一种直流升压变换器系统先进控制方法
【专利摘要】本发明公开一种直流升压变换器系统先进控制方法，适用于在直流升压变换器系统的高精度控制，该方法基于扩张状态观测器和有限时间控制技术，采取电流跟踪方式，首先对电压变化和电阻负载扰动分别通过设计两个扩张状态观测器来观测扰动，在此基础上设计有限时间控制器从而得到复合控制器来控制直流升压变换器系统在有电压变化和负载电阻扰动情况下能够快速的高精度跟踪目标电压，该方法实现简单，参数调节较少，不但可以提高直流升压变换器系统快速跟踪参考信号的目的，而且可以有效地减小电力电子直流升压变换器稳态波动，满足高性能电力电子升压变换器系统的应用。
【专利说明】一种直流升压变换器系统先进控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及电力电子直流升压变换器系统，尤其涉及一种基于扩张状态观测器和 有限时间控制技术的直流升压变换器系统控制方法。
【背景技术】
[0002] 随着现代科学技术的飞速发展，特别是电力电子技术、微电子技术、数字控制技术 和现代控制理论的巨大进步，为电力电子直流开关电源系统的发展创造了有利条件，特别 是在机器人、精密雷达、军用武器、新能源光伏系统等对直流开关电源控制性能要求越来越 高的领域，直流变换器系统受到越来越多的关注。
[0003] 目前，直流升压电力电子变换器系统多采用双闭环的控制结构，即内环为电流控 制环，外环为电压控制环。控制器多采用PI调节器。其中电流环的作用是提高系统的快速 性，及时抑制电流内部的干扰；电压环的作用是提高系统抗负载扰动的能力，抑制电压稳态 波动。
[0004] 在实际直流供电设备中，由于直流变换器系统的工作场合大多要求输出电压精度 相当高，而且要求能够快速适应各种不同的工况，但是由于目前采用的PI控制器当系统工 作在不同的工况下，例如在有扰动的情况下主要是利用积分来消除扰动对输出电压带来的 影响，是一种被动且速度较慢的控制方式，特别是在系统遇到快速时变或者周期性的扰动 时很难快速地跟踪给定电压，这些扰动主要包括负载波动，电压输入变化等。如果控制器不 对这些扰动快速主动进行处理，则闭环系统很难达到快速且高精度电压输出性能。因此在 直流升压电力电子变换器系统存在扰动的情况下，系统能够及时地对扰动进行处理，就能 够进一步提高电力电子变换器系统的跟踪速度和精度，满足电力电子系统在高精度电压输 出工作领域的应用。
[0005] 为了能够及时对系统扰动进行处理，提高电力电子直流升压变换器系统的跟踪 精度，国内外学者进行了大量的研究。文献（乐江源，谢运祥，洪庆祖等.Boost变换 器精确反馈线性化滑模变结构控制[J].中国电机工程学报，2011,31 (30):16-23.设 计了基于精确反馈线性化的Boost变换器滑模变结构控制方法，通过精确反馈线性化方 法将原系统简化成线性系统，设计滑模变结构控制器，但是该方法只考虑单一扰动且没 考虑输入电压波动情况下的控制器设计，针对直流升压电力电子变换器控制系统系统， 文献(Said Oucheriah, Liping Guo. PWM-based adaptive sliding-mode control for boost DC - DC converters (J). IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2013, vol. 60, no. 8, pp. 3291-3294.)提出了利用自适应规律设计状态观测器，抑制负载扰动和 外部输入电压变化，实验结果表明，该方案能够及时地对扰动进行处理，达到较高的跟踪精 度。
【发明内容】
[0006] 本发明的目的在于针对直流升压变换器的负载扰动和输入电压变化，提供一种直 流升压变换器系统先进控制方法，该方法基于扩张状态观测器和有限时间技术，实现对直 流升压变换器系统给定电压跟踪的快速性和准确性。
