阅读说明：本技术 基于干扰观测器与积分滑模控制的boost变换器控制方法 (Boost converter control method based on disturbance observer and integral sliding mode control ) 是由 刘然 任幼逢 张白林 郭晓静 朱莉莉 张小涛 陈祺 平静洋 孙朋辉 燕少鹏 陈晓 于 2020-10-30 设计创作，主要内容包括：本发明涉及电力电子变换器领域,尤其涉及基于干扰观测器与积分滑模控制的boost变换器控制方法,包括：建立boost变换器的状态空间模型方程；基于状态空间模型方程并根据扰动观测器估计的不确定性建立积分滑模控制器；在线路输入电压和/或负载电阻不确定时,通过积分滑模控制器调节输出电压。通过使用本发明,可以实现以下效果：1、直接输出电压控制；2、无需任何附加硬件就可保证恒定的开关频率；3、无需测量输入电压；4、对线路、负载不确定性具有很强的鲁棒性,能够跟踪参考电压。(The invention relates to the field of power electronic converters, in particular to a boost converter control method based on disturbance observer and integral sliding mode control, which comprises the following steps: establishing a state space model equation of the boost converter; establishing an integral sliding mode controller based on a state space model equation and according to uncertainty estimated by a disturbance observer; when the line input voltage and/or the load resistance are uncertain, the output voltage is regulated through the integral sliding mode controller. By using the present invention, the following effects can be achieved: 1. direct output voltage control; 2. constant switching frequency can be guaranteed without any additional hardware; 3. the input voltage does not need to be measured; 4. the method has strong robustness to line and load uncertainty, and can track the reference voltage.)

基于干扰观测器与积分滑模控制的boost变换器控制方法

技术领域

本发明涉及电力电子变换器领域，尤其涉及基于干扰观测器与积分滑模控制的boost变换器控制方法。

背景技术

DC-DC变换器广泛应用于光伏发电、燃料电池系统、风力发电系统、电信系统、直流微电网和功率因数校正，boost变换器是DC-DC变换器中常见的一种变换器，它的优点有：拓扑结构简单、所需元件少、工作可靠性高。在boost变换器的电压调节应用中，当线路和负载存在不确定性时，需要变换器保持恒定的输出电压。控制目标就是在不确定的情况下去调节输出电压，使其具有良好的瞬态性能并且易于实现。

由于boost变换器是一种双线性、非最小不匹配系统，所以其控制一直比较困难。传统的boost变换器的滑模控制是采用间接控制的方法来调节电感电流而不是输出电压，但是间接控制方案可能会导致信号计算的意外复杂性。

发明内容

为解决上述问题，本发明提出一种基于干扰观测器与积分滑模控制的boost变换器控制方法，通过干扰观测器进行输入电压和负载电阻的不确定性估计，并且将估计值应用到积分滑模控制的控制规律中，由此来实现在线路输入电压和负载电阻不确定时可以调节输出电压的目的。

基于干扰观测器与积分滑模控制的boost变换器控制方法，包括：

建立boost变换器的状态空间模型方程；

基于状态空间模型方程并根据扰动观测器估计的不确定性建立积分滑模控制器；

在线路输入电压和/或负载电阻不确定时，通过积分滑模控制器调节输出电压。

优选的，所述boost变换器的状态空间模型方程为：

其中，i_L表示通过电感器的电流；v_C表示电容器上的电压、L表示电感；C表示电容；u表示输入电压；R表示负载电阻；v_g表示线路输入电压。

优选的，将非线性数学模型进行简化，得到：

其中，a₁′₁、a₂′₁、k为已知的常数，而a₁₂、a₂₂为不确定的变量；状态变量x₁和x₂是被定义为控制目标是使x₂变为零；表示状态变量x₁的导数；表示表示状态变量x₂的导数；d₁和d₂表示不确定度

优选的，所述基于状态空间模型方程并根据扰动观测器估计的不确定性建立积分滑模控制器包括：

建立用于补偿不匹配扰动的积分滑模面：

其中，c₁，c₂，α为用户选择的正常数；σ^*的选择可以保证在t＝0时σ^*＝0；

对积分滑模面进行微分以及使用简化后的非线性数学模型，可得滑动面的动力学公式如下：

设计控制规律u使滑动条件满足得到积分滑模控制器如下：

本发明利用扰动观测器估计线路和负载的不确定性，然后将其应用到积分滑模控制律中，实现了在输入电压和负载不确定的情况下调节输出电压的目的。分析了控制器跟踪参考电压和调节输出电压的能力，具有如下优点：1、直接输出电压控制；2、无需任何附加硬件就可保证恒定的开关频率；3、无需测量输入电压；4、对线路、负载不确定性具有很强的鲁棒性，能够跟踪参考电压。

