[发明专利]基于LQR最优控制的DC‑DC变换器数字化控制方法有效

专利信息
申请号: 201510320488.0 申请日: 2015-06-11
公开(公告)号: CN104953834B 公开(公告)日: 2017-05-03
发明(设计)人: 刘佳;李修亮;张梦婷;苏宏业 申请(专利权)人: 浙江大学
主分类号: H02M3/157 分类号: H02M3/157
代理公司: 杭州求是专利事务所有限公司33200 代理人: 邱启旺
地址: 310058 浙江*** 国省代码: 浙江;33
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摘要: 发明公开了一种基于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设计、状态观测器设计、带积分控制、考虑参考输入电压跟踪性能的LQR最优控制器、抗积分饱和方法设计。本发明设计带有积分控制的LQR最优控制器,有效地消除DC‑DC变换器输出余差,并考虑参考输入电压跟踪性能,使得DC‑DC变换器的输出电压能够很好的实时跟踪参考输入电压变化;采用抗积分饱和方法处理控制变量占空比输出,避免实际工程应用中由于负载等大范围变化使得占空比长时间饱和而造成的控制器失效问题;采用开关控制手自动控制模式切换,保证了两种工作模式的平滑切换。本发明在实际工程应用中表明具备良好的控制精度和鲁棒性。
搜索关键词: 基于 lqr 最优 控制 dc 变换器 数字化 方法
【主权项】:
一种基于LQR最优控制的DC‑DC变换器的数字化控制方法,其特征在于,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);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)为手动控制模式下参考电压设定值rmanual(k),等于输出电压真实值y(k),此时r(k)=rmanual(k)=y(k);②估计模型:状态观测器的输入变量占空比u(k)等于手动控制模式下的占空比设定值umanual(k),此时u(k)=umanual(k);在自动控制模式时,控制器的参考电压设定值r(k)为自动控制模式下参考电压设定值rauto(k),控制器的控制变量占空比u(k)等于自动控制模式下的控制变量uauto(k),状态观测器的输入变量占空比u(k)等于uauto(k);(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(3)基于DC‑DC变换器离散状态空间模型引入一个积分状态变量xI(k),满足xI(k+1)=xI(k)+e(k),其中e(k)定义为输出电压设定值r(k)与输出电压真实值y(k)的误差,满足e(k)=r(k)‑y(k);基于原有的离散状态空间模型和引入的积分状态变量xI(k)建立增广离散状态空间模型设计LQR最优控制器;DC‑DC变换器控制变量占空比定义为其中KI和K分别为积分状态变量和DC‑DC变换器状态变量的比例增益,为参考输入电压跟踪性能计算参数;基于LQR稳态最优控制算法,选取控制器权重参数Q和R,离线计算得到KI和K;参考输入电压跟踪性能计算参数的计算需要定义参数矩阵Nx和期望状态变量xr(k)满足xr(k)=Nxr(k),当系统是Ⅰ型及以上系统时则不存在稳态误差,此时x(∞)=xr(k),当系统是0型系统时需要定义参数矩阵Nu和稳态控制变量uss(k)=Nur(k),当系统处于稳态时基于DC‑DC变换器离线状态空间模型推导计算得出Nx、Nu和满足最终计算得出自动控制模式下的控制变量u(k);(4)进行u(k)抗积分饱和处理的方法为:控制变量占空比u(k)满足条件0<umin≤u(k)≤umax<1,在计算u(k)之前判断上一次的占空比输出u(k‑1)是否超过限制,针对正作用控制器,当控制变量u(k‑1)小于设定下限值umin则只积累正向积分作用,当控制变量u(k‑1)大于设定上限值umax时则只积累负向积分作用,反作用控制器则需要相反的方向累加积分作用。
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