[发明专利]一种直流升压变换器系统先进控制方法

说明书

技术领域

本发明涉及电力电子直流升压变换器系统，尤其涉及一种基于扩张状态观测器和有限时间控制技术的直流升压变换器系统控制方法。

背景技术

随着现代科学技术的飞速发展，特别是电力电子技术、微电子技术、数字控制技术和现代控制理论的巨大进步，为电力电子直流开关电源系统的发展创造了有利条件，特别是在机器人、精密雷达、军用武器、新能源光伏系统等对直流开关电源控制性能要求越来越高的领域，直流变换器系统受到越来越多的关注。

目前，直流升压电力电子变换器系统多采用双闭环的控制结构，即内环为电流控制环，外环为电压控制环。控制器多采用PI调节器。其中电流环的作用是提高系统的快速性，及时抑制电流内部的干扰；电压环的作用是提高系统抗负载扰动的能力，抑制电压稳态波动。

在实际直流供电设备中，由于直流变换器系统的工作场合大多要求输出电压精度相当高，而且要求能够快速适应各种不同的工况，但是由于目前采用的PI控制器当系统工作在不同的工况下，例如在有扰动的情况下主要是利用积分来消除扰动对输出电压带来的影响，是一种被动且速度较慢的控制方式，特别是在系统遇到快速时变或者周期性的扰动时很难快速地跟踪给定电压，这些扰动主要包括负载波动，电压输入变化等。如果控制器不对这些扰动快速主动进行处理，则闭环系统很难达到快速且高精度电压输出性能。因此在直流升压电力电子变换器系统存在扰动的情况下，系统能够及时地对扰动进行处理，就能够进一步提高电力电子变换器系统的跟踪速度和精度，满足电力电子系统在高精度电压输出工作领域的应用。

为了能够及时对系统扰动进行处理，提高电力电子直流升压变换器系统的跟踪精度，国内外学者进行了大量的研究。文献(乐江源,谢运祥,洪庆祖等.Boost变换器精确反馈线性化滑模变结构控制[J].中国电机工程学报,2011,31(30):16-23.设计了基于精确反馈线性化的Boost变换器滑模变结构控制方法，通过精确反馈线性化方法将原系统简化成线性系统，设计滑模变结构控制器，但是该方法只考虑单一扰动且没考虑输入电压波动情况下的控制器设计，针对直流升压电力电子变换器控制系统系统，文献(Said Oucheriah,Liping Guo.PWM-based adaptive sliding-mode control for boost DC–DC converters(J).IEEE Transactions on Industrial Electronics,2013，vol.60,no.8,pp.3291-3294.)提出了利用自适应规律设计状态观测器，抑制负载扰动和外部输入电压变化，实验结果表明，该方案能够及时地对扰动进行处理，达到较高的跟踪精度。

发明内容

本发明的目的在于针对直流升压变换器的负载扰动和输入电压变化，提供一种直流升压变换器系统先进控制方法，该方法基于扩张状态观测器和有限时间技术，实现对直流升压变换器系统给定电压跟踪的快速性和准确性。

本发明具体采用如下技术方案：

一种基于扩张状态观测器和有限时间控制技术的直流升压变换器系统控制方法，其特征在于：

步骤一：建立直流升压变换器的模型，以系统的电感电流、电容电压为状态变量，依靠时间平均技术，将时变、非线性的开关电路转换为等效的时不变、线性的连续电路，由此对开关变换器进行大信号瞬态分析，建立系统的状态空间平均模型；

步骤二：对直流升压变换器的输入电压波动和负载电阻变化分别设计扩张状态观测器，对输入电压波动和负载电阻变化进行估计；

步骤三：在已设计的扩张状态观测器的基础上，基于系统的非最小相位特性，选择电感电流作为输出进行控制，在考虑负载电阻变化和输入电压波动的情况下设计有限时间控制器，利用得到的复合控制器实现目标电压的快速、高精度跟踪。

本发明具有以下有益结果：

本发明方法将扩张状态观测器和有限时间控制技术结合的复合控制器应用于直流升压变换器，首先利用扩张状态观测器技术在实验中采集的电压、电流状态信息基础上对扰动进行估计，得到系统中存在的负载扰动和输入电压扰动估计信息后，利用有限时间控制技术设计出复合控制器，在保证系统动态性能的情况下，可以明显地抑制负载变化和输入电压波动引起的扰动，从而大大提高直流升压变换器的跟踪的速度和精度。