（电力系统及其自动化专业论文）基于切换线性系统的dcdc变换器控制基础理论研究.pdf

华南理工大学博十学位论文 明单厨期控弗十在b o o s tp f c 变换器中的适用性，为新型控制理论与技术在变换器 中应用的普适性研究提供一种理论分析方法。 四是d c d c 变换器切换线性系统能观性理论研究。能观性是构造系统状态 观溅器，实现系统状态反馈控制的基石。基于切换线性系统的能观性理论，提出 d c d c 变换器的能观性定义，并从数学模型上严格证明d c d c 变换器的能观性； 根据p w m 控制d c d c 变换器的特点，提出变换器一个周期之后和多周期的能观 性，形成d c d c 变换器的能观性研究理论，为变换器构造状态反馈控制奠定理 论基础。 五是d c d c 变换器切换线性系统输出能控性理论研究。输出能控性是系统 控制理论中的一个重要概念，它是能观性的前提条件和必要条件，也有别于状态 能控性。基于切换线性系统输出能控性理论，从系统控制理论的角度提出d c ，d c 变换器的输出能控性理论，基于数学模型严格证明d c d c 变换器的输出能控性； 根据p w m 控制d c d c 变换器的特点，提出变换器一个周期之后和多周期的输出 能控性，形成d c d c 变换器的输出能控性研究理论。理论分析和实验结果均表 明，从工程实践中提炼出的基本d c d c 变换器具有很好的输出能控性。 六是d c d c 变换器切换线性系统新型切换控制器研究。在切换线性系统理 论中，切换序列描述了切换模式的演化规律，切换控制器实现了切换序列。目前， 切换控制器的设计已经成为切换线性系统中的一个研究热点，还没有一种通用的 设计方法。将一类特殊的d c d c 变换器切换线性系统模型简化为双线性系统模 型，利用双线性系统稳定性理论，提出d c d c 变换器中切换控制器的一种设计 方法。双线性b o o s t 变换器作为分析对象，采用新型切换控制器的b o o s t 变换器 表现出良好的输出调节特性，仿真分析和实验结果验证了新型切换控制器的有效 眭。 关键词：切换线性系统；d c d c 变换器；能控性；稳定性；能观性；输出能控性 切换控制器 a b s t r a c t a b s t r a c t p o w e rc o n v e r t e r sb e i n gt y p i c a ls w i t c h e dn o n l i n e a rs y s t e m ，t h em o d e l i n ga n d a n a l y s i sa l w a y se m p l o yt h ei d e a si nl i n e a rs y s t e m sf o re p i s t e m o l o g yl i m “a t i o nf o ra 1 0 n gt i m e ，w h i c h l e a d st os om a i l yc h a r a c t e r i s t i c su n k n o w nf o rp o w e rc o n v e r t e r s a d d i t i o n a l l y o p e r a t i o np e r f o r m a n c eo fp o w e rc o n v e r t e r si so n l y s t u d i e df r o mt h e v i e w p o i n to ft o p o l o g ys t r u c t u r ef o r m e r l y i nf a c t ，a so n ek i n dc o n t r o ls y s t e m ，p o w e r c o n v e r t e r ss h o u l db es t u d i e df o mt h ev i e w p o i n to fc o n t r o l l a b i l i t y ， r e a c h a b i l i t y ， s t a b i l i z a b i l i t y ，o b s e r v a b i l i t y a n d o u t p u tc o n t r o l l a b i l i t y i ns u c hc a s e ，t h et h e o r y a n a l y s i ss y s t e mc a nb eb u i l ta ds y n t h e s i sd e s i g na p p r o a c ha n do p t i m a lc o n t r o l m e t h o do fp o w e rc o n v e r t e r sc o u l db eo b t a i n e dc o n s e q u e n t l y ， w i t hw h i c hp o w e r e l e c t r o n i c sd i s c i p l i n eh o l d sc o m p l e t e n e s sa n dm a t u r i t y i nt h