态变量在有限时间内达到平衡并缓解滑模控制的抖振问题，使变换器系统在输入电压突变、负载突变等扰动时有更好的动态性能和鲁棒性。
[0005]本专利技术的第二目的在于提供一种分数阶非奇异终端滑模控制装置。
[0006]本专利技术的第一目的通过以下技术方案实现：一种分数阶非奇异终端滑模控制方法，应用于DC
‑
DC变换器，需配置有电压采样模块、电流采样模块、ADC模块和分数阶非奇异终端滑模控制模块，所述电压采样模块采集DC
‑
DC变换器的输出电压信号，所述电流采样模块采集DC
‑
DC变换器的电感电流信号，所述ADC模块将采集的输出电压和电感电流信号转换为数字信号，所述分数阶非奇异终端滑模控制模块用于控制DC
‑
DC变换器开关管的通断状态；
[0007]所述分数阶非奇异终端滑模控制方法的具体实施包括以下步骤：
[0008]步骤1：通过电压采样模块和电流采样模块分别采集DC
‑
DC变换器的输出电压和电感电流信号，并将采样信号输入ADC模块中；
[0009]步骤2：通过ADC模块将采集的输出电压和电感电流信号转换为数字信号，并将数字信号输入到分数阶非奇异终端滑模控制模块中；
[0010]步骤3：分数阶非奇异终端滑模控制模块根据输出电压和电感电流的数字信号建立变换器系统的数学模型；
[0011]步骤4：依据变换器系统的数学模型进行非线性扰动观测器的设计，利用非线性扰动观测器进行扰动估计；
[0012]步骤5：基于扰动估计值和变换器系统的数学模型设计分数阶非奇异终端滑模面，基于分数阶非奇异终端滑模面设计DC
‑
DC变换器系统的控制律，然后依据李雅普诺夫稳定
性理论判断系统是否稳定；
[0013]步骤6：通过求解DC
‑
DC变换器系统的控制律得到DC
‑
DC变换器开关驱动信号的占空比，输出驱动信号控制DC
‑
DC变换器的开关管通断。
[0014]进一步，在步骤3中，建立的变换器系统的数学模型如下：
[0015][0016]式中，i
L
和v
C
表示变换器的电感电流和输出电压；P表示恒功率负载的功率值；A1,A2,B1,B2,C1,C2分别为变换器系统参数；L表示电感值，C表示变换器电容值；变换器系统的总能量x1表示为：对x1进行求导得到x1的导数然后引入状态变量x2和扰动d1；对x2进行求导得到x2的导数引入过程控制律v和扰动d2；因此，变换器系统的数学模型能够转换为
[0017]进一步，在步骤4中，非线性扰动观测器设计为和式中，z1和z2表示观测器状态变量，和表示观测器状态变量导数，k1和k2表示观测器的增益系数，和表示观测器的扰动估计值；定义扰动估计误差为和表示为
[0018]进一步，在步骤5中，分数阶非奇异终端滑模面和DC
‑
DC变换器的控制律设计如下：
[0019]将系统误差变量定义为将系统误差变量定义为表示为升压变换器总能量参考值，虚拟控制律表示为其中c1为误差系数；设计分数阶非奇异终端滑模面其中，是初始时间为t0、以t为时间变量的α阶RL定义分数阶导数，0＜α＜1；λ，ρ为控制系数，λ＝(g/h)，g和h表示正奇数，1＜λ＜2；sgn(x)是符号函数，x为符号函数的自变量；以x为自变量的函数sgn(x)
λ
可等效为|x|
λ
sgn(x)；基于所设计的分数阶非奇异终端滑模面，控制律v设计为其中，为总能量参考值的二阶导数，为扰动估计值的导数，为误差变量值e1的导数，而m1、m2为控制参数，是初始时间为t0、以t为时间变量的α+1阶RL定义分数阶导数；最后，利用李雅普诺夫稳定性理论判断系统是否稳定，如果判断结果为稳定，则进入下一步骤，如果判断结果为不稳定，则返回报错。
[0020]本专利技术的第二目的通过以下技术方案实现：一种分数阶非奇异终端滑模控制装置，用于实现上述的分数阶非奇异终端滑模控制方法，该装置由电压采样模块、电流采样模块、ADC模块和分数阶非奇异终端滑模控制模块组成；所述电压采样模块与DC
‑
DC变换器的输出电容两端连接；所述电流采样模块与DC
‑
DC变换器的电感串联；所述ADC模块的输入端
