一种双向DC-DC变换器双闭环控制参数优化方法

一种双向dc-dc变换器双闭环控制参数优化方法
技术领域
1.本发明涉及双向dc/dc变换器技术领域，尤其涉及一种双向dc-dc变换器双闭环控制参数优化方法。


背景技术：

2.双向dc/dc变换器在微电网、城市轨道交通、混合动力汽车和特种车辆等利用储能供电的领域已经有了较为成熟广泛的应用，经典控制策略主要有单电压环控制、电压外环电流内环双闭环控制等。其中单电压环控制需要精确配置调节器参数，同时不能对变换器输出电流进行限幅与直接控制。但电压外环、电流内环双闭环控制系统的控制性能极大地依赖于参数的选取，不合理的参数选取除了无法保证系统的稳定性与鲁棒性外，还会导致电压超调量过大。但双闭环控制体系下系统内外环性能存在相互影响，参数选择维度较多，匹配较为困难。
3.以行驶工况和环境复杂多变的车辆为例，车辆在面临急加速和工况切换等条件下负载功率变化剧烈，容易导致直流母线电压波动失稳，控制参数的选取决定了系统能否在工况突变时保持稳定，因此必须对控制参数进行优化，改善系统的暂态控制性能。
4.目前，现有技术中的一种双向dc/dc变换器双闭环控制参数匹配方法包括：多采用试凑法或经验公式法进行调试。该方法的缺点为：该方法对于仍基于有限的试验条件且不具备明确的选择指标，在系统负载发生突变时往往难以适应，鲁棒性不强。通过分析根轨迹指出了零极点对系统稳定性的影响，但对于控制器中参数的确定仍采用传统整定法，系统稳定裕度很小。
5.目前，现有技术中的另一种双向dc/dc变换器双闭环控制参数匹配方法包括：基于离散域模型提出了工程化的双闭环pi控制器参数设计方法。该方法的缺点为：在工程方面得到了广泛的应用，但参数精度不高，仍需要通过微调以达到良好的控制性能。控制器的参数选取问题，大多都是从经典控制理论角度来分析系统稳定性，但经典控制理论分析往往忽略了系统的非线性扰动项，无法保证系统在负载突变时的暂态稳定性。