i sd i s s e n a t i o n ，f r o mt h ev i e w p o i n to fc o n t r o ls y s t e md e v e l o p m e n t s ：l i n e a r s y s t e mt on o n l i n e a rs y s t e m ，t h e nt oh y b r i dd y n a m i cs y s t e m ，p o w e rc o n v e r t e r sa r e c o n s i d e r e da so n ek i n dh y b r i dd y n a m i cs y s t e mc o m b i n e dc o n t i n u o u ss t a t ev a “a b l e w i t hd i s c r e t es w i t c h e dv a r i a b l et o g e t h e r ，t h a ti sc a n e da ss w i t c h e dl i n e a rs y s t e mi n g e n e r a l d c - d cc o n v e r t e r sa r ec h o s e na sr e s e a r c ho b j e c t i v e s i n v e s t i g a t e d a n d c o m p l e t es y s t e ma n a l y s i st h e o r i e sf r o mm o d e l i n gt oc o n t r o lf u n d a m e n t a lt h e o “e so f c o n t r o ls y s t e ma r eo b t a i n e d ，w h i c hm a k eu pt h es h o r t a g eo ff u n d a m e n t a lt h e o r i e so f p o w e rc o n v e r t e r sa sc o n t r o ls y s t e m t h em a i nc o n t e n t sa r el i s t e da sf o l l o w s 1 ) s w i t c h e dl i n e a rs y s t e mm o d e l i n gt h e o r yf o rd c d cc o n v e r t e r s a c c o r d i n gt o t o p o l o g i e sa n do p e r a t i o np r i n c i p l eo fd c d cc o n v e r t e r s ，d e f i n i t i o na n dn o m a l i z e d f o r mo fs w i t c h e d1 i n e a rs y s t e ma r eg i v e na n df e a s i b i l i t ys t u d yo ns w i t c h e dl i n e a r s y s t e mt h e o r yf b rt h em o d e l i n go fd c d cc o n v e r t e r si sp r e s e n t e d s w i t c h e d1 i n e a r s y s t e mm o d e l so fb a s i cd c d cc o n v e r t e r sw i t hd i f 结r e n to p e r a t i o nm o d e sa n dv a r i o u s p a r a m e t e r s a r eb u i l t ， s w i t c h e dl i n e a r s y s t e m m o d e l so fi s o l a t i o nc o n v e r t e r s ， t h r e e l e v e lc o n v e r t e r sa n dr e s o n a n tc o n v e r t e r sa r eo b t a i n e d t h e r e b y ，t h eu n i v e r s a l m e i h o do fs w i t c h e dl i n e a rs y s t e mm o d e l sf o rd c d cc o n v e r t e r si sp r o p o s e da n dt h e n u n i f i e dm o d e l i n gt h e o r yo fd c - d cc o n v e r t e r sa ss w i t c h e dl i n e a rs y s t e mi so b t a i n e d 2 ) c o n t i n u i t ya n du n i v e r s a l i t ys t u d yb e t w e e ns w i