[發明專利]一種基于免疫算法的雙向DC-DC變換器自抗擾控制方法

有效

• 申請號: 201810700721.1
• 申請日: 2018-06-29
• 公開（公告）號: CN108736722B
• 公開（公告）日: 2020-06-26
• 發明（設計）人: 楊惠;駱姍;孫向東;張琦;晁凱悅
• 申請（專利權）人: 西安理工大學
• 主分類號: H02M3/158
• 分類號: H02M3/158;H02J3/24;H02J3/28;H02J3/38
• 代理公司: 西安弘理專利事務所 61214
• 代理人: 寧文濤

1.一種基于免疫算法的雙向DC-DC變換器自抗擾控制方法，其特征在于，雙向DC-DC變換器采用電壓電流雙閉環控制，電流內環采用基于免疫算法的自抗擾控制器，電壓外環采用PI控制器；

所述基于免疫算法的自抗擾控制器的設計過程如下：

步驟a、基于雙向DC-DC變換器，選擇獨立式PWM控制方式，分別在Buck模式和Boost模式下建立數學模型；

Buck模式下的狀態空間平均方程為：

Boost模式下的狀態空間平均方程為：

式中，V_dc為直流母線電壓，V_b為超級電容器端電壓，R_dc為直流母線側電源等效內阻，R_b為儲能側的等效內阻，C₁為直流母線支撐電容，C₂為儲能側的濾波電容，L為電感值，V_C1和V_C2分別為直流母線支撐電容和濾波電容電壓，i_L為電感電流，d_Buck和d_Boost分別為雙向DC-DC變換器工作于Buck模式和Boost模式時的占空比；

步驟b、根據步驟a中的Buck模式下的狀態空間平均方程和Boost模式下的狀態空間平均方程分別得出兩種模式下控制至電感電流的傳遞函數：

Buck模式：

Boost模式：

其中，L為電感值，D_Boost為Boost模式時占空比的穩態值，I_L為電感電流的穩態值；

步驟c、設計擴張狀態觀測器

由式(3)得到如下狀態方程：

由式(4)得到如下狀態方程：

將式(5)和式(6)寫為如下的一般二階系統形式：

其中，Buck模式時：

Boost模式時:

其中，為Buck模式和Boost模式時系統的內外擾動，b為補償因子，u為最終控制信號，對于內環控制器而言，系統的輸入為占空比d；

然后，將拓展為新的狀態變量x₃，并建立如下擴張狀態觀測器的方程：

其中，z₁、z₂分別為擴張狀態觀測器觀測到的跟蹤信號和微分信號，z₃為估計的系統總擾動信號，β₀₁、β₀₂和β₀₃為擴張狀態觀測器的觀測器增益，α₀₁、α₀₂和α₀₃是非線性函數f_al的非線性參數，δ₀為線性區間，e為跟蹤信號和電感電流的誤差；

步驟d、結合跟蹤微分器和非線性反饋控制律，得二階自抗擾控制器的離散實現形式

表示如下：跟蹤微分器

最速控制綜合函數fhan(x₁，x₂，r，h)的離散化算法公式為：

擴張狀態觀測器

非線性函數f_al的表達式為：

非線性反饋控制律

其中，T為采樣周期，k為采樣時刻，h為濾波因子，r為速度因子，c、c₀、y、a、a₀均為中間變量，α₁和α₂為非線性反饋控制律的非線性參數，β₁和β₂為非線性組合的可調參數，u₀為初始控制信號，u為最終控制信號，e₁(k)和e₂(k)分別為k時刻時，跟蹤微分器輸出的跟蹤信號和微分信號與電感電流的跟蹤信號和微分信號的誤差；

步驟e、用免疫算法對自抗擾控制器中的擴張狀態觀測器增益和非線性反饋控制律參數進行自適應整定

免疫算法中誤差信號和控制器輸出的關系式為：

u(k)＝K{1-λmg[Δu(k)]}e(k) (16)

式中，K是增益參數，m為比例系數，Δu(k)為控制信號的變化量，函數g是調節函數，α為作用系數；

將離散實現形式的擴張狀態觀測器和非線性反饋控制律改寫為與免疫算法相對應的形式，如式(18)和式(19)所示：

u₀＝K₂[1-λmg(Δu₀)][β₁f_al(e₁,α₁,δ₀)+β₂f_al(e₂,α₂,δ₀)] (19)

其中，K₀₁＝K₁β₀₁，K₀₂＝K₁β₀₂，K₀₃＝K₁β₀₃，K₁和K₂是增益參數，λ表示調節過程中的免疫調節作用，m為比例系數，Δz₁、Δz₂、Δz₃和Δu₀為擴張狀態觀測器輸出和控制信號的變化量，函數g是調節函數；

所述基于免疫算法的雙向DC-DC變換器具體控制步驟如下：

步驟1、將直流母線電壓的給定值和反饋值的誤差經過PI控制器處理，輸出電流內環的給定值；

步驟2、電流內環的給定值經過自抗擾控制器中的跟蹤微分器安排的過渡過程，生成電流內環的給定值的跟蹤信號和微分信號；

步驟3、擴張狀態觀測器通過對電感電流和控制信號的觀測，輸出電感電流的跟蹤信號和微分信號，同時估計出系統的總擾動信號；

步驟4、將跟蹤微分器輸出的跟蹤信號和微分信號與電感電流的跟蹤信號和微分信號分別作差，得到兩個誤差信號，兩個誤差信號經過非線性反饋控制律進行非線性組合，生成初始控制信號；

步驟6、將擴張狀態觀測器估計出的總擾動信號補償到初始控制信號中，得到最終的控制信號，最終的控制信號經過PWM發生得到PWM信號，最后經過邏輯運算選擇雙向Buck-Boost變換器的工作模式，得到開關管的驅動信號，用于驅動開關管工作。

2.根據權利要求1所述的一種基于免疫算法的雙向DC-DC變換器自抗擾控制方法，其特征在于，所述雙向Buck-Boost變換器工作模式的選擇方式為：當直流母線電壓的反饋值大于給定值的時候，雙向DC-DC變換器工作在Buck模式，當直流母線電壓的反饋值小于給定值的時候，雙向DC-DC變換器工作在Boost模式。