一种用于Buck-Boost变换器输出电压PID控制的微分信号的提取方法与流程

本发明涉及电子领域，特别涉及一种用于buck-boost变换器输出电压pid控制的微分信号的提取方法。

背景技术：

众所周知，buck-boost变换器既能升压又能降压，具有优秀的特性和良好的稳态性能，因此作为开关电源模块被广泛的应用到电力电子设备中。随着科技的发展和进步，人们对开关电源性能的要求也越来越高，在电力电子变换器的工作过程中，为了提高系统的稳定性，选择合适的控制方法是十分重要的，目前经典的pid控制广泛应用在变换器的控制中，pid控制方法是基于实际输出的值和参考值之间的误差来消除误差的，根据误差的比例、积分、微分的加权组合来设计系统的控制。但是pid方法有一定的局限性，那就是微分信号的难以合理的提取，通常在控制系统中，常用差分的方法来提取信号的导数，但是如果在输入、输出信号中含有噪音的情况下，应用差分的方法来提取导数，很容易将噪音信号放大，从而噪音信号将会淹没导数信号。由于微分信号的难以提取，导致现在pid控制常常是pi控制，很难利用微分信号进行pid控制。面对微分信号难以提取的问题，中科院研究员韩京清提出了跟踪微分器提取信号导数的方法，并对噪音具有一定程度上的抑制作用，跟踪微分器的提出使得pid控制得以更广泛的应用，目前国内外的研究都未考虑用跟踪微分器提取导数信号来对buck-boost变换器的输出电压跟踪给定参考电压进行pid控制的情况。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是克服现有技术的缺陷，提供一种用于buck-boost变换器输出电压pid控制的微分信号的提取方法，与传统的pid控制中用差分的方法提取导数相比，一方面既可抑制输入、输出信号中的噪音，另一方面又可以准确、高效的调节输出电压，从而减小了输出电压的超调和震荡，提高了变换器的动态性能。

为了解决上述技术问题，本发明提供了如下的技术方案：

本发明一种用于buck-boost变换器输出电压pid控制的微分信号的提取方法，具体包括如下：a.建立buck-boost变换器的数学模型，取状态变量：x1＝i，x2＝uc，其中i是流过电感l的电流，uc为电容器两端的电压，假设当u＝1时，vt是导通的；u＝0时，vt是关断的；根据现代控制理论，可以得到如下的状态方程：

u＝1时时

u的取值在0、1之间来回切换，因此可以得到理想状态方程的通用表达式：

确定输入参考电压的跟踪微分器，跟踪微分器是由稳定的系统派生出来的，只要有一个稳定的系统，可以根据这个稳定的系统来设计跟踪微分器；

例如：设有二阶微分方程

假如这个微分方程表示的是一个稳定的系统，那么对任意的输入信号v(t)，可以根据以上的稳定系统构造如下的跟踪微分器：

本发明中，为了提高控制效率，更好的抑制噪音，选用最速控制综合函非线性数fhan来设计一个非线性的二阶跟踪微分器来提取输入参考电压uref的原信号和导数信号，

其中，fhan的公式算法如下

fsg(x，d)＝(sign(x+d))-sign(x-d)/2

那么u＝fhan(x1，x2，r，h)可以表示成如下

因此，得到如下的二阶跟踪微分器来跟踪输入参考电压uref的原信号和导数信号

因为在实际的测量过程中，输入参考电压uref是离散采样的，因此我们进一步将二阶跟踪微分器进行离散化，可以得到离散化的二阶跟踪微分器：

那么，x1就可以跟踪uref，x1可以跟踪uref的导数信号，哪怕uref含有噪音，一样可以通过跟踪微分器得到uref和uref的导数信号，确定输出电压的跟踪微分器；

b.假设输出电压是uc，根据上述的跟踪微分器的原理，可以用同样的方法设计跟踪微分器，来获得uc和uc的导数信号，确定误差的微分信号。

作为本发明的一种优选技术方案，所述buck-boost变换器的数学模型不考虑电路中电容、电感产生的寄生参数。

作为本发明的一种优选技术方案，所述当稳定系统是个线性系统时，构造的跟踪微分器是线性跟踪微分器。

作为本发明的一种优选技术方案，所述有了误差信号和误差的导数信号后，可以用误差信号、积分信号、微分信号进行加权组合来确定出控制u。

作为本发明的一种优选技术方案，所述pid控制器是一个在工业控制应用中常见的反馈回路部件。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