t c h e dl i n e a rs y s t e mm o d e l sa n d e x i s t i n gm o d e l so fd c d cc o n v e r t e r s m a t r i xc o e f h c i e n tp 0 1 y n o m i a li n t e r p o l a t i o n m e t h o di si n t r o d u c e d ， w i t hw h i c hs w i t c h e dl i n e a r s y s t e m m o d e l so fd c d c c o n v e r t e r sa r ec a l c u l a t e da n dt h e nal i n e a r s y s t e md i r e c t l y c h a r a c t e r i z e dt h e 华南理工大学博士学位论文 c o r r e l a t i o nb e t w e e nc o n t i n u o u sv a r i a b l ea n dd i s c r e t ev a r i a b l ei sg o t t e n s t u d yr e s u l t s i n d i c a t et h a tf a m o u ss t a t e s p a c ea v e r a g em o d e li so n l yas p e c i a la p p l i c a t i o no ft h e l i n e a rs y s t e ma n dp r i n c i p l eo fa r e ar u i ei sp r o p o s e d s t e a d y s t a t ea n a l y s i sa n d s i m u i a t i o nr e s u l t sb o t hv e r i f yt h a tt h el i n e a rs y s t e mi sa v a i l a b i ea n dp r a c t i c a l ，w h i c h s h o w st h a ts w i t c h e dl i n e a rs y s t e mm o d e l so fd c d cc o n v e r t e r sh o l du n i v e r s a l i t y 3 )c o n t r o n a b i l i t y r e a c h a b i l i t ya n ds t a b j l i z a b i “t yt h e o r ys t u d y o nd c - d c c o n v e r t e r sa ss w i t c h e dl i n e a rs y s t e m c o n t r o l l a b i l i t y ，r e a c h a b i l i t ya n ds t a b i l i z a b i l i t y a r ep r e r e q u i s i t ef o rp o w e rc o n v e r t e r ss t e a d yo p e r a t i o n b a s e do n c o n t r o l l a b i l i t y ， r e a c h a b i l i t y a n d s t a b i l i z a b i l i t yt h e o r y o fs w i t c h e dh n e a r s y s t e m ， d e f i n i t i o no f c o n t r o l l a b i l i t y ，r e a c h a b i l i t ya n ds t a b i l i z a b i l i t yf b rd c d cc o n v e r t e r si sp r o p o s e da n d t h e nc o n t r o l l a b i l i t y ，r e a c h a b i l i t ya n ds t a b i l i z a b i l i t yo fd c d cc o n v e r t e r sa r ep r o v e d s t “c t l yf r o mm a t h e m a t i cm o d e l s a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i c so fp w md c d c c o n v e r t e r s ，c o n t r o l l a b i l i t ya n dr e a c h a b i l i t yi no n ep e r i o da n dm u l t ip e “o d so fp w m d c - d cc o n v e r t e r sa r ep r e s e n t e d t h u st h