[发明专利]一种基于切换系统的升压电路的控制及故障检测方法

权利要求书

1.一种基于切换系统的升压电路的控制及故障检测方法，其特征在于，它根据电路反馈的数值进行控制算法的实施，根据取最小Lyapunov函数导数的切换规则实时产生PWM信号，控制升压电路输出稳定电压；根据电路反馈的数值进行故障检测算法的实施，故障检测算法是Luenberger观测器构造残差值与阈值比较的方法，对电路的元器件实时进行检测，发现故障能立刻报警，其内容包括：

1)建立切换系统的升压电路的数学模型，表达式为：

y(t)＝Cx(t) (1)

其中，x(t)是状态向量，是状态向量x(t)的导数，y(t)是输出向量，u(t)是输入向量，σ(t)是切换开关信号，A_σ(t),B和C是状态空间模型的集合，

其中：

其中，L是电感，i_L(t)是电感电流，C₀是电容，V_c(t)是电容电压，R是与电感串联的电阻，R_load是负载电阻；当系统处于模式1时,关闭升压电路的mos管T；当系统处于模式2时,导通升压电路的mos管T；

2)基于切换系统的升压电路的切换规则：

为建立Lyapunov函数，令z＝x-x^*，然后考虑切换系统：

其中，A_σ(t)和B是状态空间模型的集合，u(t)是输入向量，和是电路理论值；

选择Lyapunov函数：V(x)＝z^TPz，其中:

其中，P₁₁,P₂₂是非负常数，因为MOS管T的开关状态S∈{0,1}，因此函数存在两个导数和

取最小Lyapunov函数导数规则为：

当系统处于模式1，关闭升压电路的mos管T；

当系统处于模式2，导通升压电路的mos管T；

为保证升压电路能输出稳定的电压，令对于Lyapunov函数V(x)，V(x)的导数小于0，所以导数越小，V(x)的衰减速率越大，稳定速度就越快，

取最小Lyapunov函数导数的切换规则：

其中，是上述两种情况下的V_σ(x)的导数，argmin是取最小值符号；

3)建立Luenberger观测器的表达式：

当系统中元器件出现故障时，系统矩阵会发生变化,故障模型的表达式为:

其中，x(t)是状态向量，是x(t)状态向量的导数，y(t)是输出向量，u(t)是输入向量，σ(t)是切换开关信号，A_σ(t),B和C是状态空间模型的集合，Q＝I是具有适当维数的矩阵,f(t)是元器件发生故障时引起的故障信号，

设计Luenberger观测器的空间状态表达式为:

其中,A_σ(t),B和C是状态空间模型的集合，u(t)是输入向量，是观测器状态,y(t)是电路实际输出值，是观测器输出,H是观测器增益矩阵,r(t)是观测器残差值，取增广状态向量

故障模型表达式和Luenberger观测器的增广系统的空间状态表达式为:

其中:A_σ(t),C是状态空间模型的集合,H是观测器增益矩阵；

4)残差值与阈值比较，实现故障检测：

确定电压与电流的残差值：

其中，i_L(t)是电路实时反馈的电流值，V_c(t)是电路实时反馈的电压值，观测器的电流观测值，是观测器的电压观测值，定义残差值无故障时，残差值保持一个很小的数值，当元器件发生故障时，残差会迅速增加，采用残差评估函数：

其中：0是初始时刻，M是检测时长，r₁(τ)是残差值；

利用残差评估函数能够确定阈值：

利用残差值r₁(t)与阈值J_th进行比较，判断是否发生故障：

如果r₁(t)≤J_th，那么系统无故障

如果r₁(t)＞J_th，那么系统发生故障

5)升压电路与控制器实施闭环控制：

通过取最小Lyapunov函数导数的切换规则，升压电路能以最快速率稳定，将升压电路与控制器连接构成一个闭环控制系统，控制器采样升压电路的输出电压和电流值，根据反馈值和取最小Lyapunov函数导数的控制规则实时产生切换信号，控制器输出实时变化的PWM信号控制升压电路，使得升压电路的电压输出稳定；通过Luenberger观测器构造残差值与阈值比较对电路元器件实时进行检测，检测出故障能立刻报警。