硕士论文-燃料电池电动汽车车载DCDC模糊变结构控制研究.pdf

武汉理工大学 硕士学位论文 燃料电池电动汽车车载DC/DC模糊变结构控制研究 姓名：冯适 申请学位级别：硕士 专业：控制理论与控制工程 指导教师：张立炎 20080401 武汉理I ：大学硕士学位论文 摘要 随着经济的发展，能源短缺及环境污染问题同益严重，传统的汽车工业的 能源消耗和尾气排放是造成这两大问题的主要原因。燃料电池电动汽车能源转 换效率高、无尾气排放，是传统汽车理想的替代者。然而目前的燃料电池输出 特性偏软，输出电压波动较大。故一般采用D C D C 变换器进行电压匹配和转 换。由于在燃料电池电动汽车整车控制器对D C D C 变换器发出控制命令时， D C D C 变换器必须迅速地做出响应，要求所设计控制系统的响应快速性、鲁棒 性要好。本文对燃料电池电动汽车车载D C D C 变换器建立起数学模型并针对引 起抖振的原因，把滑模变结构控制和模糊控制有机的结合起来，提出一种模糊 滑模控制方案，并与其他的控制方法进行比较，在仿真试验中验证了算法的有 效性和先进性，具体研究内容如下： 首先通过对燃料电池输出特性的研究，介绍了燃料电池电动汽车车载 D C D C 变换器的主要功能和拓扑结构，分析了D C D C 变换器建模方法研究现 状，根据燃料电池大功率D C D C 的特性，建立了系统的数学模型。 其次，根据滑模变结构控制理论，建立了滑模变结构控制器，运用 S i m u l i n k 仿真软件实现了燃料电池电动汽车车载D C D C 滑模变结构控制器的仿 真。并在仿真研究中与传统的P I 控制进行比较。 最后，抖振问题是影响滑模变结构控制广泛应用的主要障碍，本文在深入 研究造成系统抖振原因及各种减弱抖振方法的基础上，提出了一种模糊变结构 控制器，综合了模糊控制和滑模变结构控制各自的优点，以减弱变结构系统的 抖振。由滑模变结构控制保证系统稳定性，且使滑动模态具有良好动态；由模 糊控制器调整正常运动段特性以减弱抖振。为验证算法的有效性，针对系统的 启动特性及抗干扰特性作了仿真试验。仿真结果表明：系统启动迅速，超调量 小；能够抵制来自输入电压及负载两方面的扰动；能够实现燃料电池电动汽车 车载D C D C 的快速响应和稳定输出。 关键词：燃料电池电动汽车，D C D C 变换器，状态空间建模，变结构控制 模糊滑模 武汉理一r = 大学硕十学位论文 A BS T R A C T E n e r g ys h o r t a g ea n de n v i r o n m e n t a lp o l l u t i o nh a sb e c o m ea nu r g e n ta n d i n t e g r a t e dp r o b l e mw h i c hi s n e e d e dt ob es o l v e db u tt h et r a d i t i o n a la u t o m o b i l e i n d u s t r yi So n eo ft h eb i g g e s tt h r e a tt oe n e r g ya n dt h ee n v i r o n m e n t T h ed e v e l o p m e n t o fc l e a na n de f f i c i e n te n e r g yf o rv e h i c l e sh a sa l r e a d yb e c o m ea ne x t r e m e l yi m p e r a t i v e t a s k F u e lc e l le l e c t r i cv e h i c l ei sav e r yi d e a la l t e r n a t i v ef o ro n e su s ep e t r o la n d d i e s e l v e h i c l e H o w e v e r ，t h ef u e l c e l lo u t p u tc h a r a c t e r i s t i ci sw e a k ，W h e nt h el o a d c u r r e n ti n c r e a s e s ，t h ev o l t a g ed r o p sr a p i d l y , a n dt h eo u t p u tv o l t a g ef l u c t u a t i o n si s l a r g e T h e ni tg e n e r a l l yu s e st h eD C D Cc o n v e r t e rt om a t c ha n dc o n v e r s et h ev o l t a g e A st h ef u e lc e l le l e c t r i cm o t o rc o n t r o l l e rc a l lf o rD C D Cc o n v e r t e rs o m ec o n t r o l i s s u e da no r d e r D C D Cc o n v e r t e rm u s tr e s p o n dq u i