er e s e a r c ho fd c - d cc o n v e r t e r si sc h a n g i n g f o mp r e v i o u st o p o l o g i e ss t u d yt os y s t e mt h e o r ys t u d ya tp r e s e n t b o o s tc o n v e r t e r w i t ho n e c y c l ec o n t r 0 1i sg i v e na sa na p p l i c a “o ne x a m p l eo fc o n t r o l 】a b i l j t ya n a l y s i s ， a n do n e c y c l ec o n t r o l f e a s i b i l i t y f o rb o o s tc o n v e r t e r a c h i e v i n gp o w e r f a c t o r c o r r e c t i o ni sp r o v e ds t r i c t l yb a s e do ns y s t e mc o n t r o lt h e o r y ，w h i c hp r o v i d e sat h e o r y a n a l y s i sa p p r o a c ho ff b a s i b i l i t ys t u d yo nn o v e lc o n t r o lt h e o r ya n dt e c h n o l o g yf b r p o w e rc o n v e r t e r s 4 ) o b s e f v a b i i i t yt h e o r ys t u d yo nd c d cc o n v e r t e r sa ss w i t c h e dl i n e a rs y s t e m o b s e r v a b i i i t yi sp r e r e q u i s i t ef b rb u i i d i n gs t a t eo b s e r v e ra n dr e a l i z a t i o no fs t a t e f e e d h a c kc o n t r o li nc o n t r o ls y s t e m b a s e do no b s e r v a b i l i t yt h e o r yo fs w i t c h e dl i n e a r s y s t e m ， o b s e r v a b i i i t y d e f i n i t i o no fd c d cc o n v e r t e r si s p r o p o s e d ， a n dt h e n o b s e r v a b i l i t y o fd c d cc o n v e r t e r si s p r o v e ds t r i c t l yf r o mm a t h e m a t i cm o d e l s a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i c so fp w md c d cc o n v e r t e r s ，o b s e r v a b i l i t yi no n e p e r i o da n dm u l t ip e r i o d so fp w md c d cc o n v e r t e r si sp r e s e n t e d ，w h i c hn o to n l y f b r m so b s e r v a b i l i t ys t u d yt h e o r yo fd c - d cc o n v e r t e r sb u tp r o v i d e st h et h e o r yb a s i s f b rb u i l d i n gs t a t ef e e d b a c kc o n t r 0 1i np o w e rc o n v e r t e r s 5 ) o u t p u tc o n t r o i l a b i i i t yt h e o f ys t u d yo nd c - d cc o n v e r t e r sa ss w i t c h e di i n e a r s y s t e m 0 u t p u tc o n t r o l l a b i l i t yi saf u n d a m e n t a lc o n c e p ti nc o n t r o ls y s t e mt h e o r y ， w h i c hi sp r e r e q u i s i t ef o ro b s e r v a b i l i t ya n da l s od i 日c r e n tf r o ms t a t ec o n t r o l l a b