Buck变换器滑模控制研究

*,Northeastern University,答辩人 ：孙明志,指导教师 ：郑艳 副教授,Buck,变换器的滑模控制研究,Sunday, September 15, 2024,绪论,Buck,变换器的原理与数学模型,Buck,变换器的自适应积分滑模控制,Buck,变换器的自适应动态滑模控制,结论与展望,Sunday, September 15, 2024,课题背景及研究意义,开关电源作为电力电子技术的一个重要分支，从,20,世纪,70,年代开始风靡于欧、美、日等世界各国，广泛应用于远程,及数据通讯、计算机、办公自动化设备、工业仪器仪表、军,事、航天等领域。由于高频开关电源在重量、体积、能耗等,方面都比线性电源有显著减少，而且整机的多项关键技术指,标如效率、输出纹波、动态响应等有很大提高，因此开关电,源的应用得到了迅速推广，使得高频开关电源成为十分活跃,的热门技术。,DC/DC,变换器作为开关电源最核心的组成部分，其主,要功能是把不可调的直流电源变为可调的直流电源 。目前，,绪论,Sunday, September 15, 2024,DC/DC,变换器大部分采用线性化控制技术 ，常用的,PID,控,制系统对系统参数的变化比较敏感，当负载大范围变化时，,DC/DC,变换器有动态响应速度慢、输出波形有畸变等缺,点。所以，近年来很多开关变换器领域的专家致力于研究,新的控制技术，其中模糊控制、神经网络控制以及混沌控,制都得到广泛研究以及实际应用。而滑模变结构控制是一,种非线性控制理论，对电力电子开关变换器非线性特质具,有天然的适用性，采用滑模变结构控制的变换器具有稳定,范围宽、动态响应快、鲁棒性强、控制实现简单等优点，,成为研究的热点。本文以,Buck,变换器为例，探讨了滑模变,结构控制方法在,Buck,变换器上的应用，并分析了实际应用,中存在的问题，提出了相应的解决方案。,Sunday, September 15, 2024,Buck,变换器是将输入电压进行降压变换的直流斩波器，即输出电压低于输入电压，基本电路如下所示,Buck,变换器的工作原理,Buck,变换器的原理与数学模型,Sunday, September 15, 2024,分析方便，对理想模型有以下假设：,（,1,）开关器件、二极管均是理想元件,（,2,）电感、电容是理想元件,开关,T,导通时的,Buck,电路图,Sunday, September 15, 2024,开关,T,关断时的,Buck,电路图,Sunday, September 15, 2024,若设电容电压为,x,1,，电感电流为,x,2,，那么当,T,关断时如,1,式，,当,T,导通时模型如,2,式,Buck,变换器的数学模型,(1),(2),Sunday, September 15, 2024,状态空间平均法是以某种意义下的一周期平均值为求解量,的连续的状态方程，近似代替在一周期中不同时间段成立的分,段状态方程。该方法的本质是时间平均，其目的是将开关变换,器变为非时变电路。若采用,PWM,控制技术，即保持开关周期,T,不变，调节开关导通的时间与开关周期,T,的比值,u,的控制方法，,那么若定义如下的平均算子,Sunday, September 15, 2024,状态空间平均模型,其中,d(t),在,0,和,1,之间变化。由于开关周期,T,很小，所以可以,认为在一个周期,T,内， ，可得,Buck,变换器的,状态空间平均模型如下,Sunday, September 15, 2024,为了分析问题方便，将上述状态方程化成标准型，并考虑负载,的不确定性及最终的控制目标后，取,x,1,为电容的误差电压，,x,2,取,为,x,1,的导数，则系统可以化成如下误差状态方程的形式,为考虑了负载变化的不确定参数,Sunday, September 15, 2024,Buck,变换器的自适应积分滑模控制器,问题描述,考虑如下不确定的二阶系统,(1),Sunday, September 15, 2024,将积分型切换函数设计为,(2),(2),(2),(3),当系统状态处于滑模面上时，由,(4),Sunday, September 15, 2024,将,(4),代入,(1),式可得滑动模态方程为,(5),积分滑模控制器设计,(6),稳定性分析,(7),Sunday, September 15, 2024,自适应积分滑模控制器的设计,设计自适应律为,(9),(8),稳定性分析,(10),(11),Sunday, September 15, 2024,改进自适应积分滑模控制器,的摄动，原系统变为,考虑系统参数,(12),其中,将式,(8),(12),代入,可得,Sunday, September 15, 2024,(13),设计新的控制器为,(14),是对,上界,的估计，,的估计。