c k l yA n di tr e q u i r e sd e s i g no ft h e r a p i dr e s p o n s es y s t e m ，b e t t e rr o b u s t n e s s I nt h i sp a p e r , a u t o m o t i v ef u e lc e l le l e c t r i c v e h i c l e s ，D C D Cc o n v e r t e ra n de s t a b l i s ham a t h e m a t i c a lm o d e lf o rt h er e a s o n so ft h e c h a t t e r i n g I tc o m b i n e st h es l i d i n gm o d ev a r i a b l es t r u c t u r ec o n t r o la n df u z z yc o n t r o l c o m b i n e dw i t ho r g a n i ca n dh a sg i v e naf u z z ys l i d i n gc o n t r o lp r o g r a m m e G u a r a n t e e d b yt h ev a r i a b l es t r u c t u r ec o n t r o ls y s t e ms t a b i l i t y , a n dt h es l i d i n gm o d eh a sag o o d d y n a m i c ；b y t h ef u z z yc o n t r o l l e ra d j u s t m e n tt ot h en o r m a lm o v e m e n to ft h e w e a k e n i n go fc h a t t e r i n g ，a n dw i t ho t h e rc o n t r o lm e t h o d sc o m p a r i s o n ，t h es i m u l a t i o n o ft h ee f f e c t i v ev e r i f i c a t i o no ft h ea l g o r i t h ma n da d v a n c e d ，s p e c i f i cs t u d i e sa sf o l l o w s ： F i r s ti nt h eo u t p u tc h a r a c t e r i s t i c so ff u e lc e l lr e s e a r c h o n b o a r df u e lc e l le l e c t r i c v e h i c l e sD C D Cc o n v e r t e ra n dt h em a i nf u n c t i o no ft o p o l o g y , a n a l y s i so faD C D C c o n v e r t e rm o d e l i n gm e t h o do ft h es t a t u s ，i nt h es t a t eo ft h et h e o r e t i c a lb a s i so fs p a c e l a wA n dc o n s t r u c to ft h es y s t e mu n d e rt h em a t h e m a t i c a lm o d e l S e c o n d l y , t h ei n t r o d u c t i o no fs l i d i n gm o d ev a r i a b l es t r u c t u r ec o n t r o lb a s e do n t h et h e o r yo ft h ee s t a b l i s h m e n to ft h es y n o v i a lv a r i a b l es t r u c t u r ec o n t r o l l e r , a n dt h e n u s et h eS i m u l i n ks i m u l a t i o ns o f t w a r ea u t o m o t i v ef u e lc e l le l e c t r i cv e h i c l e s ，D C D C c o n v e r t e rc o n t r o ls y s t e mm a t h e m a t i c a lm o d e ls i m u l a t i o na n da n a l y s i sr e s u l t s A n dt h e s i m u l a t i o no ft h et r a d i t i o n a lP Ic o n t r o lt oc o m p a r ec o n c l u d e d F i n a l l y T h ec h a t t e r i n gm o