本发明提供了一种基于跟踪微分器的方法来获得buck-boost变换器输入、输出电压的导数信号，来对buck-boost变换器的输出电压跟踪给定参考电压进行pid控制，哪怕输入、输出电压信号被噪音污染，同样可以利用微分跟踪器提取导数信号进行pid控制，这种方法为各类变换器的输出电压进行控制提供了更准确获得微分信号的依据，使得pid控制变换器电压输出这类控制变得更加准确、稳定，与现有的buck-boost变换器输出电压pid控制相比，本发明用两个非线性的跟踪微分器分别提取输入参考电压、输出电压的微分信号，使得pid控制方法中，可以更加准确的利用误差的微分信号进行控制输出电压，从而使输出电压更加平稳，通过两个非线性的跟踪微分器来获取buck-boost变换器输入参考电压、输出电压的微分信号，与传统的pid控制中用差分的方法提取导数相比，一方面既可抑制输入、输出信号中的噪音，另一方面又可以准确、高效的调节输出电压，从而减小了输出电压的超调和震荡，提高了变换器的动态性能。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。

在附图中：

图1是buck-boost变换器的数学模型图；

图2是电压的跟踪微分器图；

图3是基于跟踪微分器的buck-boost变换器的pid控制框图；

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1

如图1-3所示，本发明提供一种用于buck-boost变换器输出电压pid控制的微分信号的提取方法，具体包括如下步骤一种用于buck-boost变换器输出电压pid控制的微分信号的提取方法，用于buck-boost变换器输出电压pid控制的微分信号的提取方法，具体包括如下步骤：

a.建立buck-boost变换器的数学模型，取状态变量：x1＝i，x2＝uc。其中i是流过电感l的电流，uc为电容器两端的电压，假设当u＝1时，vt是导通的；u＝0时，vt是关断的；根据现代控制理论，可以得到如下的状态方程

u＝1时时

u的取值在0、1之间来回切换，因此可以得到理想状态方程的通用表达式：

确定输入参考电压的跟踪微分器，跟踪微分器是由稳定的系统派生出来的，只要有一个稳定的系统，可以根据这个稳定的系统来设计跟踪微分器，

例如：设有二阶微分方程

假如这个微分方程表示的是一个稳定的系统，那么对任意的输入信号v(t)，可以根据以上的稳定系统构造如下的跟踪微分器：

本发明中，为了提高控制效率，更好的抑制噪音，选用最速控制综合函非线性数fhan来设计一个非线性的二阶跟踪微分器来提取输入参考电压uref的原信号和导数信号，

其中，fhan的公式算法如下

fsg(x，d)＝(sign(x+d))-sign(x-d)/2

那么u＝fhan(x1，x2，r，h)可以表示成如下

因此，得到如下的二阶跟踪微分器来跟踪输入参考电压uref的原信号和导数信号

因为在实际的测量过程中，输入参考电压uref是离散采样的，因此进一步将二阶跟踪微分器进行离散化，可以得到离散化的二阶跟踪微分器：

那么，x1就可以跟踪uref，x1可以跟踪uref的导数信号，哪怕uref含有噪音，一样可以通过跟踪微分器得到uref和uref的导数信号，确定输出电压的跟踪微分器；

b.假设输出电压是uc，根据上述的跟踪微分器的原理，可以用同样的方法设计跟踪微分器，来获得uc和uc的导数信号，确定误差的微分信号。

buck-boost变换器的数学模型不考虑电路中电容、电感产生的寄生参数，电容、电感产生的寄生参数十分的微小。

当稳定系统是个线性系统时，构造的跟踪微分器是线性跟踪微分器，非线性跟踪微分器与线性跟踪微分器相比，最大的优势在于非线性跟踪微分器选用的非线性函数通常比线性跟踪微分器的效果好、效率高，收敛速度快，广泛应用在实际中。