i l i t y b a s e do n o u t p u tc o n t r 0 1 l a b i l i t yt h e o r y o fs w i t c h e dl i n e a r s y s t e m ，o u t p u t c o n t r o l l a b i m yt h e o r yo fd c d cc o n v e r t e r si sp r e s e n t e df r o mt h ev i e w p o i n to fs y s t e m c o n t r o lt h e o r y ，a n dt h e no u t p u tc o n t r o l l a b i l i t yo fd c - d cc o n v e r t e r si sp r o v e ds t r i c t l y i v a b s t r a c t t r o mm a t h e m a t l cm o d e i s a c c o r d m gt ot h ec h a r a c t e n s t l c so tp w md c - d cc o n v e r t e r s ， o u t p u tc o n t r o l l a b i l i t yi no n ep e r i o da n dm u l t ip e r i o d so fp w md c d cc o n v e r t e r si s p r e s e n t e d ，w h i c hf b r m so u t p u tc o n t r o l l a b i l i t ys t u d yt h e o r yo fd c - d cc o n v e r t e r s t h e o r ya n a l y s i sa n de x p e r i l n e n t a lr e s u l t sb o t hi n d i c a t et h a tb a s i cd c d cc o n v e r t e r s a r eo u t p u tc o n t r o l l a b l e 6 ) n o v e ls w i t c h e dc o n t r o l l e rs t u d yo nd c d cc o n v e r t e r sa ss w i t c h e dl i n e a r s y s t e m i ns w i t c h e d1 i n e a rs y s t e mt h e o r y ，d e p e n d e do ns w i t c h e dc o n t r o l l e r ，s w i t c h i n g s e q u e n c er e p r e s e m st h ee v o l u t i o nl a wo fs w i t c h e ds u b s y s t e m s a tp r e s e n t ，s w i t c h e d c o n t r o l l e rd e s i g nb e c o m e sv e r yh o ti ns w i t c h e dl i n e a rs y s t e m ，b u tt h e r ei sn og e n e r a l d e s i g nm e t h o d o n ek i n ds p e c i a ls w i t c h e dl i n e a rs y s t e mm o d e l so fd c d cc o n v e r t e r a r es i m p l i f i e da sb i l i n e a rs y s t e mm o d e l s w i t hs t a b i l i z a t i o nt h e o r yo fb i l i n e a rs y s t e m ， an o v e ld e s i g nm e t h o do fs w i t c h e dc o n t r 0 1 l e ri nd c - d cc o n v e r t e r si sg i v e n b i l i n e a r b o o s tc o n v e n e ri sc h o s e na st h er e s e a r c ho b j e c t i v ea n dg o o do u t p u tr e g u l a t i o no f b o o s tc o n v e r t e rw i t ht h e p r o p o s e ds w i t c h e d c o n t r o l l e ri so b t a i n e d s i m u l a t i o n a n a l y s i sa n de x p e r i m e n t a lr e s u l t sb o t hi n d i c a t et h a tn o v e