船舶脉冲功率负载制造技术

一种船舶脉冲功率负载

【技术实现步骤摘要】
船舶脉冲功率负载Buck变换器自适应阻尼比控制方法


[0001]本专利技术涉及的是一种船舶控制领域的技术，具体是一种船舶脉冲功率负载
Buck
变换器自适应阻尼比控制方法
。

技术介绍

[0002]船舶脉冲功率负载具有瞬时功率阶跃
、
连续周期性工作的特点，运行时会造成接口变换器输出电压的瞬时跌落和持续扰动
。
因此，变换器控制是实现输出电压快速调节的关键
。
采用线性控制方法时变换器的电压调节性能随着稳态运行点发生偏移，无法满足快速电压调节的控制需求；采用非线性控制方法时，提高输出电压调节性能的同时带来了控制参数依赖，而且难以进行开环截止频率设计来降低输出电压的静态误差
。

技术实现思路

[0003]本专利技术针对现有技术存在的上述不足，提出一种船舶脉冲功率负载
Buck
变换器自适应阻尼比控制方法，实现脉冲功率负载引起变换器输出电压瞬时跌落和持续扰动后的快速电压调节
。
通过引入类电压环消除了时变的输入和占空比的非线性饱和，建立输出电压与其参考值的单输入单输出二阶系统，将不确定负载扰动的控制问题转化为二阶系统的阻尼比控制问题，使得输出电压的响应性能能够直接通过阻尼比实现精确调节，不依赖于控制参数，且对输入电压扰动具有抑制作用
。
此外，本专利技术能够在不影响电压调节性能的前提下，通过附加占空比调节实现并联变换器的均流控制
。
[0004]本专利技术是通过以下技术方案实现的：
[0005]本专利技术涉及一种船舶脉冲功率负载
Buck
变换器自适应阻尼比控制方法，包括以下步骤：
[0006]步骤
1)
建立并联
Buck
变换器的单输入单输出闭环控制系统，得到初始阻尼比和自然振荡频率；
[0007]步骤
2)
进行暂态响应设计，通过控制参数设计实现自适应阻尼比调节，将初始阻尼比调节至理想阻尼比，并分析输出电压初始值对暂态响应的影响；
[0008]步骤
3)
进行稳态响应设计，通过开环截止频率设计限制控制参数的取值上限，并得到实现输出电压调节的优化占空比；
[0009]步骤
4)
根据步骤2和步骤3得到的控制参数取值，进行控制稳定性的验证；
[0010]步骤
5)
对步骤
3)
得到的优化占空比进行附加调节，得到同时考虑电压调节和均流控制的最终占空比，实现并联变换器的均流控制
。
技术效果
[0011]与现有技术相比，本专利技术将不确定负载扰动的控制问题转化为阻尼比控制问题，使得输出电压的暂态响应性能能够直接通过阻尼比实现精确调节，对不确定变化负载具有适用性且没有参数依赖
。
本专利技术控制设计利用占空比的非线性饱和，保证输出电压趋近参考值时具有更大的自然振荡频率，有利于降低输出电压初始状态对暂态响应的影响，同时
提升了抗输入电压扰动能力
。
本专利技术通过开环截止频率和开环增益设计，有效抑制稳态过程输出电压的扰动并降低静态误差
。
此外，不同负载功率下并联变换器均能保证良好的输出电流均衡
。
附图说明
[0012]图1为本专利技术流程图；
[0013]图2为双闭环控制示意图；
[0014]图3为二阶系统框图示意图；
[0015]图4为不同阻尼比下的阶跃响应示意图；
[0016]图5为
K
vi
与
ω
n
随着
v
o
变化的动态曲线示意图；
[0017]图6为单输入单输出的
s
域闭环系统示意图；
[0018]图7为输入电压扰动下的输出电压示意图；
[0019]图8为开环传递函数
G
o
(s)
的
Bode
图示意图；
[0020]图9为暂态和稳态的输出电压示意图；
[0021]图