,是对,上界,Sunday, September 15, 2024,设计自适应律为,(15),(16),稳定性分析,其中,。,(17),Sunday, September 15, 2024,(18),由于,因此,Sunday, September 15, 2024,仿真研究,根据式,(2),设计如下的积分滑模切换函数,根据（,8,）式，设计如下的自适应积分滑模控制器,(19),(21),Sunday, September 15, 2024,(22),根据（,14,）式，设计改进的自适应积分滑模控制器,系统参数为,控制器设计参数为,Sunday, September 15, 2024,Sunday, September 15, 2024,Sunday, September 15, 2024,Sunday, September 15, 2024,Sunday, September 15, 2024,Buck,变换器的自适应动态滑模控制,问题描述,考虑如下不确定的二阶系统,(1),一般动态滑模的设计过程是首先定义切换函数为,(2),Sunday, September 15, 2024,由,求得等效控制为,(4),将等效控制,(3),式代入原系统状态方程,(2),式可得滑动模态方程为,(3),(5),对切换函数,(2),式,求导得,Sunday, September 15, 2024,采用等速趋近律,(6),则由式,(5),、式,(6),得到动态控制律为,(7),动态滑模控制器为,(8),Sunday, September 15, 2024,考虑本文,Buck,变换器所提出的不确定二阶系统,(10),如果仍然按照上述一般线性二阶系统的设计方法，则此,时的滑动模态方程变为,(9),Sunday, September 15, 2024,自适应动态滑模控制,选取如下切换函数,(11),其中,为对系统中未知参数,的估计,此时的等效控制为,(12),Sunday, September 15, 2024,可得滑动模态方程为,(13),自适应动态滑模控制器设计,定义含不确定参数的状态,的观测器为,(14),其中,Sunday, September 15, 2024,定义,Lyapunov,函数为,(15),由式,(9),和式,(11),得,(16),将式,(16),代入可得,对,(11),式求导得,(18),(17),Sunday, September 15, 2024,其中,动态滑模控制律为,(19),(21),则,(20),Sunday, September 15, 2024,将上两式代入,令自适应律为,(22),将,(22),式代入,最终的自适应动态滑模控制器为,(23),Sunday, September 15, 2024,仿真研究,根据式,(2),设计如下的动态滑模切换函数,根据式,(8),，设计如下的动态滑模控制器,根据式,(23),，,设计如下的自适应动态滑模控制器,Sunday, September 15, 2024,系统参数为,控制器设计参数为,Sunday, September 15, 2024,Sunday, September 15, 2024,Sunday, September 15, 2024,Sunday, September 15, 2024,Sunday, September 15, 2024,Sunday, September 15, 2024,本文主要结论,1.,针对工程中对,Buck,变换器输出电压精度的更高要求， 设计了自适应积分滑模控制器，即解决了传统滑模中存在的静差，又解决了常规积分滑模设计中必须知道负载上界的问题，但这种方案当输入电压波动时，会出现较大误差，分析了原因之后，提出了改进的自适应积分滑模，提高了输出电压的精度。,2.,针对实际中抖振对,Buck,变换器的影响，采用了动态滑模来消抖，分析了负载变动使得动态滑模控制对本系统失效的原因之后，提出了自适应动态滑模控制的解决方案，设计了新的切换函数与控制器，仿真验证了其有效性,。,Sunday, September 15, 2024,针对本文，今后还可以对以下问题进行具体改进,1.,在,Buck,变换器的自适应动态滑模控制中，只针对负,载扰动进行了探讨，并没有考虑输入电压的变化，所,以进一步探讨此问题，对工程实践是很有意义的。,2.,本文针对,Buck,变换器设计的控制器结构相对复杂，如,果只采用传统的模拟电路实现，肯定会引起一定误差，,所以如何将上述方法推广到离散控制，以便采用,DSP,对,Buck,变换器进行数字控制，,有很大的应用价值。,Sunday, September 15, 2024,谢谢大家！,Sunday, September 15, 2024,