ls w i t c h e dc o n t r o l l e ri s e f f 色c t i v ef b rb o o s tc o n v e r t e r k e y w o r d s ：s w i t c h e dl i n e a rs y s t e m ；d c d cc o n v e r t e r s ；c o n t r o l l a b i l i t y ；s t a b i l i z a b i l i t y ； o b s e r v a b i l i t y ；o u t p u tc o n t r o l l a b i l i t y ；s w i t c h e dc o n t r o l l e r v 华南理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担。 作者签名：瓿襄极 日期：伙，年6 月f 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权华南理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存 和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密囱。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名：若融系潋 导师签名：豸径l 陟 日期：们酊年侈月f 日 日期：彬年易月日 第一章绪论 第一章绪论 摘要：电力电子变换器作为一类典型的开关非线性系统，本章系统地回 顾了电力电子变换器的建模方法，综述了电力电子变换器中控制理论与 技术的发展现状，由此分析了对电力电子变换器控制基础理论研究的不 足，并从控制系统认识发展的角度：线性系统非线性系统混杂系统， 说明基于一类同时包含离散变量和连续变量的的混杂动态系统，即切换 线性系统理论研究电力电子变换器的必然性，提出本课题的研究意义。 电能转换是电能生产、传输和应用系统中极为重要的一环，随着电能需求的 不断扩大，电能供应同趋紧张，如何提高电能的转换效率尤为关键。电力电子技 术对电能转换效率的提高起到至关重要重要的作用，可以看成是弱电控制强电的 技术，是弱电和强电之间的接口【l 】。简单来说，电力电子技术具有极强的工程应 用背景，而电力电子变换器则是其中的关键技术，其应用无处不在。目前，电力 电子变换器在邮电通讯、军事设备、计算机、仪器仪表、工业自动化设备和家用 电器等民用电子工业和国防系统中有着极为广泛的应用。究其原因，主要是电力 电子变换器具有转换效率高、工作频率高、功率密度高、功率因数高、可靠性高 等特点2 1 。 为了进一步突出电力电子变换器的优点，提高电力电子变换器的电气性能， 在不断优化电力电子变换器拓扑结构的基础上，引入新型控制理论与技术是一种 非常有效而且是必不可少的方法。在将新型控制理论与技术应用于电力电子变换 器时，通常需要对变换器进行建模。电力电子变换器作为一类典型的开关非线性 系统，其研究方法具有一定的特殊性和相对的复杂性。因此，电力电子变换器的 建模成为一个十分困难而又没有得到很好解决的课题，电力电子变换器的建模研 究一直是国际上的一个热门研究课题【3 】。 1 1 电力电子变换器建模方法 1 1 1p w m 型变换器建模方法 目前，对p w m 型变换器的建模方法主要有电路平均法【4 1 、 5 6 1 、p w m 开关法7 1 和p w m 基本变换单元法【8 】等。 g w w e s t e r 提出的电路平均法是从变换器的拓扑结构出发， 状态空间平均法 对其中的非线性 华南理工大学博士学位论文 开关器件进行平均和线性化处理，得到几类电流连续模式下变换器的线性等效电 路。电路平均法的最大优点是等效电路和原电路保持拓扑结构一致。rd m i d d l e b r o o k 和sc u k 提出的著名的状态空间平均法，目前仍然得到广泛应用。该 方法基于p w m 型变换器各个工作模态的状态方程，利用开关占空比加权对时间 进行平均处理而得到统一的状态方程。经过小信号扰动和线性化处理之后，得到 统一的等效电路模型。该建模方法简单、不包含时变参数、便于分析和设计，因 此是一种广泛应用的建模方法。状态空间平均法的缺点是难以进行稳定性分析， 一般仅仅适用于中低频电力电子变换器，且只适用于小信号分析，难以分析系统 的大信号特性。 p w m 开关平均法的基本思想是将变换器的开关用时间平均模型代替，其主 要优点是避免了小信号假设，适用范围广，是一种非线性、大信号平均模型。同 时，建立的模型直接与原变换器拓扑结构对应，仅仅是将开关用相关模型代替， 模型中所有支路电流、节点电压均同原变换器中的电流和电压对应。其局限性和 状态空间平均法一样，即变换器的开关周期要小于变换器的时间常数，此外只适 用于电流连续模式电力电子变换器的建模。 此后提出的p w m 基本变换单元法将基本的p w m 变换器分为两大类，即b u c k 类变换器和b o o s t 类变换器，并把b u c k 变换器和b o o s t 变换器作为最基本变换器。 