[0007] 本发明具体采用如下技术方案：
[0008] -种基于扩张状态观测器和有限时间控制技术的直流升压变换器系统控制方法， 其特征在于：
[0009] 步骤一：建立直流升压变换器的模型，以系统的电感电流、电容电压为状态变量， 依靠时间平均技术，将时变、非线性的开关电路转换为等效的时不变、线性的连续电路，由 此对开关变换器进行大信号瞬态分析，建立系统的状态空间平均模型；
[0010] 步骤二：对直流升压变换器的输入电压波动和负载电阻变化分别设计扩张状态观 测器，对输入电压波动和负载电阻变化进行估计；
[0011] 步骤三：在已设计的扩张状态观测器的基础上，基于系统的非最小相位特性，选择 电感电流作为输出进行控制，在考虑负载电阻变化和输入电压波动的情况下设计有限时间 控制器，利用得到的复合控制器实现目标电压的快速、高精度跟踪。
[0012] 本发明具有以下有益结果：
[0013] 本发明方法将扩张状态观测器和有限时间控制技术结合的复合控制器应用于直 流升压变换器，首先利用扩张状态观测器技术在实验中采集的电压、电流状态信息基础上 对扰动进行估计，得到系统中存在的负载扰动和输入电压扰动估计信息后，利用有限时间 控制技术设计出复合控制器，在保证系统动态性能的情况下，可以明显地抑制负载变化和 输入电压波动引起的扰动，从而大大提高直流升压变换器的跟踪的速度和精度。
[0014] 基于扩张状态观测器和有限时间控制技术的控制方法应用于直流升压变换器系 统，在保证原动态性能的情况下，可以明显提高直流升压变化系统的抗扰性能和跟踪性能， 满足直流升压变换器在高精度领域的应用，工程人员只需要较少的调节控制器的参数，与 现有的技术相比，具有设计原理简单，易于实现，参数调节相对简单，在确保动态性能的基 础上对升压变换器的快速性和精确性明显改善，对负载扰动和输入电压波动都有良好的抑 制性等优点，具有很好的应用价值。
【专利附图】
【附图说明】
[0015] 图1为本发明方法的控制框图；
[0016] 图2为本发明方法的原理图；
[0017] 图3为扩张状态观测器结构图；
[0018] 图4A为在FTC+ES0复合控制器和P+ES0控制器下负载电阻由100 Ω突变为50 Ω 时的直流升压变换器系统输出电压响应实验对比图；
[0019] 图4B为在FTC+ES0复合控制器和P+ES0控制器下负载电阻由100 Ω突变为50 Ω 时的直流升压变换器系统输出电流响应实验对比图；
[0020] 图4C为在FTC+ES0复合控制器和P+ES0控制器下负载电阻由100 Ω突变为50 Ω 时的直流升压变换器系统输出控制量响应实验对比图；
[0021] 图5A为在FTC+ES0复合控制器和P+ES0控制器下输入电压由6V波动至5V时的 直流升压变换器系统输出电压响应实验对比图；
[0022] 图5B为在FTC+ES0复合控制器和P+ES0控制器下输入电压由6V波动至5V时的 直流升压变换器系统输出电流响应实验对比图；
[0023] 图5C为在FTC+ES0复合控制器和P+ES0控制器下输入电压由6V波动至5V时的 直流升压变换器系统输出控制量响应实验对比图；
[0024] 图6为直流升压变换器平台实物图。
【具体实施方式】
[0025] 下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例在发明技术方案为前提下 进行实施，给出了详细的实施方式和具体实施过程，但本发明的保护范围不限于下述的实 例。
[0026]步骤一：