分别与电压采样模块和电流采样模块的输出端连接；所述ADC模块的输出端与分数阶非奇异终端滑模控制模块的输入端连接；所述分数阶非奇异终端滑模控制模块的另一端与DC
‑
DC变换器的开关管驱动端连接；所述电压采样模块和电流采样模块分别对输出电压和电感电流进行采样，并将采样信号输入到ADC模块；所述ADC模块将输入的采样信号分别转化为数字信号，并输入分数阶非奇异终端滑模控制模块；所述分数阶非奇异终端滑模控制模块求解控制律得到开关占空比，从而控制DC
‑
DC变换器的开关管导断，实现对DC
‑
DC变换器的控制。
[0021]本专利技术与现有技术相比，具有如下优点与有益效果：
[0022]1、传统的滑模控制方法，一般会选择线性的滑模面，而本专利技术选择了非线性的分数阶非奇异终端滑模面能使变换器系统的状态变量在有限时间内达到平衡。
[0023]2、本专利技术利用了非线性扰动观测器对变换器的输出功率进行估计，所以只需要检测DC
‑
DC变换器的电感电流和输出电压，减少了传感器的使用数量，有利于减小变换器体积和降低成本。
[0024]3、本专利技术还利用了分数阶微分理论对滑模控制中的抖振进行抑制，使变换器系统有更好的动态性能和鲁棒性。
附图说明
[0025]图1为本专利技术实施电路的原理结构图。
[0026]图2为本专利技术实施方法的流程图。
[0027]图3为本专利技术实施具体系本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种分数阶非奇异终端滑模控制方法，应用于DC
‑
DC变换器，其特征在于，需配置有电压采样模块、电流采样模块、ADC模块和分数阶非奇异终端滑模控制模块，所述电压采样模块采集DC
‑
DC变换器的输出电压信号，所述电流采样模块采集DC
‑
DC变换器的电感电流信号，所述ADC模块将采集的输出电压和电感电流信号转换为数字信号，所述分数阶非奇异终端滑模控制模块用于控制DC
‑
DC变换器开关管的通断状态；所述分数阶非奇异终端滑模控制方法的具体实施包括以下步骤：步骤1：通过电压采样模块和电流采样模块分别采集DC
‑
DC变换器的输出电压和电感电流信号，并将采样信号输入ADC模块中；步骤2：通过ADC模块将采集的输出电压和电感电流信号转换为数字信号，并将数字信号输入到分数阶非奇异终端滑模控制模块中；步骤3：分数阶非奇异终端滑模控制模块根据输出电压和电感电流的数字信号建立变换器系统的数学模型；步骤4：依据变换器系统的数学模型进行非线性扰动观测器的设计，利用非线性扰动观测器进行扰动估计；步骤5：基于扰动估计值和变换器系统的数学模型设计分数阶非奇异终端滑模面，基于分数阶非奇异终端滑模面设计DC
‑
DC变换器系统的控制律，然后依据李雅普诺夫稳定性理论判断系统是否稳定；步骤6：通过求解DC
‑
DC变换器系统的控制律得到DC
‑
DC变换器开关驱动信号的占空比，输出驱动信号控制DC
‑
DC变换器的开关管通断。2.根据权利要求1所述的一种分数阶非奇异终端滑模控制方法，其特征在于，在步骤3中，建立的变换器系统的数学模型如下：式中，i
L
和v
C
表示变换器的电感电流和输出电压；P表示恒功率负载的功率值；A1,A2,B1,B2,C1,C2分别为变换器系统参数；L表示电感值，C表示变换器电容值；变换器系统的总能量x1表示为：对x1进行求导得到x1的导数然后引入状态变量x2和扰动d1；对x2进行求导得到x2的导数引入过程控制律v和扰动d2；因此，变换器系统的数学模型能够转换为3.根据权利要求2所述的一种分数阶非奇异终端滑模控制方法，其特征在于，在步骤4中，非线性扰动观测器设计为和式中，z1和z2表...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈艳峰，苏泳，张波，丘东元，谢帆，肖文勋，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：