一种降压型直流变换器固定时间滑模控制方法与流程

本发明涉及一种降压型直流变换器固定时间滑模控制方法，特别是一种带有系统外部干扰的降压型直流变换器固定时间滑模控制方法。

背景技术：

直流变换器是一种实现直流电路电压转换的电力电子设备，广泛用于许多应用中，包括dc电机驱动器，通信设备和用于个人电脑的电源.基本拓扑分为降压型直流变换器、升压变换器、升降压变换器.其中降压型直流变换器又称降压变换器，由于具有降压的特性以及结构简单、稳定性高、易于分析等优点而被广泛使用.

由于目前主流的pid控制对参数变化敏感，无法满足电源变换器日益提高的性能要求.近年来，越来越多新的非线性控制技术被应用于降压型直流变换器，比如反步法、模糊控制、神经网络控制、滑模控制等.其中滑模控制算法因其控制实现简单、稳定范围宽、可靠性高、鲁棒性强等优点逐渐成为研究的热点.

传统的有限时间滑模控制可以保证系统有限时间稳定，但因其收敛时间上界与系统状态变量初始值有关，即当系统状态变量初始值变化，系统的收敛时间上界也会发生变化，且影响系统收敛速度。因此，如何消除系统状态量初始值对收敛时间上界的影响，提高系统收敛速度是滑模控制在降压型直流变换器应用中急待解决的问题。

技术实现要素：

为了解决现有降压型直流变换器的输出电压控制方法的收敛时间上界与系统状态变量初始值有关、系统收敛速度较慢的不足，本发明提出一种降压型直流变换器固定时间滑模控制方法，该方法设计固定时间滑模控制器来保证系统能在固定时间内稳定，实现输出电压在固定时间内收敛到参考期望输出电压，且其收敛时间上界与系统状态变量初值无关，消除了系统状态变量初始值对系统收敛时间上界的影响。

为了解决上述技术问题提出的技术方案为：

一种降压型直流变换器固定时间滑模控制方法，所述控制方法包括以下步骤：

步骤1,建立降压型直流变换器系统模型，初始化系统状态及控制参数，过程如下：

1.1,降压型直流变换器系统平均模型表示成如下形式

其中，vo是输出电压，vin是输入电压，ic是输出电容电流，l、c、r分别是电感、电容和负载电阻；u是控制输入；

1.2,定义状态变量x1＝vo-vref，则降压型直流变换器误差动态方程写成如下状态空间形式

其中，vref为期望参考输出电压，vref为正常数；

步骤2,固定时间滑模控制器设计，过程如下：

2.1，设计如下固定时间滑模面

其中，k1，k2，a1，a2为正常数，0＜a1＜1，a2＞1，sgn(·)为符号函数；

根据式(2)和式(3)，固定时间滑模面s的导数为

2.2，根据式(4)，设计固定时间滑模控制器

其中，α、β、λ1、λ2为正常数，0＜λ1＜1，λ2＞1；

2.3,设计李雅普诺夫函数

其中，

对v求导，得

并将式(4)和式(5)代入式(7)，得

其中，

判定系统能在固定时间内稳定。

本发明采用固定时间滑模控制方法，设计固定时间滑模控制器，实现降压型直流变换器输出电压的快速调节。

本发明的技术构思为：针对降压型直流变换器系统中滑模控制的收敛速度问题，本发明采用固定时间终端滑模面，并基于该滑模面设计固定时间滑模控制器，与传统的滑模控制相比，系统收敛时间上界与系统状态变量初始值无关，从而消除了系统状态变量初值对收敛时间上界的影响，实现系统输出电压在固定时间内收敛到期望参考输出电压。