技术实现要素：

6.本发明的实施例提供了一种双向dc-dc变换器双闭环控制参数优化方法，以实现有效地找到双向dc/dc变换器双闭环系统的最佳控制参数。
7.为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案。
8.一种双向dc-dc变换器双闭环控制参数优化方法，包括：
9.根据双向dc/dc变换器双闭环系统的电路拓扑，建立变换器状态空间数学模型，初始化所述双向dc/dc变换器双闭环系统的控制参数：
10.基于所述变换器状态空间数学模型结合李雅普诺夫第一判据判断所述双向dc/dc变换器双闭环系统的小信号是否稳定；
11.当判断所述小信号稳定后，则根据所述变换器状态空间数学模型计算双向dc/dc
变换器双闭环系统的多目标函数值，根据所述多目标函数值判断双向dc/dc变换器双闭环系统是否为最优，如果是，则输出双向dc/dc变换器双闭环系统的最优控制参数；否则，更新控制参数重新计算，直至找到最优控制参数。
12.优选地，所述的根据双向dc/dc变换器双闭环系统的电路拓扑，建立变换器状态空间数学模型，包括：
13.根据双向dc/dc变换器双闭环系统的电路拓扑建立式(1)所示的变换器状态空间数学模型：
[0014][0015]
式中，i
l
(t)为电感电流，v
dc
(t)为电容电压，d为占空比开关管s2的占空比；vc为低压侧电压；l为低压侧电感值；c为直流母线支撑电容值；p
load
为负载功率；
[0016]
建立双向dc/dc变换器双闭环系统的控制回路的状态方程：
[0017]
外环：
[0018][0019]
式中，k
i1
表示电压外环积分参数，i
*
表示电流指令值，k
p1
表示电压外环比例参数。
[0020]
内环：
[0021][0022]
式中，分别表示直流母线电压vdc与il的指令值，由此可推出占空比将占空比d带入式(2)，令x1＝i
l
，x2＝v
dc
，式中，k
i2
表示电流内环积分参数，k
p2
表示电流内环比例参数。
[0023]
得到双闭环控制下的双向dc/dc状态空间方程为：
[0024][0025]
其中，
[0026]
优选地，所述的基于所述变换器状态空间数学模型结合李雅普诺夫第一判据判断所述双向dc/dc变换器双闭环系统的小信号是否稳定，包括：
[0027]
将所述双向dc/dc变换器双闭环系统的各状态量的平衡点平移至原点，令其中，x＝[x1,x2,x3,x4]
t
，，双闭环控制下的dc/dc状态方程包含非线性项在dc/dc状态方程的平衡点处进行泰勒展开：
[0028][0029]
忽略3次以上的高阶项，得到双闭环控制下dc/dc平衡点为原点的大信号状态空间方程：
[0030][0031]
其中，表示二次项，表达式为：
[0032][0033]
计算式(6)的矩阵的特征值，并判断特征值是否均在复平面左半平面，如果是，则判断所述双向dc/dc变换器双闭环系统的小信号稳定；否则，判断所述双向dc/dc变换器双闭环系统的小信号不稳定。
[0034]
优选地，所述的根据所述变换器状态空间数学模型计算双向dc/dc变换器双闭环系统的多目标函数值，包括：
[0035]
在matlab中对所述变换器状态空间数学模型进行时域仿真，计算双向dc/dc变换器双闭环系统的超调量os
*
与上升时间rt
*
；
[0036]
将超调量os
*
与上升时间rt
*
代入式(7)所示的所述双向dc/dc变换器双闭环系统的多目标函数，计算出多目标函数值aim：
[0037]
aim＝αos
*
+βrt
*
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(7)
[0038]
式中，aim表示多目标函数值，α，β表示各目标所占的权重，os
*
表示标幺处理后的系统超调量，rt
*
的系统上升时间。
[0039]
优选地，所述的根据所述多目标函数值判断双向dc/dc变换器双闭环系统是否为最优，如果是，则输出双向dc/dc变换器双闭环系统的最优控制参数；否则，更新控制参数重新计算，直至找到最优控制参数，包括：
[0040]
判断所述多目标函数值aim是否大于设定的阈值，如果是，则判断当前的双向dc/dc变换器双闭环系统达到最优，输出当前双向dc/dc变换器双闭环系统的最优控制参数；否则，判断当前的双向dc/dc变换器双闭环系统没有达到最优，更新双向dc/dc变换器双闭环系统的控制参数重新计算，直至找到最优控制参数。
[0041]
由上述本发明的实施例提供的技术方案可以看出，本发明提供了一种基于dc/dc数学模型的双环控制参数优化方法，避免了繁琐的试凑，可由计算机直接找到双向dc/dc变换器双闭环系统的最佳控制参数，改善双向dc/dc变换器双闭环系统的控制性能。
[0042]
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
[0043]
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0044]
图1为本发明实施例提供的一种双向dcdc参数优化方法流程示意图；
[0045]
图2为本发明实施例提供的一种双向dc/dc变换器拓扑图；
[0046]
图3为本发明实施例提供的一种dc/dc变换器双闭环控制框图；
[0047]
图4为本发明实施例提供的一种优化控制参数流程图。
具体实施方式
[0048]
下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。
[0049]
本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的任一单元和全部组合。
[0050]