s t l y i m p a c to fw i d e ra p p l i c a t i o no fs l i d i n gm o d e c o n t r 0 1 I nt h i sp a p e r o nt h eb a s i so fs t u d y i n go nas y s t e mo fi n d e p t hr e s e a r c ha n d c h a t t e r i n gv a r i o u sr e a s o n sw e a k e n e dc h a t t e r i n gm e t h o d s P r o p o s e daf u z z ys l i d i n g v a r i a b l es t r u c t u r ec o n t r o l l e r w h i c hi n t e g r a t e dt h ef u z z yc o n t r o la n ds l i d i n gv a r i a b l e s t r u c t u r ec o n t r o lt h e i rr e s p e c t i v ea d v a n t a g e sS O a st ow e a k e nt h ev a r i a b l es t r u c t u r e s y s t e mc h a t t e r i n g A n dg u a r a n t e et h es t a b i l i t yo ft h es y s t e m I th a sag o o dd y n a m i c A d j u s t m e n to ft h en o r m a lm o v e m e n tS Oa st ow e a k e nc h a t t e r i n g F o rt h es t a r t u po f s y s t e m sa n di n t e r f e r e n c ec h a r a c t e r i s t i c so fas i m u l a t i o nt e s t n es i m u l a t i o nr e s u l t s s h o wt h a t ：T h es y s t e mt ob o o tr a p i d l y , o v e r s h o o ti ss m a l l ；c a nr e s i s tt h ei n p u tv o l t a g e a n dl p a df r o mt h et w od i s t u r b a n c e s I tc a nb ea c h i e v e dr a p i dr e s p o n s ea n ds t a b l e O u t p u to fO n b o a r dD C D Cc o n v e r t e ri nF u e lC e l lE l e c t r i CV e h i c e s K e y w o r d s ：F u e lc e l le l e c t r i cv e h i c l e s ，D C D Cc o n v e r t e r , A v e r a g es t a t e s p a c em o d e l ， V a r i a b l eS t r u c t u r eC o n t r o l ，F u z z yS l i d i n gM o d eV a r i a b l eS t r u c t u r eC o n t r o l I I 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的 研究工作及取得的研究成果尽我所知，除了文中特别加以标 注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的 研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育机构的学 位或证书而使用过的材料与我一同工作的同志对本研究所做 的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意 勺t 军广、 研究生( 签名) ：；6 也日期：砂艿 p 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规 定，即：学校有权保留、送交论文的复印件，允许论文被查阅和 借阅；学校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩 印或其他复制手段保存论文 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生( 签名) ：2 曼垦导师( 签名) ： 日期： 武汉理一l ：人学硕十学位论文 1 1 引言 第1 章绪论 能源短缺及环境污染的问题成为当今世界迫切需要解决的综合问题，而传 统的汽车工业便是能源与环境最大杀手之一，发展清洁、高效的汽车新动力能 源已成为十分紧迫的任务。