附图说明

下面结合附图和

具体实施方式

对本发明作进一步详细的说明。

图1是本发明实施例中boost变换器的拓扑结构电路图；

图2是本发明实施例基于干扰观测器与积分滑模控制的boost变换器控制方法的示意流程图；

图3是本发明实施例线路输入电压v_g不确定情况下输出电压和负载电流的曲线示意图；

图4a是本发明实施例线路输入电压v_g不确定情况下输入电压v_g等于20V时的输出电压v_O和电感器电流i_L的曲线示意图；

图4b是本发明实施例线路输入电压v_g不确定情况下输入电压v_g等于24V时的输出电压v_O和电感器电流i_L的曲线示意图；

图4c是本发明实施例线路输入电压v_g不确定情况下输入电压v_g等于28V时的输出电压v_O和电感器电流i_L的曲线示意图；

图5是本发明实施例负载电阻不确定时输出电压和负载电流的曲线示意图。

具体实施方式

以下结合附图，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。

本发明实施例利用的拓扑结构为boost变换器，如图1所示，其中主要器件有：直流电压源V、开关管Q、二极管D、电感L、电容C、负载R。

基于上述boost变换器，本发明实施例提出一种基于干扰观测器与积分滑模控制的boost变换器控制方法，如图1所示，包括以下步骤：

S1：建立boost变换器的状态空间模型方程；

S2：基于状态空间模型方程并根据扰动观测器估计的不确定性建立积分滑模控制器；

S3：在线路输入电压和/或负载电阻不确定时，通过积分滑模控制器调节输出电压。

积分滑模控制是滑模控制的一种改进，它可以降低系统的不确定性。另外，利用积分滑模控制设计的干扰观测器可以实现连续控制，并且可以消除抖振，同时保证滑模控制的强鲁棒性和高精度。本发明基于干扰观测器设计的积分滑模控制方法，可以在输入电压和负载不确定时对输出电压进行调节，并且能够跟踪参考电压，保证恒定的开关频率。

建立boost变换器的状态空间模型方程，要注意的是boost变换器可以工作在电流连续工作模式(CCM)或电流不连续工作模式(DCM)。在本发明中选择的负载电阻满足电流连续工作模式(CCM)条件。因此，转换器将始终在电流连续工作模式(CCM)中工作。电流连续工作模式(CCM)中转换器的状态空间模型方程具体如下：

其中，i_L表示通过电感器的电流；v_C表示电容器上的电压、L表示电感；C表示电容；u表示输入电压；R表示负载电阻；v_g表示线路输入电压。在后面的内容中，输出电压用v_O表示，v_O等于v_C。可以注意到，负载电阻R和输入电压v_g未知，但其数值是位于已知的范围内。用矩阵方程表示如下：

状态空间模型方程(1)中不包括变换器的寄生元件。控制目标是在输入电压和负载电阻两种不确定性的情况下调节输出电压，并跟踪参考电压。

作为优选，可以将状态空间模型方程简化改写为：

其中，

x₁＝i_L,x₂＝v_C-V_ref (4)

d₁＝-a₁′₁(V_ref+ku-V_refu)+a₁₂ (6)

d₂＝-a′₂₁ux₁-a₂₂(x₂+V_ref) (7)

其中a′₁₁、a′₂₁、k都是已知的常数，而a₁₂、a₂₂是不确定的变量。改写后的数学模型(3)比原始模型更为简单。状态变量x₁和x₂是被定义为控制目标是使x₂变为零。V_ref表示；表示状态变量x₁的导数；表示表示状态变量x₂的导数；d₁和d₂表示不确定度。在建立基于扰动观测器的积分滑模控制器时将证明提出的控制规律可以使x₂渐近为零。

