[發明專利]一種基于擴張狀態觀測器的Boost型變換器的滑模控制方法

在審

• 申請號: 202110007489.5
• 申請日: 2021-01-05
• 公開（公告）號: CN112615538A
• 公開（公告）日: 2021-04-06
• 發明（設計）人: 鄭詩程;齊夢夢;舒瑩;郎佳紅;張為民
• 申請（專利權）人: 安徽工業大學
• 主分類號: H02M3/157
• 分類號: H02M3/157
• 代理公司: 安徽知問律師事務所 34134
• 代理人: 平靜

本發明公開了一種基于擴張狀態觀測器的Boost型變換器的滑模控制方法及系統，屬于電力電子及其控制技術領域；本發明的步驟為：一、建立Boost變換器的數學模型，得到關于電感電流i_L和輸出電壓V₀的微分方程；二、設計擴張狀態觀測器，對負載電阻變化和輸入電壓波動分別進行估計，得到并得到三、基于Boost變換器的非最小相位特征，設計基于擴張狀態觀測器的滑模控制器。本發明以系統的電感電流、電容電壓為狀態變量，依靠時間平均技術，將時變、非線性的開關電路轉換為等效的時不變、線性的連續電路，搭建通用的系統狀態空間平均模型，從而提高了控制方法的實用性。

技術領域

本發明涉及電力電子及其控制技術領域，更具體地說，涉及一種基于擴張狀態觀測器的Boost型變換器的滑模控制方法。

背景技術

隨著現代科學技術的飛速發展，特別是電力電子技術、微電子技術、數字控制技術和現代控制理論的巨大進步，為電力電子直流開關電源系統的發展創造了有利條件，特別是在機器人、精密雷達、軍用武器和新能源光伏系統等對直流開關電源控制性能要求越來越高的領域，直流變換器系統受到越來越多的關注。

目前，直流Boost變換器系統多采用雙閉環的控制結構，即內環為電流控制環，外環為電壓控制環，控制器多采用PI調節器。其中電流環的作用是提高系統的快速性，及時抑制電流內部的干擾；電壓環的作用是提高系統抗負載擾動的能力，抑制電壓穩態波動。

在實際直流供電設備中，由于直流變換器系統的工作場合大多要求輸出電壓精度很高，而且要求能夠快速適應各種不同的工況。但由于目前采用的是PI控制器，當系統工作在不同的工況下(例如在有擾動的情況下)，其主要利用積分消除擾動對輸出電壓的影響，這是一種被動且速度較慢的控制方式，特別是在系統遇到快速時變或者周期性的擾動時，很難快速地跟蹤給定電壓。這些擾動主要包括負載變化和電壓輸入波動等。如果控制器不對這些擾動快速主動的進行處理，則閉環系統很難達到快速且高精度的電壓輸出性能。因此在Boost變換器系統存在擾動的情況下，若系統能夠及時地對擾動進行處理，就能夠進一步提高電力電子變換器系統的跟蹤速度和精度，從而滿足電力電子系統在高精度電壓輸出工作領域的應用。

為了能夠及時對系統擾動進行處理，提高電力電子直流變換器系統的跟蹤精度，國內外學者進行了大量的研究。期刊《中國電機工程學報》中第31卷，第30期，第16-22頁，提出了一種改進的Boost變換器精確反饋線性化滑模變結構控制系統，研究了基于精確反饋線性化的Boost變換器滑模變結構控制方法，應用該方法設計了基于Boost變換器的滑模變結構控制器，并對該控制系統進行了實驗分析。結果表明，這種改進的Boost變換器精確反饋線性化滑模變結構控制算法對Boost變換器系統是適合的，具有較強的實用性。但是該系統的不足之處在于：雖然該控制系統具有較強的實用性，但是該控制系統主要是通過研究精確反饋線性化非線性控制進行改進，并未考慮到參數的不確定性。

期刊《電氣傳動》中第49卷，第5期，第55-58頁，提出了基于狀態觀測器的DC-DC升壓變換器滑模控制方法，依據典型的基于PWM的DC-DC升壓變換器平均電路模型，按照系統控制目標，采用狀態觀測器實時估計輸入電壓和負載電阻的值，并將估計值反饋給控制器；利用估計值設計自適應滑模面，并結合指數趨近律得到控制律，使變換器輸出電壓能夠跟蹤參考電壓，仿真驗證該控制方法合理有效。但是該方法的不足之處在于：雖然可以改善傳統PI控制策略動態響應較慢、穩態性能較差和對負載變化和輸入電壓變化等擾動的抗干擾性能差的問題，但其并未對傳統線性滑模函數存在的缺陷進行進一步的研究。