燃料电池( F u e lC e l l ) 就是这样一种绿色能源技 术。 燃料电池电动汽车以电动机取代发动机成为汽车的动力系统，以氢和氧为 燃料，在反应堆中，氢离子在氧气中缓慢燃烧产生电能，通过电动机驱动汽车 行驶，排出的“尾气 只有水蒸汽，绝不含一氧化碳和其它有害气体。燃料 电池电动汽车不会给环境带来污染，堪称“零污染排放的理想环保车，用它 来代替汽油车、柴油车是人们追求的梦想，如今，这个梦想正在变成现实。世 界主要汽车厂商相继开发成功了燃料电池电动汽车，而且还在继续投巨资开展 深入研究，成果已陆续推向市场。 我国在燃料电池电动车领域的研究水平与发达国家相差无几，由清华大 学和北京富源新技术开发总公司联合研制的我国第一辆质子交换膜燃料电池 电动旅游观光车，展示了国内研制电动车的最新技术旺1 。东风汽车公司也早 在“九五”期间就已经研制出我国第一台拥有自主知识产权的燃料电池汽车 E Q 6 7 0 0 F C E V 燃料电池客车。 2 0 0 2 年5 月，上海燃料电池系统公司与同济大学新能源汽车工程中心 试制成功“春晖1 号”燃料电池电动汽车。国家将P E M F C 和电动车的研究列 为“十五”和“8 6 3 ”重大科技攻关项目口1 。目前，P E M F C 在我国的研发正进入 新的高潮，上汽集团、同济大学联合开发了“超越1 号、2 号”等具有自主知 识产权的燃料电池混合动力轿车。越来越多的科研机构和大学从不同的方面 进行研究，有上海交通大学燃料电池实验室，武汉理工大学新材所，上海神 力科技公司等等，还出现了专门从事P E M F C 电动车研发的公司。我国完全 有能力在这一领域赶超世界先进水平。 “电动汽车重大科技专项”实施几年来，已经取得了重大进展：燃料电 武汉理T 大学硕十学位论文 池汽车已经成功开发出性能样机，燃料电池轿车累计运行4 0 0 0 k m ，燃料电池 客车累计运行8 0 0 0 k m ；混合动力汽车正在武汉等地公交线路上试验，运行超 过1 4 万k m 。我国电动汽车的发展已取得一定成果，在电动汽车整车集成技 术，电机和驱动系统以及控制系统的研究，电动汽车四轮驱动技术、基础设 施建设等方面都得到了迅速的发展。有望在2 0 1 0 年上海世界博览会上以商 品化方式进入市场H 。 2 0 0 8 年奥运会将在祖国首都北京举办，实现绿色奥运是北京向全世界做出 的庄严承诺，北京市已经承诺在今年奥运会上有9 0 的车辆采用清洁汽车，其 中包括约有1 0 0 多辆各种类型的电动车，并主要应用于与奥运直接相关的重点 区域、运动场馆和特色路线。同时积极创造条件，力争实现燃料电池汽车在奥 运会期间的示范应用，使得包括各种类型的电动汽车在清洁汽车的规模化将成 为北京绿色奥运的亮点和突出特色哺，。 由于D C - D C 变换器在燃料电池电动汽车领域有着重要的应用，目前它已 经成为开关电源和燃料电池领域的重要研究热点。以美国国家电力电子系统 中心和橡树岭国家实验室为代表的国内外研究机构开展了一些研究，多停留 在理论仿真和小功率试验样机研究阶段，概述如下：美国国家电力电子系统 中心( C P E S ) ：F r e d C L e e 研究用于燃料电池车F C E V 的D C D C 变换器，采用全 桥拓扑和模拟控制技术，试制了一台额定功率1 6 K W 的实验装置。系统结构 复杂，控制方式单一，电压电流浪涌大，控制性能一般：美国橡树岭国家实 验室( O A K R I D G EN A T I O N A LL A B O R A T O R Y ) 开展纯燃料电池车D C D C 的研究，主 要在于系统建模，电路分析和仿真，其小功率实验原型采用半桥拓扑和D S P 数字控制；我国在燃料电池车载D C D C 变换器的研究工作已经起步。近年， 我国香港理工大学、浙江大学、清华大学也已经开始这方面的研究1 。 1 2 课题研究目的和意义 燃料电池技术虽取得快速发展，但要使其装载使用达到规模，仍有一些 难题需要解决，例如氢的制取、储存成本高、基础设施建设投资大等。当前 研究和开发工作的重点是降低成本和开发大规模制造工艺。随着燃料电池的 体积功率和质量功率的逐步提高，生产成本的不断降低，制造材料和工艺的 进一步改进和完善，以燃料电池作动力的汽车将会得到广泛使用口3 。 2 武汉理T 大学硕士学位论文 汽车市场前景在很大程度上将取决于自身的成熟程度和世界环保、能源形 势的走向。采用燃料电池作为汽车的动力系统之后，汽车结构会发生重大变 化，汽车的核心技术一发动机将失去意义，汽车产业的固有格局将被打破，而 且现有的配套体系也会随之改变，化学上业在汽车上业中将扮演重要角色由于 燃料电池汽车上需要更多的电子设备，因此对硬件和软件的需求增加，其科技 含量更高，知识密集度也更高口1 。由于燃料电池发动机的电输出特性较软以及 考虑到整车系统控制的需要，在目前研制的大多数燃料电池电动汽车中，大功 率D C D C 变换器是其必不可少的关键零部件之一。 在燃料电池电动汽车中，要求D C D C 变换器必须具有功率大( 几十个到上 百个千瓦) 、效率高、安全可靠、电磁兼容性好等特点，因此研究大功率高效 率的D C D C 变换器对于燃料电池电动汽车的开发研制具有十分重要的理论意义 和工程应用价值哺。 