10
为硬件实验平台示意图；
[0022]图
11
为并联变换器的暂态响应示意图；
[0023]图中：
(a)
变换器输出电压示意图，
(b)
脉冲功率负载功率阶跃示意图；
[0024]图
12
为并联变换器的输出电流示意图；
[0025]图中：
(a)
考虑均流控制示意图，
(b)
未考虑均流控制示意图；
[0026]图
13
为脉冲功率负载功率阶跃的暂态响应示意图；
[0027]图中：
(a)
变换器输出电压示意图，
(b)
输出电流示意图
。
具体实施方式
[0028]如图1所示，为本实施例涉及一种适用于船舶脉冲功率负载
Buck
变换器自适应阻尼比控制方法，具体包括：
[0029]步骤
1)
建立并联
Buck
变变换器的单输入单输出闭环控制系统，并得到初始阻尼比和自然振荡频率
。
[0030]所述的并联
Buck
变换器动态过程为：其中：
v
s
和
v
o
为第
i
个变换器的输入电压和输出电压，
i
Li
和
i
oi
为第
i
个变换器的电感电流和输出电流；
s
i
为门极器件的控制信号，对应占空比为
d
i
；
L
i
和
C
i
是支路电感和输出电容，
R
i
表示输出端等效电阻，共
m
个
Buck
变换器并联
。
根据并联变换器的输出电流平衡得到其中：
R
为输出端的总等效电阻，
[0031]如图2所示，电压外环通过
v
o
与其参考值的偏差
e
v
(t)
生成电感电流参考值电流内环通过电流偏差
e
i
(t)
生成
PWM
信号
。
通过对电压环求导得到如图3的类电压环，类电
压环的输出由转为其导数对并联
Buck
变换器动态过程中
v
o
二阶求导并代入得到转化的二阶系统
。
[0032]所述的转化的二阶系统的输出端不确定负载
R
i
，除去特定类型难以精确预测
。
类比于变换器的小信号模本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种船舶脉冲功率负载
Buck
变换器自适应阻尼比控制方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤
1)
建立并联
Buck
变换器的单输入单输出闭环控制系统，得到初始阻尼比和自然振荡频率；步骤
2)
进行暂态响应设计，通过控制参数设计实现自适应阻尼比调节，将初始阻尼比调节至理想阻尼比，并分析输出电压初始值对暂态响应的影响；步骤
3)
进行稳态响应设计，通过开环截止频率设计限制控制参数的取值上限，并得到实现输出电压调节的优化占空比；步骤
4)
根据步骤2和步骤3得到的控制参数取值，进行控制稳定性的验证；步骤
5)
对步骤
3)
得到的优化占空比进行附加调节，得到同时考虑电压调节和均流控制的最终占空比，实现并联变换器的均流控制
。2.
根据权利要求1所述的船舶脉冲功率负载
Buck
变换器自适应阻尼比控制方法，其特征是，所述的并联
Buck
变换器动态过程为：其中：
v
s
和
v
o
为第
i
个变换器的输入电压和输出电压，
i
Li
和
i
oi
为第
i
个变换器的电感电流和输出电流；
s
i
为门极器件的控制信号，对应占空比为
d
i
；
L
i
和
C
i
是支路电感和输出电容，
R
i
表示输出端等效电阻，共
m
个
Buck
变换器并联，根据并联变换器的输出电流平衡得到其中：
R
为输出端的总等效电阻，电压外环通过
v
o
与其参考值的偏差
e
v
(t)
生成电感电流参考值电流内环通过电流偏差
e
i
(t)
生成
PWM
信号，通过对电压环求导得到类电压环，类电压环的输出由转为其导数对并联
