[發明專利]DC-DC變換器離散模型優化輸出軌跡的預測控制方法

在審

• 申請號: 201510016376.6
• 申請日: 2015-01-13
• 公開（公告）號: CN104656444A
• 公開（公告）日: 2015-05-27
• 發明（設計）人: 冷朝霞;劉慶豐;陸唯平
• 申請（專利權）人: 西安理工大學
• 主分類號: G05B13/04
• 分類號: G05B13/04
• 代理公司: 西安弘理專利事務所 61214
• 代理人: 王奇

技術領域

本發明屬于直流功率變換器控制技術領域，涉及一種DC-DC變換器離散模型優化輸出軌跡的預測控制方法。

背景技術

DC-DC變換器被廣泛應用于各種工業領域，具有較寬廣的運行條件，由于變換器為存在豐富的線性和非線性現象的混合系統，DC-DC變換器的控制一直被研究者所重視，特別是在各種運行條件(負載擾動或輸入擾動)下對輸出電壓的調節。隨著控制芯片計算能力的提高以及對混合系統控制技術的發展，模型預測控制(MPC)技術被引入DC-DC變換器控制領域。

模型預測控制已經被成功運用于工業過程控制領域，過程控制具有緩慢的動態特性，因此，它能夠提供足夠長的時間進行優化問題的在線求解。而DC-DC變換器的采樣周期非常小，目前控制芯片的計算能力也還是有限的，因此，DC-DC變換器采用模型預測控制時，數學模型及優化問題的求解都不能太復雜。

模型預測控制的基本原理為：建立控制目標函數，在預測區域進行優化問題規劃。在預測區域，利用系統的數學模型，求解帶約束的目標函數，推導控制輸入。選擇使目標函數最小的優化序列作為控制輸入，獲得最好的系統行為預測。在下一個預測區域，根據新的系統測量值或估計值，重新進行優化問題求解。但是，現有技術對優化問題的求解計算量非常大，因此，模型預測控制的主要缺陷是計算復雜。

目前，在DC-DC變換器模型預測控制中采用的設計有直進式控制策略，這類方法根據變換器電感電流的變化斜率進行電流預測控制，只能適用于電流連續運行的DC-DC變換器，其中大部分策略只適用于變換器穩態特性調節；另有一類考慮了DC-DC變換器寄生參數的直進式控制設計，雖然能夠進行變換器動態特性調節，但這種方法需要獲取準確的變換器電路寄生參數；還有一些基于遍歷思想的較復雜的模型預測控制策略被設計，這類控制策略可以針對變換器的穩、動態特性進行調節，但優化求解的計算量過大，只能進行離線計算，通過查表法進行控制決策，當DC-DC變換器工作條件較豐富時，表容量是過大的。

發明內容

本發明的目的是提供一種DC-DC變換器離散模型優化輸出軌跡的預測控制方法，解決了現有技術中存在的模型預測控制計算量大，不能進行在線優化；控制策略只適用于DC-DC變換器的單一運行模式；只能為變換器輸出電壓設定單一的期望值，易引起變換器啟動過程產生過沖電壓的問題。

本發明所采用的技術方案是，一種DC-DC變換器離散模型優化輸出軌跡的預測控制方法，具體按照以下步驟實施：

步驟1：建立DC-DC變換器的簡化離散預測模型；

步驟2：確定離散預測模型的穩態電壓、電流特性；

步驟3：確定離散預測模型的目標函數

根據離散預測模型的電壓、電流特性設計目標函數，其中，目標函數中的電壓期望值為DC-DC變換器實際電壓期望，目標函數中的電流期望值為預測模型的穩態電流值I_ref；

步驟4：確定預測控制策略，即成。

本發明的有益效果是：

1)本發明基于簡化離散模型進行預測控制策略決策，數學模型簡單，直接提供優化控制決策的解析式，優化問題求解計算量小，能夠實現控制決策在線計算。

2)本發明中的控制策略不受DC-DC變換器運行模式限制，變換器即可單獨工作于電流連續運行模式(CCM)，也可單獨工作于電流斷續運行模式(DCM)，還可工作于CCM和DCM的混合模式。

3)本發明中的控制策略為DC-DC變換器提供輸出電壓優化運行軌跡，可避免DC-DC變換器啟動過程中的電壓過沖現象。

4)本發明通過DC-DC變換器對優化輸出電壓軌跡的跟蹤，修正模型簡化及變換器線路寄生參數對控制誤差的影響，同時兼顧DC-DC變換器在各種運行條件下對輸出電壓調節的準確性及快速性。

附圖說明

圖1是本發明方法采用的控制策略原理示意圖；

圖2是DC-DC變換器處于CCM狀態的電感電流的示意圖；

圖3是DC-DC變換器處于DCM狀態的電感電流的示意圖；

圖4為理想Boost變換器的電路拓撲圖；

圖5為負載變化時本發明離散預測模型的電壓輸出結果；

圖6為輸入變化時本發明離散預測模型的電壓輸出結果；

圖7為負載變化時DC-DC變換器的電壓輸出結果；

圖8為輸入變化時DC-DC變換器的電壓輸出結果。

具體實施方式

下面結合附圖和具體實施方式對本發明進行詳細說明。