D C D C 变换器从2 0 世纪7 0 年代开始风靡于欧、美、日等世界各国，目前 正在以前所未有的速度，朝着轻型、高效、高频、环保以及集成化的方向发 展。然而在D C - D C 开关变换器控制性能方面仍然存在很多问题田1 。这主要表现 为以下问题：常规的控制算法对开关变换器的控制无法取得满意的效果，而控 制的快速性又使得复杂的算法难以实现。这些都是因为D C D C 变换器是一个强 非线性离散系统，且参数是时变的，控制是不连续的和非线性的j 采用传统的 控制方法，则要求有精确的控制模型，并存在着抗扰性能差、输出波纹大、对 参数的变化敏感，导致系统性能恶化。 8 0 年代中期，P W M 型D C D C 开关变换器的闭环控制取得了两个重要的进 步，即电压前馈控制和电流程控控制口驯。随着现代控制理论的发展和实现方法 的改进，在D C D C 开关变换器控制方法的研究方面有了长足的进步。出现了许 多新的控制方法，目前国内外文献中常采用的控制方法有：双线性理论、自适 应控制、鲁棒控制、模糊控制、神经网络( F N N ) 控制、滑模变结构 ( S M V S C ：S 1 i d i n gM o d eV a r i a b l eS t r u c t u r eC o n t r 0 1 ) 控制等以及这几种控制 相结合的混合控制。 其中滑模变结构控制对系统的参数摄动和外界干扰具有很好的鲁棒性，而 D C D C 变换器采用变结构控制，将使系统具有快速良好的瞬态响应且总的谐波 失真小、电路实现较简单。由于P W M 型D C D C 开关变换器是一种时变、强非线 性的离散系统，开关器件在一个周期内是既工作在饱和区、又工作在截止区的 3 武汉理工大学硕十学位论文 “通”、“断操作，系统是分段线性、时变的。外部扰动会引起变换器参数的 非线性变化。这将使系统的结构在两个子拓扑间来回切换，说明这种变换器具 有变结构的特点。而滑模变结构控制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。因此，P W M 型D C D C 变换与滑模变结构具有内在 的联系，自然应用S W V S C 来控制D C D C 变换器是十分合适的。 应用S M V S C 的关键问题就是切换面和控制集的选择，如果选择合理便可以 获得良好的静态和动态特性，并具有对外界扰动不变性的特点n 刳。但其主要的 缺点是开关频率不固定，高频抖振不易消除，输出纹波较大，对滤波器的设计 要求较高，同时参数的选择和设计有一定难度u 引。为了解决以上缺陷，以便将 滑模变结构控制更好地应用于D C D C 开关变换器中，国内外学者及研究人员做 了大量的研究工作，然而效果并不十分理想。因为本身都没有摆脱基于对象模 型的定量化模型，难于对复杂和具有强烈非线性的不确定系统进行精确的控 制，模糊控制的出现为解决这种问题提供了新的思路n 引。正是基于这种控制方 法，意图对传统的变结构理论进行综合研究，使两者取长补短、优势互补，这 样就形成了融合变结构控制和模糊控制两者优点的模糊滑模控制n 5 1 。 本文对燃料电池车载D C D C 建立起数学模型并针对引起抖振的原因，把滑 模变结构控制和模糊控制有机的结合起来，提出一种模糊滑模控制方案，由变 结构控制保证系统稳定性，且使滑动模态具有良好动态：由模糊控制器调整正 常运动段特性以减弱抖振，并与其他的控制方法进行比较，在仿真试验中验证 了算法的有效性和先进性。 1 3 国内外研究现状 1 3 1 现代D C D C 控制技术研究现状 现代P W M 型D C D C 开关变换器是通过改变其有源开关占空比的大小达到调 节输出直流电压大小的目的n 引。对于D C D C 开关变换器这样的非线性时变系 统，是要实现闭环控制，问题的关键在于采用哪种控制方案来设计相应控制器 来控制开关变换器的占空比( P W M 型) ，使变换器控制系统鲁棒性( R o b u s t n e s s ) 好，动态响应快的，这也是功率电子学专家们不断努力的方向”。本节将对传 统的P W M 型D C D C 开关变换器现有的控制方法进行介绍。 4 武汉理一r - 大学硕十学位论文 ( 1 ) 单闭环电压控制 广泛采用的单闭环控制，多数是用电压负反馈构成的闭环控制方案。这是 一种线性控制方法。控制回路由误差放大器和比较器组成。输出电压与参考电 压的误差送至比较器，和固定频率的锯齿波相比较，从而达到调制变换器开关 的占空比大小，实现稳压的目的。显然，这种控制方法十分简单，但这种方法 对输入扰动不能立即反应，因此电路动态响应超调较大，受环路增益带宽的限 制，系统动态过程时间较长。 ( 2 ) 单闭环电流控制 在反馈控制方式中，反馈量也可以是电路中的电流变量，由此可构成电流 反馈的单闭环控制电路。主要有峰值电流反馈控制( C u r r e n tP r o g r a m m e d C o n t r 0 1 ) 和电荷控制( C h a r g eC o n t r 0 1 ) 。下面将分别讲述。 峰值电流反馈控制：其控制电路简单，主要由一个误差比较器和D 触发 器构成。开关S 的导通是由恒频时钟脉冲决定的。通过检测开关S 上电流的大 小，当它等于控制电流信号的大小时，开关控制信号翻转，开关S 断开，直至 下一个开关周期的到来。