[發明專利]基于LQR最優控制的DC?DC變換器數字化控制方法

有效

• 申請號: 201510320488.0
• 申請日: 2015-06-11
• 公開（公告）號: CN104953834B
• 公開（公告）日: 2017-05-03
• 發明（設計）人: 劉佳;李修亮;張夢婷;蘇宏業
• 申請（專利權）人: 浙江大學
• 主分類號: H02M3/157
• 分類號: H02M3/157
• 代理公司: 杭州求是專利事務所有限公司33200
• 代理人: 邱啟旺

1.一種基于LQR最優控制的DC-DC變換器的數字化控制方法，其特征在于，包括以下步驟：

(1)通過開關控制手動控制模式和自動控制模式的切換，輸出不同模式的控制變量占空比u(k)和參考電壓r(k)；對手動控制模式下自動控制器做如下處理：①跟蹤模式：控制器的參考電壓設定值r(k)為手動控制模式下參考電壓設定值r_manual(k)，等于輸出電壓真實值y(k)，此時r(k)＝r_manual(k)＝y(k)；②估計模型：狀態觀測器的輸入變量占空比u(k)等于手動控制模式下的占空比設定值u_manual(k)，此時u(k)＝u_manual(k)；在自動控制模式時，控制器的參考電壓設定值r(k)為自動控制模式下參考電壓設定值r_auto(k)，控制器的控制變量占空比u(k)等于自動控制模式下的控制變量u_auto(k)，狀態觀測器的輸入變量占空比u(k)等于u_auto(k)；

(2)基于DC-DC變換器的離散狀態空間模型采用卡爾曼濾波方法設計狀態觀測器，定義Φ、Γ、H為離散狀態空間方程系數矩陣；將控制變量占空比u(k)和DC-DC變換器輸出電壓y(k)輸入到狀態觀測器，離線計算得出狀態觀測器的穩態卡爾曼估計增益M，得到DC-DC變換器的不可測狀態變量的估計值

(3)基于DC-DC變換器離散狀態空間模型引入一個積分狀態變量x_I(k)，滿足x_I(k+1)＝x_I(k)+e(k)，其中e(k)定義為輸出電壓設定值r(k)與輸出電壓真實值y(k)的誤差，滿足e(k)＝r(k)-y(k)；基于原有的離散狀態空間模型和引入的積分狀態變量x_I(k)建立增廣離散狀態空間模型設計LQR最優控制器；DC-DC變換器控制變量占空比定義為其中K_I和K分別為積分狀態變量和DC-DC變換器狀態變量的比例增益，為參考輸入電壓跟蹤性能計算參數；

基于LQR穩態最優控制算法，選取控制器權重參數Q和R，離線計算得到K_I和K；

參考輸入電壓跟蹤性能計算參數的計算需要定義參數矩陣N_x和期望狀態變量x_r(k)滿足x_r(k)＝N_xr(k)，當系統是Ⅰ型及以上系統時則不存在穩態誤差，此時x(∞)＝x_r(k)，當系統是0型系統時需要定義參數矩陣N_u和穩態控制變量u_ss(k)＝N_ur(k)，當系統處于穩態時基于DC-DC變換器離線狀態空間模型推導計算得出N_x、N_u和滿足

最終計算得出自動控制模式下的控制變量u(k)；

(4)進行u(k)抗積分飽和處理的方法為：控制變量占空比u(k)滿足條件0<u_min≤u(k)≤u_max<1，在計算u(k)之前判斷上一次的占空比輸出u(k-1)是否超過限制，針對正作用控制器，當控制變量u(k-1)小于設定下限值u_min則只積累正向積分作用，當控制變量u(k-1)大于設定上限值u_max時則只積累負向積分作用，反作用控制器則需要相反的方向累加積分作用。

2.根據權利要求1所述一種基于LQR最優控制的DC-DC變換器的數字化控制方法，其特征在于，所述步驟(3)中，所述LQR穩態最優控制器的權重參數Q和R的選取方法具體如下：定義Q＝diag(Q_i,Q_j)，其中Q_i和Q_j分別定義為積分狀態變量和DC-DC變換器狀態變量的權重參數；Q_i對系統穩定性的影響比較大，當Q_i選取過大時會造成條件穩定，[Q_j R]影響相對比較小，[Q_i Q_j R]要根據它們分別對應的積分狀態變量、DC-DC變換器狀態變量和操作變量對輸出電壓y(k)的影響權重進行選取，Q_j的選取要基于狀態空間模型輸出系數矩陣，Q_i與Q_j選取相同量級。