b u c k b o o s t 变换器和s e p i c 变换器经过附加一些线性装置、电感和电容可以重构 为b u c k 类变换器；c u k 变换器和z e t a 变换器经过附加一些线性装置、电感和电 容可以重构为b o o s t 类变换器，由此得到这些变换器工作在电流连续模式时的小 信号模型。文中称该方法可以推广应用到电流不连续模式时的变换器建模，但未 给出进一步的讨论。 1 1 。2 谐振型变换器建模方法 为了降低高频开关损耗，fcl e e 于1 9 8 8 年提出了准谐振变换器【9 j 。准谐振 变换器巧妙地利用开关器件的寄生参数，使得功率开关器件在零电压时导通或者 零电流时关断，因此有效地降低了高频工作时的开关损耗，使得变换器的开关频 率可以进一步提高，同时保持较高的转换效率。在此基础上，提出了多谐振变换 器【l 、全谐振变换器】等。目前，对谐振型变换器的建模方法有改进的状态空间 平均法1 2 。1 3 l 、等效电路模型法1 4 1 和高频网络平均法【1 5 1 等。 改进的状态空间平均法的主要思想是把状态变量分为快变量和慢变量，设法 将快变量进行处理，然后再对慢变量进行平均。文献【1 2 】提出的方法严格、简单， 可分析多模态变换器，但是缺乏明确的物理意义。文献 1 3 通过分析比较准谐振 变换器和对应的p w m 变换器，将快变量描述为慢变量和输入的线性组合，并从 2 第一章绪论 求出的p w m 变换器的平均模型中推导出准谐振变换器的平均模型。该分析方法 具有鲜明的物理意义，但是相对比较繁琐。文献【1 4 】中提出的等效电路模型法是 将变换器的开关管用三端元件等效替换，得到拓扑结构不变的等效电路，然后进 行分析。该建模方法简单、物理意义明确，但是这种等效对原电路的拓扑结构有 所限制，且得出的状态方程阶数较高，不便于处理。高频网络平均法【l5 l 从电路角 度严格证明了变换器可以划分为快变和慢变两个部分，快变部分用相应的平均电 流源或电压源替代，由此得到了谐振变换器保持拓扑结构不变的非线性时变等效 电路模型。该方法具有概念清晰、建模过程简单等优点，在分析设计中具有一定 的实际意义。 1 。1 3 电力电子变换器建模趋势一一统一建模法 为了便于电力电子变换器的分析和设计，人们尝试对变换器进行统一建模， 其中主要有开关工作波形平均建模法【1 6 】、脉冲波形积分法【1 7 】等。 文献 1 6 】提出了适用于谐振型及p w m 型变换器的开关工作波形平均建模法。 该方法对变换器开关器件的工作波形进行平均，并用以平均值表示的电压源或电 流源替换开关器件，从而将一个时变网络转换为一个时不变网络。根据变换器的 不同类型对开关平均参数进行相应处理，可以将谐振型变换器和p w m 型变换器 的建模分析进行统一。文献【1 7 】提出了一种能够通用于p w m 型、准谐振型、桥 式串联( 或并联) 谐振型变换器的统一建模方法，即脉冲波形积分法。脉冲波形 积分法利用周期型脉冲函数将变换器在一个周期之内的各个工作模态统一成一个 工作模念，对小信号采样函数进行拉氏变换，按变换器的类型做相应的线性近似 处理，从而将各类变换器的建模统一起来。这种建模方法具有较好的指导意义， 但能否推广到所有的电力电子变换器，尚待进一步探讨。 综上所述，目前电力电子变换器的建模方法大都针对性强，有很大的局限性， 比如只能适用于中低频变换器，或只能适用于小信号分析，或只能适用于特定变 换器或变换器的特定工作模态( 通常为电流连续模念) 。最为关键的是，上述建模 方法都具有“平均”的含义，或多或少都做了近似处理，因此从理论上讲都是不 准确的，在实际使用中往往出现和理论分析不一致的情况。因此，提出一种电力 电子变换器统一和通用的建模方法，具有重大的理论意义和实用价值。 在对电力电子变换器进行建模的基础上，可以尝试将新型控制理论与技术应 用于电力电子变换器，优化其工作特性。 3 华南理上火学博士学位论文 1 2 电力电子变换器控制理论与技术 1 2 ，1p i d 控制 p i d 控制( p r o p o r t i o ni n t e g r a t i o na n dd i f f e r e n t i a lc o n t r o i ) 是控制系统中最常见 的一种控制方式，其主要优点是被控系统可以完全是一个“黑盒子”，不需要知道 其内部结构。p i d 控制具有提高系统的稳态性能的优点，在提高系统动态性能方 面，也具有一定的优越性。值得注意的是，在当今应用的工业控制器中，有半数 以上采用了p i d 控制或者变形p i d 控制方案l l “。p i d 控制器中比例、积分和微分 参数的选择，一般通过仿真给出优化参数，并在现场调试中最后确定。 p i d 控制在电力电子变换器中也得到广泛应用，并基于p i d 控制构建了诸多 p w m 控制芯片。从最初的输出电压单环p i d 控制，至0 后来的输出电压和输入电 流双环p i d 控制。下面给出图1 1 所示的输出电压p i d 控制b u c k 变换器的控制 框图。p i d 控制的反馈量是输出误差，因此控制效果相对滞后，大范围动态控制 效果不是很理想。 