由于在开关S 断开之时，开关电流的峰值等于控制信 号的大小，因此这种电流反馈控制方式被称为峰值电流反馈。这种控制电路可 以限制开关电流的大小，从而保证整个系统具有过载保护能力。但这种控制电 路只适合变换器的占空比小于0 5 的情况，否则电路容易产生分谐波振荡现 象。 电荷控制：目前，这种控制方法尚只见用于B u c k 变换器电路的报道。与 峰值电流反馈控制所不同的是，电荷控制的取样开关电流不是直接和控制信号 相比较，而是电容C 获得取样电流在整个导通时间的电荷与控制信号相比较。 电容电荷与开关电流值成正比，因此电荷控制与峰值电流反馈控制相比，它的 抗干扰能力强，而且也不需要附加锯齿波以抑制分谐波，却保持有峰值电流反 馈控制的优点。 ( 3 ) 双闭环控制 虽然电流反馈可以改善变换器的闭环响应特性和整个系统的稳定性，并 有电流限流保护的优点，但仅有电流控制，不能实现对输出电压的直接控制； 而且开关电流断开是当瞬时电流值与控制信号相等时，因此一个较小的干扰信 号可能导致开关误动作n 引。为克服单闭环控制的缺点，功率电子学专家很早就 推荐采用双闭环反馈控制。即内环是电流反馈，外环采用电压反馈，双环控制 5 武汉理f 人学硕士学位论文 可以从变换器电路获得更多的反馈信息，有效地综合电压和电流控制的优点， 可以得到比单环控制更好的动态品质。 ( 4 ) 周期控制 周期控制是近几年才提出来的一种大信号非线性控制技术。顾名思义，在 每一个开关周期内取样开关变量，经过积分器的积分量与参考电压的误差经放 大后送往控制器，以实现动态地调节变换器的占空比大小。其工作原理与电荷 控制相似。 ( 5 ) 前馈控制 由于线性反馈控制对输入扰动控制十分敏感，因此输入电压也可以直接加 入到控制系统控制变换器的占空比，这种控制方法被称为前馈控制( F o r w a r d F e e dC o n t r 0 1 ) 。前馈控制可以在输入扰动量对控制系统产生影响以前就有效 地控制住甚至消除扰动对系统的影响，即它对系统所受干扰影响起补偿作用。 ( 6 ) 滑模变结构控制( S 1i d i n g M o d eV a r i a b l es t r u c t u r ec o n t r 0 1 ) 对于非线性系统的控制，滑模变结构控制方法已越来越引起控制专家的兴 趣，开关型D C D C 开关变换器亦属于非线性时变系统，因此功率电子学专家从 八十年代开始将这种方法用到直流开关变换器的控制中n 引。对变换器来说，滑 模变结构控制也是一种大信号非线性控制方法，它的反馈量是全状态变量，可 以直接控制输出电压，变结构控制结构如图卜1 所示。 图1 - 1 滑模变结构示意图 这种控制方法有许多优点，如系统的稳定性好，鲁棒性强和良好的动态品 质以及控制容易实现等。但是滑模变结构控制在物理实现时会存在高频抖动， 另外等价控制得到的控制律会存在一个稳定的滑模误差心引。 6 武汉理I ：人学硕十学位论文 1 3 2 模糊滑模变结构控制研究现状 ( 1 ) 变结构控制的研究及发展 变结构控制理论是2 0 世纪5 0 年代由苏联学者创立的一种控制系统设计方 法，由于其普遍适用性、抗干扰的鲁棒性、控制形式的简单实用性等特点而得 到了广泛研究和应用心。 所谓变结构系统，广义地说，就是在控制过程中，系统结构发生变化的系 统。本文研究的是一类特殊的变结构系统，特殊之处在于：系统的控制有切 换，而且在切换面上系统将会沿着固定的轨迹产生滑动运动，这类变结构系统 又称为滑动模态变结构系统心引。 值得注意的是，变结构控制要想具有理想的滑动模态、良好的动态品质和 较高的鲁棒性，这些都要通过适当的滑模面来实现乜引。 变结构控制早已应用在继电系统中，对继电系统的研究，引发了变结构控 制的概念和方法乜引。变结构系统的研究历史可分为三个时期和两个发展阶段。 第一时期，1 9 5 7 1 9 6 2 年，基本上研究的是二阶线性系统，其中以误差或 其导数进行反馈。这样系统的行为，在误差及其导数构成的相平面内进行研究 2 5 】 o 第二时期，1 9 6 2 1 9 7 0 年，开始研究任意阶线性( 定常或时变) 系统，该系统 的控制是标量，研究方法和以前一样。 第三时期，1 9 7 0 年以后，研究的问题发生了质的扩充。由规范空间转到了 状态空间，设计的系统带有向量控制心引。 滑动模态变结构系统理论的形成，经过两个发展阶段。 第一阶段，滑动模态的不变性性质形成了第一阶段大多数研究的基础。在 这一段几乎有十年的时间里，所研究的系统仅仅是标量控制，并且在误差及其 导数的坐标空间中进行系统的数学描述。当时研究的中心在莫斯科控制问题研 究所和斯德尔维诺斯克的数学力学所第一阶段，所取得的研究成果收集在1 9 7 0 年变结构控制系统理论书中乜7 1 。 第二阶段，大约发生在6 0 年代和7 0 年代之交，控制理论、信息论、滤波 理论以及电力电子学的最新成就在极大程度上促进了滑动模态变结构控制的研 究和实现心引。7 0 年代中期和8 0 年代，由于其实际应用极其有效，在前苏联的 各个研究中心和美国、德国、英国，开始研究多维变结构系统和多维滑动模 7 武汉理T 大学硕十学位论文 态。这些内容构成了变结构控制理论发展第二阶段的研究课题乜引。 变结构系统理论作为一种综合设计方法，近些年倍受重视。