Buck变换器的滑模控制研究.ppt

6/6/2020,TheCollegeofInformationScienceandEngineering,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,6/6/2020,TheCollegeofInformationScienceandEngineering,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,6/6/2020,TheCollegeofInformationScienceandEngineering,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,6/6/2020,TheCollegeofInformationScienceandEngineering,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。,6/6/2020,TheCollegeofInformationScienceandEngineering,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,6/6/2020,TheCollegeofInformationScienceandEngineering,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,6/6/2020,TheCollegeofInformationScienceandEngineering,开关T关断时的Buck电路图,6/6/2020,TheCollegeofInformationScienceandEngineering,若设电容电压为x1，电感电流为x2，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),6/6/2020,TheCollegeofInformationScienceandEngineering,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,6/6/2020,TheCollegeofInformationScienceandEngineering,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,6/6/2020,TheCollegeofInformationScienceandEngineering,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x1为电容的误差电压，x2取为x1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,6/6/2020,TheCollegeofInformationScienceandEngineering,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),6/6/2020,TheCollegeofInformationScienceandEngineering,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),6/6/2020,TheCollegeofInformationScienceandEngineering,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),6/6/2020,TheCollegeofInformationScienceandEngineering,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),6/6/2020,TheCollegeofInformationScienceandEngineering,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,6/6/2020,TheCollegeofInformationScienceandEngineering,(13),设计新的控制器为,(14),是对,上界,的估计，,的估计。,是对,上界,6/6/2020,TheCollegeofInformationScienceandEngineering,设计自适应律为,(15),(16),稳定性分析,其中,。,(17),6/6/2020,TheCollegeofInformationScienceandEngineering,(18),由于,因此,6/6/2020,TheCollegeofInformationScienceandEngineering,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),6/6/2020,TheCollegeofInformationScienceandEngineering,(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,6/6/2020,TheCollegeofInformationScienceandEngineering,6/6/2020,TheCollegeofInformationScienceandEngineering,6/6/2020,TheCollegeofInformationScienceandEngineering,6/6/2020,TheCollegeofInformationScienceandEngineering,6/6/2020,TheCollegeofInformationScienceandEngineering,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),6/6/2020,TheCollegeofInformationScienceandEngineering,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,6/6/2020,TheCollegeofInformationScienceandEngineering,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),6/6/2020,TheCollegeofInformationScienceandEngineering,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),6/6/2020,TheCollegeofInformationScienceandEngineering,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),6/6/2020,TheCollegeofInformationScienceandEngineering,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,6/6/2020,TheCollegeofInformationScienceandEngineering,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),6/6/2020,TheCollegeofInformationScienceandEngineering,其中,动态滑模控制律为,(19),(21),则,(20),6/6/2020,TheCollegeofInformationScienceandEngineering,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),6/6/2020,TheCollegeofInformationScienceandEngineering,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,6/6/2020,TheCollegeofInformationScienceandEngineering,系统参数为,控制器设计参数为,6/6/2020,TheCollegeofInformationScienceandEngineering,6/6/2020,TheCollegeofInformationScienceandEngineering,6/6/2020,TheCollegeofInformationScienceandEngineering,6/6/2020,TheCollegeofInformationScienceandEngineering,6/6/2020,TheCollegeofInformationScienceandEngineering,6/6/2020,TheCollegeofInformationScienceandEngineering,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。,6/6/2020,TheCollegeofInformationScienceandEngineering,针对本文