基于状态空间模型方程并根据扰动观测器估计的不确定性建立积分滑模控制器。扰动观测器估计线路输入电压和负载电阻的不确定性，然后将其应用到控制律中。

不确定度d₁的干扰观测器的设计为：

该式中，l₁>0是观测器增益，p₁是辅助变量，是d₁的估计值，并且 表示辅助变量p₁的导数；表示不确定度d₁的误差。从(9)式的两边减去得到：

表示不确定度d₁的导数；表示不确定度d₁的误差的导数。

同样，不确定度d₂估计为：

该式中，l₂>0是观测器增益，p₂是辅助变量，是d₂的估计值，并且从(14)式的两边减去得到：

从式(11)和(15)可以看出，如果d₁和d₂是常数，估计误差将渐近地趋于零。如果d₁和d₂是慢变参数，估计误差将保持在零的一个小范围内。在boost变换器中，负载电阻和输入电压在隔离瞬间以阶跃方式变化，否则它们会是未知常数。所以，在这些情况下，和是0，因此在l₁>0和l₂>0时可以保证估计误差的稳定性。

建立用于补偿不匹配扰动的积分滑模面：

其中，c₁，c₂，α是用户选择的正常数。σ^*的选择可以保证在t＝0时σ^*＝0。通过对积分滑模面进行微分以及使用简化后的非线性数学模型，可得滑动面的动力学公式如下：

设计控制规律u使滑动条件满足得到积分滑模控制器如下：

上式中，k_l是用户选择的正常参数，用来保证滑模控制条件在t和k为正数的情况下都会成立。选择这种控制方式，对于任何v_C值来说既不是消极的，也不是无限的。c₁、c₂的值保证了x₂的值趋近于0。在积分滑模控制器中也指出了它不受正负符号函数的影响。本积分滑模控制器保证了恒定的切换频率，而且不需要任何额外的硬件电路，输出电压也无抖动。另外，积分滑模控制器不需要测量任何的输入电压v_g。(6)和(7)式中出现的线路和负载不确定性在(18)式中通过估计值得以解决，通过(11)和(15)式可以看出，观测器的增益l₁和l₂的估算率是确定的。控制u会使滑模面σ^*在任何时间t内保持为0，当σ^*＝0时，x₂的动力学公式如下：

这表明，如果是常数，x₂将渐进趋向于0。也可以看出，通过选择合适的c₁、c₂值可以控制误差x₂的瞬时状态。

滑模面σ^*的稳定性分析。首先考虑Lyapunov函数：

σ^*的动力学公式通过将(18)带入(17)推导出：

对V(σ^*)进行微分并利用式子(21)得到：

通过(22)式可以推|σ^*|最终将会由下式决定：

增加k_l可以降低σ^*的上限，但是增大k_l的值不会增加(18)中u的大小，因为σ^*总是接近于0的，由于不确定性是以阶跃方式变化，然后变成常数。因此可以得出结论，除了阶跃变化的时刻外，σ^*将接近于零。

在一示例实施例中，输入电压v_g＝24V、电感L＝200μH、输出电容C＝330μF、负载电阻R＝100Ω、参考电压V_ref＝48V；c₁＝12×10³、c₂＝8×10⁵、k＝50、k_l＝10³、l₁＝9×10²、l₂＝9×10²、α＝2×10³。

在线路输入电压v_g不确定的情况下，线路输入电压v_g以20-24-28V的顺序逐步改变，然后利用本发明方法重复实验。输出电压和负载电流如图3所示。可以看出输出电压保持在48V。暂态特性上，v_g的瞬时电压分别为1.32V和1.26V，持续时间分别为36ms和34ms，图4a、4b和4c分别示出了输入电压v_g等于20V、24V和28V时的输出电压v_O和电感器电流i_L的曲线。可以看出当输入电压从20V增加到28V时，电感电流的频率在100KHz不变。

在负载电阻不确定的情况下，将输入电压v_g和参考电压V_ref分别保持在24V和48V，而负载电阻R以100-50-25Ω的方式逐步变化。如图5所示的是输出电压和负载电流的图像。负载电阻R的瞬态变化分别为0.34V和0.44V，持续时间分别为21ms和24ms。而且可以很明显的看出本发明所提出的控制方法是没有显示出稳定误差的。

本发明利用扰动观测器估计线路和负载的不确定性，然后将其应用到积分滑模控制律中，实现了在输入电压和负载不确定的情况下调节输出电压的目的。分析了控制器跟踪参考电压和调节输出电压的能力，具有如下优点：1、直接输出电压控制；2、无需任何附加硬件就可保证恒定的开关频率；3、无需测量输入电压；4、对线路、负载不确定性具有很强的鲁棒性，能够跟踪参考电压。

本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。