已经被用来 解决复杂的控制问题。比如，跟踪问题、自适应控制问题、不确定系统的控制 问题等啪，。它也被用来解决实际问题，比如机器人控制、电力系统控制、电机 控制等，应用前景相当广阔口。 ( 2 ) 模糊滑模控制的提出及发展 抖振是变结构控制中存在的最大问题，它严重阻碍了变结构控制在实际当 中的应用。抖振来源于不确定性及扰动的保守性估计、趋近律在滑动面两侧的 符号切换和执行器件有限的切换频率等因素口引。 模糊控制的发展，给变结构控制中存在的抖动问题提供了一种可能的解决 方法。模糊控制作为种有别于传统控制理论的控制方法，充分发挥其不需对 象数学模型、能充分运用控制专家的信息和具有相当鲁棒性的优点在具有相关 特点的控制领域表现出其优势阳1 。但是模糊控制仍有其必须面对的问题，即模 糊控制器参数需经过反复凑试才能确定，缺少稳定性分析及系统化的分析和综 合方法1 。 模糊控制和滑模控制，各有优缺点，有一某种相似之处，又有互补之处 啪1 。9 0 年代以来，专家学者就把二者结合进行了许多的研究工作，在很多方面 得到了具有较强理论意义和实践意义的研究成果，产生了模糊滑模控制口引。 模糊滑模控制是近些年随着模糊控制的产生并结合滑模变结构控制而产生 的啪1 。针对应用于二阶系统的以跟踪误差。及其变化率e 为输入的二维模糊控 制规则指出，在这些规则表中，当和e 具有相反意义的语言值时，或者皆为零 时，控制规则往往为零( z E ) ，这些( z E ) 在规则表中形成一条离散的对角线，在 对角线的上方和下方，模糊控制器的输出符号相反，且离对角线越远，控制输 出越大，如表1 1 所示。只要能施加控制，使系统到达此对角线，控制器即无 输出，系统将在相空间中运动到误差零点。驯。 8 武汉理1 ：人学硕十学何论文 表1 - 1 模糊控制规则表 E C U N BN SZ EP SP B P BZ EN SN SN BN B P SP SZ EN SN SN B E Z EP SP SZ EN SN S N S P B P S P S Z EN S N BP BP BP SP SZ E 可见这种模糊控制器具有与滑模控制相似的思想，控制的目的就是使系统 到达目标线H 0 I 。 模糊控制和广义的变结构控制也有联系，若确定作为控制器的模糊逻辑系 统各个参数，则模糊系统的输出可以写成输入变量的分区函数，也就是说，根 据输入变量在输入空间中所处的区域不同，则模糊控制律具体的输出表达也不 同，具有变结构的特征H 。此外，文献把模糊系统的参数皆作为待定变量，然 后基于滑模控制的原理，给定滑模。由李亚普诺夫原理确定模糊系统参数从而 获得稳定的模糊控制系统H 2 | 。 模糊滑模控制在9 0 年代取得了充分的注意、研究和应用。文H 3 1 在H 铂的基 础上采取了输入比例因子随滑模面不同而不同的策略，并把输出比例因子取为 滑模面的连续指数函数。比例因子的自适应处理把系统动态响应的快速性和优 良的稳态性能结合起来。 近些年出现了基于模糊神经网络的变结构控制。人工神经网络同样具有自 学习和自适应的能力，它和模糊系统的结合有助于扩大二者在滑模控制领域内 的应用。模糊神经网络指用神经网络表示模糊系统的逻辑结构和信息处理机 制。利用神经网络的学习功能为模糊系统提供学习能力。另一方面，在可能时 由专家信息确定初始模糊系统，为神经网络的学习提供初始可行解，亦有助于 增强神经网络的学习效果H 5 J 。 9 武汉理T 大学硕士学位论文 1 4 论文研究内容 本文主要围绕燃料电池电动汽车车载D C D C 变换器的滑模变结构控制技术 展开研究。滑模控制系统状态轨迹一旦进入滑动模态运动，系统将具有完全自 适用性，这是滑模变结构控制的最突出的优点，也是它得到重视的主要原因。 本文针对实际应用主要对滑模变结构控制的燃料电池电动汽车车载D c D C 变 换器进行深入的研究和探讨，并把滑模变结构控制和模糊控制有机的结合起 来，提出一种模糊滑模变结构控制方案，由变结构控制保证系统稳定性，且使 滑动模态具有良好动态；由模糊控制器调整正常运动段特性以减弱抖振，并与其 他的控制方法进行比较，在仿真试验中验证了算法的有效性和先进性。 ( 1 ) 绪论主要介绍了目前D C D C 控制技术的研究现状，对几种控制策略 进行了简单的介绍。叙述了滑模变结构控制的发展和现状，给出了本论文的主 要内容和研究意义。 ( 2 ) 第二章首先通过对燃料电池输出特性的研究，介绍了燃料电池电动 汽车车载D C D C 变换器的主要功能和拓扑结构，分析了D C D C 变换器建模方 法研究现状，根据燃料电池大功率D C D C 的特性，建立了系统的数学模型。为 后续章节控制器的设计提供依据。 ( 3 ) 第三章对课题相关的滑模变结构理论作以总结和分析，这章是本文 研究的理论基础。运用S i m u l i n k 仿真软件实现了燃料电池电动汽车车载D C D C 滑模变结构控制器的仿真。在仿真研究中与传统的P I 控制进行比较，得出结 论。 ( 4 ) 第四章介绍了模糊滑模变结构控制理论，并针对燃料电池电动汽车 车载D C D C 变换器设计出模糊滑模变结构控制器。最后为验证算法的有效 性，针对系统的启动特性及抗干扰特性作了仿真试验。与传统的滑模变结构控 制比较并得出结论。 