本发明的有益效果为：实现系统输出电压在固定时间内收敛到期望参考输出电压，其收敛时间上界与系统状态变量初值无关，消除了系统状态变量初始值对系统收敛时间上界的影响。

附图说明

图1为本发明的算法的基本流程；

图2为在状态变量初值为x1(0)＝-5，x2(0)＝0，本发明的控制系统输出电压响应曲线；

图3为在状态变量初值为x1(0)＝-9，x2(0)＝0，本发明的控制系统输出跟踪误差；

图4为在状态变量初值为x1(0)＝-5，x2(0)＝0，本发明的控制信号输出；

图5为在状态变量初值为x1(0)＝-9，x2(0)＝0，本发明的控制信号输出。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明。

参照图1-图5，一种降压型直流变换器固定时间滑模控制方法，所述控制方法包括以下步骤：

步骤1,建立降压型直流变换器系统模型，初始化系统状态及控制参数，过程如下：

1.1,降压型直流变换器系统平均模型表示成如下形式

其中，vo是输出电压，vin是输入电压，ic是输出电容电流，l、c、r分别是电感、电容和负载电阻；u是控制输入；

1.2,定义状态变量x1＝vo-vref，则降压型直流变换器误差动态方程，可写成如下状态空间形式

其中，vref为期望参考输出电压，vref为正常数；

步骤2,固定时间滑模控制器设计，过程如下：

2.1，设计如下固定时间滑模面

其中，k1，k2，a1，a2为正常数，0＜a1＜1，a2＞1，sgn(·)为符号函数；

根据式(2)和式(3)，固定时间滑模面s的导数为

2.2，根据式(4)，设计固定时间滑模控制器

其中，α、β、λ1、λ2为正常数，0＜λ1＜1，λ2＞1；

2.3,设计李雅普诺夫函数

其中，

对v求导，得

并将式(4)和式(5)代入式(7)，得

其中，

判定系统能在固定时间内稳定。

为验证所提方法的有效性，本发明对由式(5)表示的固定时间滑模控制器的控制效果进行仿真实验，设置仿真实验中的初始条件与部分参数，即：系统方程中l＝1mh，c＝1mf，r＝10ω，vin＝10v，vref＝5v。式(3)和式(5)中的控制参数为a1＝7/9，a2＝1.7，k1＝k2＝0.1，λ1＝0.6，λ2＝1.7，α＝β＝0.04；系统状态变量初始值x1(0)＝-5，x2(0)＝0。

图2、图4是系统状态变量初始值为x1(0)＝-5，x2(0)＝0时的仿真效果图。图3、图5是系统状态变量初始值为x1(0)＝-9，x2(0)＝0时的仿真效果图。从图2可以看出，固定时间滑模控制的系统输出电压收敛时间与有限时间滑模的收敛时间几乎相同，其收敛时间为0.023s。由图3可见，固定时间滑模控制的系统输出电压收敛时间为0.024s，有限时间滑模则为0.029s。从图2与图3可见，本发明设计的降压型直流变换器固定时间滑模控制方法可以实现实际系统输出电压对期望参考输出电压的快速有效跟踪。由图4可以看出，固定时间滑模控制的系统控制信号收敛时间与有限时间滑模的收敛时间几乎相同，其收敛时间为0.023s。由图5可见，固定时间滑模控制的系统控制信号收敛时间为0.024s，有限时间滑模则为0.029s。整体来看，相对于固定时间滑模控制的系统输出电压收敛速度受系统初值变化的影响很小，其所控制系统的状态变量收敛时间基本不变。降压型直流变换器固定时间滑模控制方法可以保证系统的跟踪误差在固定时间内稳定收敛至平衡点，消除了系统状态初值对系统收敛时间上界的影响。

以上阐述的是本发明给出的一个实施例表现出的优良优化效果，显然本发明不只是限于上述实施例，在不偏离本发明基本精神及不超出本发明实质内容所涉及范围的前提下对其可作种种变形加以实施。所提出的控制方案对降压型直流变换器是有效的，在所提出的控制器的作用下，实现降压型直流变换器输出电压在固定时间内快速收敛。