有了误差信号和误差的导数信号后，可以用误差信号、积分信号、微分信号进行加权组合来确定出控制u，从而可以控制变换器的输出电压。

pid控制器是一个在工业控制应用中常见的反馈回路部件，由比例单元(p)、积分单元(i)和微分单元(d)组成，透过kp，ki和kd三个参数的设定，pid控制器主要适用于基本上线性，且动态特性不随时间变化的系统。

具体的，如图1建立建立buck-boost变换器的数学模型，取状态变量：x1＝i，x2＝uc，其中i是流过电感l的电流，uc为电容器两端的电压，假设当u＝1时，vt是导通的；u＝0时，vt是关断的；根据现代控制理论，可以得到如下的状态方程：

u＝1时时

u的取值在0、1之间来回切换，因此可以得到理想状态方程的通用表达式：

确定输入参考电压的跟踪微分器，跟踪微分器是由稳定的系统派生出来的，只要有一个稳定的系统，可以根据这个稳定的系统来设计跟踪微分器；

例如：设有二阶微分方程

假如这个微分方程表示的是一个稳定的系统，那么对任意的输入信号v(t)，可以根据以上的稳定系统构造如下的跟踪微分器：

本发明中，为了提高控制效率，更好的抑制噪音，选用最速控制综合函非线性数fhan来设计一个非线性的二阶跟踪微分器来提取输入参考电压uref的原信号和导数信号，

其中，fhan的公式算法如下

fsg(x，d)＝(sign(x+d))-sign(x-d)/2

那么u＝fhan(x1，x2，r，h)可以表示成如下

因此，得到如下的二阶跟踪微分器来跟踪输入参考电压uref的原信号和导数信号

因为在实际的测量过程中，输入参考电压uref是离散采样的，因此我们进一步将二阶跟踪微分器进行离散化，可以得到离散化的二阶跟踪微分器：

那么，x1就可以跟踪uref，x1可以跟踪uref的导数信号，哪怕uref含有噪音，一样可以通过跟踪微分器得到uref和uref的导数信号，确定输出电压的跟踪微分器；

假设输出电压是uc，根据上述的跟踪微分器的原理，可以用同样的方法设计跟踪微分器，来获得uc和uc的导数信号，确定误差的微分信号，图3是基于跟踪微分器的buck-boost变换器的pid控制框图。

本发明提供了一种基于跟踪微分器的方法来获得buck-boost变换器输入、输出电压的导数信号，来对buck-boost变换器的输出电压跟踪给定参考电压进行pid控制，哪怕输入、输出电压信号被噪音污染，同样可以利用微分跟踪器提取导数信号进行pid控制，这种方法为各类变换器的输出电压进行控制提供了更准确获得微分信号的依据，使得pid控制变换器电压输出这类控制变得更加准确、稳定，与现有的buck-boost变换器输出电压pid控制相比，本发明用两个非线性的跟踪微分器分别提取输入参考电压、输出电压的微分信号，使得pid控制方法中，可以更加准确的利用误差的微分信号进行控制输出电压，从而使输出电压更加平稳，发明通过两个非线性的跟踪微分器来获取buck-boost变换器输入参考电压、输出电压的微分信号，与传统的pid控制中用差分的方法提取导数相比，一方面既可抑制输入、输出信号中的噪音，另一方面又可以准确、高效的调节输出电压，从而减小了输出电压的超调和震荡，提高了变换器的动态性能。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。