[0027] 如图1所示结构图，建立一个直流升压变换器的基本结构图，Uin为输入电压，L 为输入端电感，k为电感电流，D为二极管，T为开关管，C为输出端电容，R为负载电阻，u 为开关管T的控制量输入即控制器输出，u。为输出电压，利用电流电压传感器采集输出 电压和电感电流信号，反馈到DAQ板卡，在上位机LabVIEW中进行控制算法运算得到控制量 输出，经PWM驱动模块控制开关管实现对升压变化器的闭环控制，实现输出电压u。对参考 电压\的跟踪。以系统的电感电流、电容电压为状态变量，依靠时间平均技术，考虑其强 非线性的开关特性，采用连续建模法中的状态空间平均法将状态变量加权平均，将时变、非 线性的开关电路转换为等效的时不变、线性的连续电路，由此可对开关变换器进行大信号 瞬态分析，建立系统的状态空间平均模型。
[0028] 以开关管的两种状态，建立升压变换器的模型：
[0029] 开关管T关断时，控制量输入u = 0,电感电流k通过二极管D向输出侧流动，电 源功率和电感的储能向负载和电容转移，给电容充电。此时，加在电感上的电压为u in-u。， 因 u。〉Uin，故L线性减小，iR为电阻电流，i。为电容电流，
【权利要求】
1. 一种直流升压变换器系统控制方法，其特征在于： 步骤一：建立直流升压变换器的模型，以系统的电感电流、电容电压为状态变量，依靠 时间平均技术，将时变、非线性的开关电路转换为等效的时不变、线性的连续电路，由此对 开关变换器进行大信号瞬态分析，建立系统的状态空间平均模型； 步骤二：对直流升压变换器的输入电压波动和负载电阻变化分别设计扩张状态观测 器，对输入电压波动和负载电阻变化进行估计； 步骤三：在已设计的扩张状态观测器的基础上，基于系统的非最小相位特性，选择电感 电流作为输出进行控制，在考虑负载电阻变化和输入电压波动的情况下设计有限时间控制 器，利用得到的复合控制器实现目标电压的快速、高精度跟踪。
2. 如权利要求1所述的直流升压变换器系统控制方法，其特征是步骤一包括以下步 骤： 以开关管T的两种状态，建立直流升压变换器的模型： 开关管关断时，控制量输入u = 0,电感电流k通过二极管D向输出侧流动，电源功率 和电感的储能向负载和电容转移，给电容充电，此时，加在电感上的电压为Uin-U。，Uin为 输入电压，u。为输出电压，因 Uin，故L线性减小，其中，R为负载电阻，L为输入端 电感，C为输出端电容，iK为电阻电流，为电容电流，
开关管导通时，控制量输入U = 1，输入电压Uin全部加到升压电感上，电感电流k线 性增长，此时二极管D截止，负载由滤波电容供电；
以开关管的两种状态，将上式统一为
整理得到系统的状态空间平均模型如下：
3. 根据权利要求2所述的直流升压变换器系统控制方法，其特征是步骤二包括以下步 骤： 在步骤一建立的状态空间平均模型基础上，将负载电阻变化的扰动表示为Cl1U),根据 扩张状态观测器的理论，其观测器设计为：
式中Z1 = a为负载电阻变化下输出电压的估计值，Z2 为负载电阻变化下负载 扰动的估计值，参数P1 > 〇 ; 将输入电压波动的扰动表示为d2(t)，根据扩张状态观测器的理论，其观测器设计为：
式中Z3 = &为输入电压波动下输出电压的估计值，Z4 = --2为输入电压波动下负载 扰动的估计值，Rtl为电阻的标称值，参数P2 > 〇,為Λ,為,4分别是Z1, Z2, z3, Z4的导数。
4. 根据权利要求3所述的直流升压变换器系统控制方法，其特征是步骤三包括以下步 骤： 以电感电流作为目标输出去控制，在负载电阻可变和输入电压波动的条件下设计有限 时间控制器：
其中uMI为输入电压Uin的标称值，Xi为重新定义的状态； 根据有限时间稳定控制的规律，控制器设计为： i
η和α为要设计的参数，当η > 〇, 〇 < a < 1时，闭环系统的输出电压u。就实现 了对于参考电压\的跟踪。
5. 根据权利要求1-4任一所述的直流升压变换器系统控制方法，其特征在于：所述的 直流升压变换器是直流升压电力电子变换器。
【文档编号】H02M3/155GK104393756SQ201410733860
【公开日】2015年3月4日 申请日期:2014年12月5日 优先权日:2014年12月5日
【发明者】李世华, 王军晓, 王佐, 樊静雯, 吴斌, 崔宏宇, 李奇 申请人:东南大学