课题来源：国家“8 6 3 计划节能与新能源汽车专项中“基于C C M 技术的 燃料电池发动机研发 课题( 2 0 0 6 A A l l A l 3 3 ) 本文的整体框架如下图所示- 1 0 武汉理j L ：人学硕十学位论文 图1 2 论文的结构框架 武汉理一I ：大学硕十学位论文 第2 章燃料电池电动汽车车载D C - D C 拓扑结构及模 型的建立 2 1 燃料电池输出特性 燃料电池的输出特性由燃料电池在能量转换过程及结构上的特性所确定， 当输出电流变化时，其输出电压波动较大，图2 1 给出了燃料电池的电流电压 特性曲线。由图中可以看出，在燃料电池加载的起始阶段，其电压U ，c 下降较 快。在起始阶段之后，当负载电流增加时，其电压下降率仍比普通电池大得 多，因而燃料电池的输出特性相对较软。 图2 - 1 燃料电池的输出特性曲线 与传统汽车相似，燃料电池汽车应具备良好的机动性，以应对不同工况， 例如：上坡；下坡；超车加速；转弯减速；红绿灯启或停；面对障碍物的紧急制 动等等。但由于燃料电池的输出特性偏软，其电压响应速度相对较低，所以要 求其D C D C 变换器控制系统响应时间小，鲁棒性好。 1 2 武汉理I ：大学硕十学位论文 2 2 燃料电池电动汽车车载D C D C 主要功能 2 2 1D C D C 主要功能 D C D C 变换器的电路通常由主电路和控制电路两大部分所组成，其电路框 图如图2 2 所示。 图2 2D C D C 变换器电路框图 D C D C 变换器具有以下基本功能： ( 1 ) 当输入直流电压在一定范围内变化时，能输出负载要求的变化范围的直 流电压，例如，输入电压最低时也能达到最高输出电压，输入电压最高时也能 达到最低输出电压等。 ( 2 ) 输出负载要求的直流电流( 范围) ：能够输出足够的直流负载电流，并且能 够允许在足够宽的负载变化范围的情况下( 例如，从空载到满载，即电流从零到 最大) ，设备能正常运行( 例如，电压稳定、不损坏器件) 。 2 2 2 燃料电池电动汽车车载D C D C 主要功能 燃料电池轿车中的D C D C 变换器的主要功能概括起来主要包括以下三点： ( 1 ) 调节燃料电池的输出电压 由于燃料电池的输出特性较软，输出电压随负载的变化而变化，轻载时输 出电压偏高，重载时输出电压偏低，难以满足驱动电机控制器的需求，所以借 助D C D C 变换器对燃料电池的输出电压进行调节。 ( 2 ) 调节整车能量分配 燃料电池轿车是一种混合动力轿车，具有燃料电池和动力蓄电池两种能 源，控制燃料电池的输出能量就可以控制整车能量的分配。如果燃料电池的输 出能量不足以驱动电机，缺口能量就由动力蓄电池来补充；当燃料电池输出的 能量超出电机的需求时，多余的能量可以后进入蓄电池中，补充蓄电池的能 1 3 武汉理工人学硕十学位论文 量。D C D C 变换器用于控制燃料电池的能量输出。 ( 3 ) 稳定整车直流母线电压 燃料电池的输出电压经过D C D C 变换器后能稳定整车直流母线电压。 2 3 燃料电池电动汽车车载D C D C 拓扑结构 D C D C 变换器在燃料电池电动车中起着重要的作用，它的性能必须满足 以下几点要求： ( 1 ) 变换器是能量传递部件，因此需要转换效率高，以便提高能源的利 用率； ( 2 ) 为了降低对燃料电池的输出电压要求，变换器应具有升压功能； ( 3 ) 由于燃料电池输出的不稳定，需要变换器闭环运行进行稳压，为了 给驱动器稳定的输入，需要变换器有较好的动态调节能力； ( 4 ) 体积小，重量轻。 燃料电池电动轿车主D C D C 是一种升压电路，升压电路大体上有两种解 决方案：第一，隔离方案( 采用高频逆变+ 变压器+ 整流滤波方案) ；第二，非隔 离方案( 升压斩波方案) 。 对于隔离方案，该电路较复杂，控制难度较大，所需元器件较多，其中 包括较重的隔离变压器和滤波电抗器，所以减小体积，减轻重量，提高功率密 度有一定的困难。而且从效率的角度来讲，该电路先将直流电转变为高频变化 的交流电，通过变压器隔离后，由整流电路把交流电转变成直流电，再通过滤 波电抗器输出，这其中包括了四次能量转变过程，能量损耗较大，效率不会太 高。效率不高，损耗较大，所需的散热面积就更大，整个装置的体积和重量也 就更大，所需的冷却功率也会更大，效率也就会更低。故在燃料电池电动轿车 大功率D C D C 中一般不采用。 对于非隔离方案，该电路结构简单，所需元件较少，其中较重的元件只 有斩波电抗器，如果能将斩波电抗器设计得较轻，就能减轻整个装置的重量， 提高系统的功率密度。从电路形式来看，它是通过斩波电抗器的储能原理来升 压的，其能量转换环节较少，输出的能量一部分来自于斩波电抗器中储存的能 量，一部分直接来自于输入端，所以整个装置的效率较高。 综合以上的论述，采用B o o s t 电路作为主电路结构。 1 4 武汉理r 大学硕十学位论文 2 4D C D C 变换器工作原理 B o o s t 变换器是P W M 型D C D C 变换器中最简单，也是最基本的一种。B O O S T 变换器是输出电压高于输入电压的单管不隔离直流变换器，由功率开关V 、储 能电感L ，滤波电容C 、负载电阻组成。其主电路拓扑结构如图2 3 所示： L 图2 - 3B o o s t 变换器原理图 B o o s t 变换器的工作电路如图所示。功率M O S F