[发明专利]基于LQR最优控制的DC‑DC变换器数字化控制方法

说明书

技术领域

本发明属于开关电源控制技术领域，具体涉及一种基于LQR(线性二次型调节器)最优控制的DC-DC变换器数字化控制方法。

背景技术

近些年高频DC-DC变换器的数字化控制越来越受到国际学术界和工程界的关注，随着数字化控制系统的不断深入研究和发展，数字化控制方法越来越广泛地应用于对高频和中小功率的开关电源变换器控制。数字化控制的可编程性弥补了传统模拟补偿控制方法的不足，能够设计更高级更复杂的控制算法并应用于工程中。

目前在实际工程应用中，相对于传统模拟补偿控制方法的反复试验设计方法，工程师们更倾向采用数字化补偿控制方法，但他们常常习惯采用传统模拟控制器设计方法，如通过系统波特图进行零极点配置等相关技术。因此对传统模拟控制方法进行数字离散的方法越来越多，尽管模拟到数字的转化能够得到比较好的控制效果，但在离散化过程中对参数的忽略和零阶保持器的延迟等问题会造成一定的不良影响，并且补偿网络零极点的选取是否合适极大影响系统控制性能，正因如此补偿网络设计需要经过反复尝试验证的过程。

数字控制理论提出采用状态反馈最优控制来自动优化零极点配置方法，H.S Bae在【H.S.Bae,J.H.Yang,J.H.Lee,B.H.Cho,“Digital state feedback current control using the pole placement technique,”Journal of Power Electronics,2007,Vol.7,No.3,pp:213-221】中提出采用数字化状态反馈方法控制电流控制型DC-DC变换器，但上述方法中假设了所有状态都是可测的并且反馈比例增益的选取也是通过经验法获得的，该算法也没有考虑对电压设定值的跟踪性能，因此实际应用中性能相比模拟补偿网络有很大差距。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种基于LQR最优控制的DC-DC变换器数字化控制方法，采用卡尔曼滤波方法实现DC-DC变换器不可测状态变量的估计，设计带有积分控制、考虑参考输入电压跟踪性能的LQR最优控制器，并进行了抗积分饱和处理和手自动控制模式切换设计，提出了控制器权重参数的选取方法。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种基于LQR最优控制的DC-DC变换器数字化控制方法，包括手自动控制模式切换的设计、状态观测器设计、带积分控制和考虑参考输入电压跟踪性能的LQR最优控制器设计、抗积分饱和处理的设计，具体包括以下步骤：

(1)通过开关控制手动控制模式和自动控制模式的切换，输出不同模式的控制变量占空比u(k)和参考电压r(k)；为保证手动模式能够平滑的切换到自动模式，在手动控制模式时，自动控制器也需要实时跟踪真实状态计算控制器输出，为此需要对手动控制模式下自动控制器做如下处理：①跟踪模式：控制器的参考电压设定值r(k)为手动模式下参考电压设定值r_manual(k)，等于真实测量值y(k)，此时r(k)＝r_manual(k)＝y(k)；②估计模型：状态观测器的输入变量占空比u(k)等于手动模式下的占空比设定值u_manual(k)，此时u(k)＝u_manual(k)；如此可避免手动模式时控制器由于误差的持续累加而进入到积分饱和区；在自动控制模式时，控制器的参考电压设定值r(k)为自动模式下参考电压设定值r_auto(k)，控制器的控制变量占空比u(k)等于自动模式下的控制变量u_auto(k)，状态观测器的输入变量占空比u(k)等于u_auto(k)；手自动控制模式切换方法保证了两种工作模式的平滑切换；

(2)基于DC-DC变换器的离散状态空间模型采用卡尔曼滤波方法设计状态观测器，定义Φ、Γ、H为离散状态空间方程系数矩阵；将控制变量占空比u(k)和DC-DC变换器输出电压y(k)输入到状态观测器，离线计算得出状态观测器的稳态卡尔曼估计增益M，得到DC-DC变换器的不可测状态变量的估计值为控制器的状态反馈设计奠定基础；