[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

技術領域

本發明屬于開關電源控制技術領域，具體涉及一種基于LQR(線性二次型調節器)最優控制的DC-DC變換器數字化控制方法。

背景技術

近些年高頻DC-DC變換器的數字化控制越來越受到國際學術界和工程界的關注，隨著數字化控制系統的不斷深入研究和發展，數字化控制方法越來越廣泛地應用于對高頻和中小功率的開關電源變換器控制。數字化控制的可編程性彌補了傳統模擬補償控制方法的不足，能夠設計更高級更復雜的控制算法并應用于工程中。

目前在實際工程應用中，相對于傳統模擬補償控制方法的反復試驗設計方法，工程師們更傾向采用數字化補償控制方法，但他們常常習慣采用傳統模擬控制器設計方法，如通過系統波特圖進行零極點配置等相關技術。因此對傳統模擬控制方法進行數字離散的方法越來越多，盡管模擬到數字的轉化能夠得到比較好的控制效果，但在離散化過程中對參數的忽略和零階保持器的延遲等問題會造成一定的不良影響，并且補償網絡零極點的選取是否合適極大影響系統控制性能，正因如此補償網絡設計需要經過反復嘗試驗證的過程。

數字控制理論提出采用狀態反饋最優控制來自動優化零極點配置方法，H.S Bae在【H.S.Bae,J.H.Yang,J.H.Lee,B.H.Cho,“Digital state feedback current control using the pole placement technique,”Journal of Power Electronics,2007,Vol.7,No.3,pp:213-221】中提出采用數字化狀態反饋方法控制電流控制型DC-DC變換器，但上述方法中假設了所有狀態都是可測的并且反饋比例增益的選取也是通過經驗法獲得的，該算法也沒有考慮對電壓設定值的跟蹤性能，因此實際應用中性能相比模擬補償網絡有很大差距。

發明內容

本發明的目的在于針對現有技術的不足，提供一種基于LQR最優控制的DC-DC變換器數字化控制方法，采用卡爾曼濾波方法實現DC-DC變換器不可測狀態變量的估計，設計帶有積分控制、考慮參考輸入電壓跟蹤性能的LQR最優控制器，并進行了抗積分飽和處理和手自動控制模式切換設計，提出了控制器權重參數的選取方法。

本發明的目的是通過以下技術方案來實現的：一種基于LQR最優控制的DC-DC變換器數字化控制方法，包括手自動控制模式切換的設計、狀態觀測器設計、帶積分控制和考慮參考輸入電壓跟蹤性能的LQR最優控制器設計、抗積分飽和處理的設計，具體包括以下步驟：

(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)；為保證手動模式能夠平滑的切換到自動模式，在手動控制模式時，自動控制器也需要實時跟蹤真實狀態計算控制器輸出，為此需要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)為手動模式下參考電壓設定值r_manual(k)，等于真實測量值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)等于手動模式下的占空比設定值u_manual(k)，此時u(k)＝u_manual(k)；如此可避免手動模式時控制器由于誤差的持續累加而進入到積分飽和區；在自動控制模式時，控制器的參考電壓設定值r(k)為自動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)；手自動控制模式切換方法保證了兩種工作模式的平滑切換；

(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為控制器的狀態反饋設計奠定基礎；