船舶脉冲功率负载Buck变换器自适应阻尼比控制方法

本发明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。

背景技术：

1、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

1、本发明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，本发明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。

2、本发明是通过以下技术方案实现的：

3、本发明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：

4、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；

5、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；

6、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；

7、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；

8、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。

9、技术效果

10、与现有技术相比，本发明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。本发明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。本发明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。

技术特征：

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：

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：vs和vo为第i个变换器的输入电压和输出电压，ili和ioi为第i个变换器的电感电流和输出电流；si为门极器件的控制信号，对应占空比为di；li和ci是支路电感和输出电容，ri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，

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，ωn为自然振荡频率，ωn随着kvi增加而增加，相同阻尼比下具有更快的动态响应；ζ随着kvi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：

5.根据权利要求4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，当应满足来增加电感电流ili，进而通过电流差值ili-ioi为电容充电增加vo，的最大值出现在di＝1；若应满足来降低电感电流ili，的最小值出现在di＝0；将占空比的非线性饱和映射至kvi的取值范围，满足：其中：kmax为开环截止频率限制下kvi的取值上限；min(·)为最小值运算符，即保证kvi始终受到kmax的约束；ε为接近于0的极小值以避免阻尼比表达式存在kvi＝0；

6.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3，具体包括：

7.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4，具体包括：选取状态向量输入向量建立并联变换器的状态空间方程其中：a和b分别为状态矩阵和输入矩阵，矩阵a的特征根根据稳定性条件，矩阵a的特征根应均具有负实部，即保证kvi>0和kvp>-l/r，对应地，阻尼比应满足ζ>0，由于存在kvi>0和kvp≥0，因此，kvi和kvp的取值保证了并联变换器的控制稳定性，且稳定性不受变换器电感和电容值及参数摄动的影响。

8.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5，具体包括：buck变换器的输出电流，可认为由电感电流直流分量提供，电感电流交流分量进入输出电容回路，因此，均流控制可通过占空比的附加调节改变电感电流来实现，实际运行通常采用离散控制，第n+1个控制周期时第i个变换器的电感电流tn+1时刻并联变换器的平均电感电流为了降低tn+1时刻输出电流不均衡，当kvi和kvp确定时可通过维持的等式平衡，实现附加电流调节且避免对电压调节的影响，即保证若通过δdi(tn)>0增加电感电流；反之则保证δdi(tn)<0，考虑均流控制时，将占空比最终修正为d’i(tn)＝di(tn)+δdi(tn)，其中：若d’i(tn)出现占空比饱和，应等比例缩小δdi(tn)。

技术总结
一种船舶脉冲功率负载Buck变换器自适应阻尼比控制方法，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后进行暂态响应设计和稳态响应设计，经控制稳定性的验证后，对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，本发明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，本发明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。

技术研发人员：黄文焘,林周宏,姚宇豪,邰能灵,余墨多,王杰
受保护的技术使用者：上海交通大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/16