图1 1 输出电压p i d 控制b u c k 变换器 f i g 卜lb u c kc o n v e r t e fw i t ho u t p u tv o l t a g ep i dc o n t r o i 1 _ 2 2 最优控制 最优控制( o p t i m a lc o n t r 0 1 ) 是在5 0 年代随着空间技术的迫切需要而发展起来 的，它是现代控制理论的重要组成部分之一，也是目前诸多现代控制理论中应用 最多、最为成熟的一个分支。最优控制已经成功应用于许多领域，比如航天航空 系统的制导和控制、电力系统中发电机组的综合控制、发电机制动电阻的最优时 间控制等。最优控制目标函数的选取取决于设计者的控制目的。若选时间，则为 时间最优控制；若选动态性能，则为动态性能最优控制：若选谐波含量，则为谐 4 第一章绪论 波抑制最优控制，所以最优控制在电力电子变换器中具有极为广阔的应用空间。 pm d i y a 尝试将最优控制引入电力电子变换器【旧】，并以b u c k 变换器、b o o s t 变换器和b u c k b o o s t 变换器作为分析对象，选定输出电压误差二次函数作为最优 控制的目标函数，详细分析了开关周期二次函数、变换器能量二次函数和开关时 间二次函数等不同情况下变换器的动态特性和稳定性。 应当指出，最优控制是从精确的数学模型中推导计算出来的，当变换器的建 模存在偏差时，将对变换器控制系统的性能产生明显影响，使变换器的动态品质 恶化。 1 2 3 鲁棒控制 h 。鲁棒控制( h mr o b u s tc o m r 0 1 ) 不仅具有处理多变量的能力，而且可以解决 具有建模误差、参数不确定以及干扰未知系统的控制问题，并直接解决鲁棒控制 问题。h 。鲁棒控制在研究具有强鲁棒性的稳定控制中占有重要地位，己经成为 控制理论中的一个引人注目的分支。日。o 鲁棒控制已成功应用于对稳定性要求极 高的电力系统中【2 “”j ，它在电力电子变换器中的应用研究剐刚起步。 r n a i m 等利用日鲁棒控制对b o o s t 变换器进行了研究睇，指出p w m 型变 换器的控制器应当在输入电压和负载扰动时，能够保持系统稳定并使得输出电压 稳定在设计值。但是b o o s t 变换器占空比与输出电压的传递函数有右半平面零点， 因此通常的控制方法难以实现上述目标。文中利用日o 。鲁棒控制理论，通过求解 两个代数r i c c a t i 方程，设计出可以实现上述控制目标的控制器。实验结果表明， 采用h m 鲁棒最优控制使得变换器在较宽的频率范围内具有很强的鲁棒性。 1 2 4 自适应控制 自适应控制( a d a p t i v ec o n t r 0 1 ) 的目标是使控制系统对过程参数的变化以及未 建模部分的动态过程不敏感。当过程动态变化时，自适应控制系统试图感受这一 变化，并实时地调节控制器参数或控制策略。电力电子变换器因为元器件老化， 在使用过程中电路参数变化是极为常见的，且诸多寄生参数在建模过程中常常未 加以考虑。由于自适应控制对过程参数的变化以及对未建模部分的动态过程不敏 感，对动态过程变化具有自适应性等特点，在电力电子变换器中引起关注。 ck t s e 等人尝试将自适应控制引入d c d c 变换器【2 ”，介绍了一种简单的自 适应控制算法，实现电流连续模式d c d c 变换器的输出电压调节。由具有可变 工作点的线性化近似大信号微分方程推导出的抗干扰自适应算法，不同于通常采 用的只有固定工作点的抗干扰线性反馈控制技术。当外部环境变化时，控制算法 5 华南理工大学博士学位论文 和控制参数在自适应控制器的作用下自动调节，以满足变换器动态性能的需要。 1 2 5 滑模变结构控制 近年来，滑模变结构控制( s l i d i n g m o d ec o n t r 0 1 ) 在控制领域受到人们的普遍关 注。滑模变结构控制在本质上是一种开关型控制，它要求频繁快速地切换系统的 控制状态。由于滑模变结构控制的设计思想是利用“开关”变换控制率，因而具 有不断改变系统结构的特征，其出发点不是基于线性系统，而是针对含有非线性 系统在内的一般系统，特别适合于开关电路。 滑模变结构控制在改善电力电子变换器的鲁棒性和动态品质方面取得了一些 成果。文献 2 6 】详细介绍了d c d c 变换器的滑模变结构控制，论述了如何以等 效控制作为分析手段来分析b u c k 变换器、b o o s t 变换器和b u c k b o o s t 变换器，以 保证系统大信号和小信号稳定性。在如何将滑模变结构控制理论应用于d c d c 变换器方面，该文具有重要的指导意义。文献【2 7 】给出了滑模变结构控制c u k 变 换器，控制电路的实现比较简单，改变了其它控制方法时大信号情况下系统不稳 定的不足。在整个运行条件下，所有的状态变量的超调量小、调整时间短，具有 很好的稳态特性和动态特性。实验结果表明，采用滑模变结构控制使得变换器具 有鲁棒性强、动态特性好等特点，具有较好的应用前景。最近，三电平变换器成 为电力电子技术中的一个研究热点。因为滑模变结构控制具有鲁棒性强、算法简 单、动态品质好等优点，文献 2 8 将滑模控制引入三电平变换器。给出了直接滑 模控制b u c k 三电平变换器的设计方法，并和传统p w m 控制b u c k 三电平