本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
[0051]
为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以几个具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个实施例并不构成对本发明实施例的限定。
[0052]
如图1所示，本发明实施例提供的一种双向dc/dc便函去双闭环控制参数优化方法的处理流程如图1所示，包括如下的处理步骤：
[0053]
步骤s1：基于多基于dc/dc变换器拓扑与双闭环控制框图建立大信号状态空间数学模型。
[0054]
图2为本发明实施例提供的一种双向dc/dc变换器拓扑图。根据双向dc/dc变换器的电路拓扑，建立式(1)所示的变换器状态空间数学模型：
[0055][0056]
式中，i
l
(t)为电感电流，v
dc
(t)为电容电压，d为占空比开关管s2的占空比；vc为低压侧电压；l为低压侧电感值；c为直流母线支撑电容值；p
load
为负载功率；
[0057]
图3为本发明实施例提供的一种dc/dc变换器的双闭环控制框图。根据双闭环控制框图，写出控制回路的状态方程：
[0058]
外环：
[0059]
[0060]
式中，k
i1
表示电压外环积分参数，i
*
表示电流指令值，k
p1
表示电压外环比例参数。
[0061]
内环：
[0062][0063]
式中，分别表示直流母线电压vdc与il的指令值，由此可推出占空比将占空比d带入式(2)，令x1＝i
l
，x2＝v
dc
，式中k
i2
表示电流内环积分参数，k
p2
表示电流内环比例参数。
[0064]
可推出双闭环控制下的双向dc/dc状态空间方程为：
[0065][0066]
其中，
[0067]
步骤s2：初始化双向dc/dc变换器双闭环系统的控制参数，该控制参数包括k
p1
、k
i1
、k
p2
、k
i2
；
[0068]
基于数学模型并结合李雅普诺夫第一判据判断系统小信号稳定。为了减小优化问题的计算量，首先分析系统的小信号稳定性：把各状态量的平衡点平移至原点，令其中，x＝[x1,x2,x3,x4]
t
，由于双闭环控制下的dc/dc状态方程包含非线性项在其平衡点处进行泰勒展开：
[0069][0070]
忽略3次以上的高阶项，由此可得到双闭环控制下dc/dc平衡点为原点的大信号状态空间方程：
[0071][0072]
其中，表示二次项，表达式为：
[0073][0074]
计算式(6)的矩阵的特征值，并判断特征值是否均在复平面左半平面，是则小信号稳定，否则小信号不稳定。若小信号失稳则更新控制参数，若满足小信号稳定性判据则进行时域仿真；根据时域仿真的结果计算系统超调量及上升时间，带入式(7)计算多目标函数值并判断是否为最优，是则输出最优控制参数，否则更新控制参数重新计算，直至找到最优控制参数；
[0075]
步骤s3：在matlab中对变换器状态空间数学模型进行时域仿真，计算双向dc/dc变换器双闭环系统的超调量与上升时间,其中，超调量为仿真过程中电压的最大值，上升时间为电压第一次到达指令电压值所用的时间。
[0076]
步骤s4：根据侧重点设置权重、建立多目标函数进行寻优。为了使系统的相应时间尽可能快，超调量尽可能小，建立多目标函数如下式(7)所示，进行优化。图4为本发明实施例提供的一种优化控制参数流程图。
[0077]
aim＝αos
*
+βrt
*
ꢀꢀ
(7)
[0078]
式中，aim表示多目标函数值，α，β表示各目标所占的权重，os
*
表示标幺处理后的系统超调量，rt
*
的系统上升时间。
[0079]
随机生成系统双闭环控制参数k
p1
、k
i1
、k
p2
、k
i2
，判断系统小信号稳定性，若小信号失稳则更新控制参数，若满足小信号稳定性判据则进行时域仿真；根据时域仿真的结果计算系统超调量及上升时间，带入式(7)计算多目标函数值并判断是否为最优，是则输出最优控制参数，否则更新控制参数重新计算，直至找到最优控制参数。
[0080]
综上所述，本发明实施例提供了一种双向dc/dc变换器双闭环控制参数优化方法，基于双向dc/dc变换器主回路拓扑以及控制回路建立数学模型，根据本发明的参数优化方法计算得到控制回路的参数。本技术技术方案不需要手动反复试凑，仅通过计算机迭代寻优可获取最优的控制参数，改善系统的控制性能，能够减小系统最大超调量与上升时间。
[0081]
本发明提供了一种基于dc/dc数学模型的双环控制参数优化方法，避免了繁琐的试凑，可由计算机直接找到双向dc/dc变换器双闭环系统的最佳控制参数，改善双向dc/dc变换器双闭环系统的控制性能。
[0082]
本领域普通技术人员可以理解：附图只是一个实施例的示意图，附图中的模块或流程并不一定是实施本发明所必须的。
[0083]
通过以上的实施方式的描述可知，本领域的技术人员可以清楚地了解到本发明可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在存储介质中，如rom/ram、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。
[0084]
本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于装置或系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所描述的装置及系统实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。
[0085]
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。