Buck
变换器动态过程中
v
o
二阶求导并代入得到转化的二阶系统；所述的转化的二阶系统的输出端不确定负载
R
i
，除去特定类型难以精确预测，其对输出端负载的处理为：在一至数个控制周期中，
R
i
保持恒定并由
R
i
＝
v
o
/i
oi
获得，将实际负载与
R
i
的误差视为响应至输出电压的扰动项
ε
v
，通过控制方法的高频段衰减进行抑制；推导得到转化的二阶系统的类电压环表示即存在
K
vi
和
K
vp
能够将转换为与
v
o
和相关的受控源，以及第
i
个变换器输出电压的时域表达式由于并联变换器的
v
s
和
v
o
相同，为了保证电感电压变化范围相同，各变换器取得相同的
K
vi
和
K
vp
，因此，并联变换器输出电压的时域表达式通过类电压环转换，建立输出电压与其参考值的二阶方程，消除了时变的输入电压，并将占空比的非线性饱和映射至
K
vi
和
K
vp
的取值范围
。
3.
根据权利要求1或2所述的船舶脉冲功率负载
Buck
变换器自适应阻尼比控制方法，其特征是，步骤1中建立的单输入单输出闭环控制系统满足：系统的动态特性由决定，其中：
ζ
为阻尼比，
ω
n
为自然振荡频率，
ω
n
随着
K
vi
增加而增加，相同阻尼比下具有更快的动态响应；
ζ
随着
K
vi
增加而减小，响应过程会增加超调振荡的可能性
。4.
根据权利要求1所述的船舶脉冲功率负载
Buck
变换器自适应阻尼比控制方法，其特征是，所述的步骤2具体包括：
2.1)
阻尼比的自适应调节：对于单输入单输出
(v
o
)
二阶系统，当
ζ
<1
时系统欠阻尼，输入幅值为的阶跃响应会出现超调和振荡；当
ζ
>1
时系统过阻尼，响应调节时间随着阻尼比变大而增加；当
ζ
＝1时系统处于临界阻尼，可实现快速平滑的阶跃响应，对于不确定变化负载，恒定的
K
vi
和
K
vp
会使得系统欠阻尼或过阻尼，无法保证暂态过程输出电压快速平滑地调节至参考值，另一方面，
K
vp
本质上表现为系统的微分负反馈控制，不改变自然振荡频率
ω
n
下可实现阻尼比的动态调节，通过
K
vi
和
K
vp
的参数设计，可将
ζ
调节至理想阻尼比
ζ
*
＝1，实现自适应阻尼比控制；
2.2)
控制参数设计是指：系统的开环增益
G
K
＝
ω
n
/2
ζ
随着
K
vi
增大而增大，并在
K
vp
＝0时取得最大值，增加
K
vi
有利于提高响应性能并降低静态误差；将
K
vi
初始化为最大值以获得高开环增益，初始阻尼比为
ζ0＝
1/(2RC
ω
n
)
；为了将初始阻尼比
ζ0调节至理想阻尼比
ζ
*
＝1，
K
vp
的取值为当
ζ0≥
ζ
*
，无需引入微分负反馈控制
K
vp
，此时阻尼比已无向下调节范围；若
ζ0＜
ζ
*
，通过
K
vp
将阻尼比调节至
ζ
*
；
2.3)
输出电压初始值对暂态响应的影响：暂态过程输出电压的初始状态不为零，需分析初始状态对暂态响应的影响，当系统的阻尼比通过
K
vi
和
K
vp
调节至理想阻尼比
ζ
*
＝1时，采用时域分析暂态响应，得到时域解其中：变量带
(t)
表示
t
时刻的值，
t
n
为第
n
个控制周期的时间，
v
o
(t0)
和分别为初始零时刻的
v
o
和得益于占空比的非线性饱和，
ω
n
随着
v
o
趋近不断增加，对于动态增加的
ω

【专利技术属性】
技术研发人员：黄文焘，林周宏，姚宇豪，邰能灵，余墨多，王杰，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：