112956_张璐_DC-DC变换器系统滑模控制方法研究_毕业设计中期报告_143341255714

河北工业大学本科毕业设计（论文）中期报告1河北工业大学2015届本科毕业设计（论文）中期报告毕业设计（论文）题目：DC-DC变换器系统滑模控制方法研究专业（方向）：自动化学生信息：学号：112956姓名：张璐班级：自动化111指导教师信息：教师号：99012姓名：张燕职称：教授报告提交日期：2015年4月17日内容要求：一、绪论电力电子装置已经被广泛应用于工业系统中，DC-DC变换器的应用随处可见。众所周知，DC-DC变换器是时变的离散的非线性系统，其控制也是不连续和非线性的，然而一般的控制方法（如PID控制）对系统参数的变化比较敏感，当负载大范围变化，特别是带非线性负载时，DC-DC变换器有动态响应速度慢、输出波形有畸变等缺点，再加上现代工业对传递电能的快速性、高效性、高精确性以及装置低成本性等要求越来越高，传统的线性控制策略已经不能满足所要求的性能指标，需要采用非线性控制技术来克服线性控制技术的不足。滑模控制理论是一种先进的非线性控制理论，滑模控制系统具有很好的动态性能和鲁棒性，特别适合于具有变结构特性的开关变换器的控制。DC-DC变换器采用滑模控制技术控制器设计简单，并且系统对外界干扰和系统参数的摄动具有很好的鲁棒性。本阶段在理解滑模变结构控制原理的基础上设计了DC-DC变换器的滑模控制方法，考虑到DC-DC变换器存在负载扰动、输入电压变化等非匹配扰动，在传统滑模控制器的基础上设计了基于扩张状态观测器（ESO）的滑模控制器，仿真结果表明SMC+ESO设计方法具有更好的控制效果。二、研究过程及阶段成果1DC-DC变换器系统建模与仿真1.1系统建模[6]典型的基于PWM的DC-DC变换器的结构如图（1）所示。Li为电感电流，sv为电容电压，rv为参考输出电压，L为电感，C为电容，R为负载电阻，E为外部电源电压，]1,0[为PWM控制信号的占空比。图1DC-DC变换器电路图河北工业大学本科毕业设计（论文）中期报告2DC-DC变换器系统动态模型推理如下，当开关导通时，.RvivCviLEsLssL（1）当开关关断时，.RvivCviLsLssL（2）综合式（1）（2）可得.RvivCvEiLsLssL（3）令rsvvex1，则系统模型如下：),(101tdCRvCiexsL（4）其中CRvRCvtdss01)(。令CRvCixsL02可以得到).(102RCvCiCRLCvExsLs（5）把式（4）（5）带入式（3）可以得到)(1)(012121RCvCiCRLCxLCvExtdxxsLr（6）令LCvEur，)(1)(002RCvCRvCRtdss，则式（6）可化简为).()(20212121tdCRxLCxuxtdxx（7）1.2系统仿真利用MATLAB搭建DC-DC变换器的仿真模型[7]，直流电源电压（E）为20V，电感（L）为4.7mH，电容（C）为1000µF，负载电阻（R）为100Ω，开关采用IGBT模型，驱动信号频率为1000Hz，占空比为50％，此时获得的系统仿真波形如图（2）、图（3）所示。河北工业大学本科毕业设计（论文）中期报告3图2输出电压波形图3电感电流波形由仿真结果可以看出，在不加控制器的情况下，系统有非常大的超调并且调节时间也比较长，不利于电能的传输与转换，考虑DC-DC变换器的先进控制策略尤为必要。2滑模变结构控制方法研究2.1滑模变结构控制的基本概念[3，4]变结构控制是一种非线性控制方法，此方法一般应用于变结构系统，包括非线性系统、随机系统、离散系统、多输入多输出系统等。变结构系统的定义可阐述如下，设非线性控制系统:RtRuRxtuxfxmn,,),,(（8）变结构控制的目的就是要确定切换函数向量s(x),mRxs)((其维数一般和控制量u的维数相等),并寻求控制律:0)(),(0)(),()(xsxuxsxuxuiii（9）其中iiuu,使得系统的相轨迹从任意初始状态出发,都能在有限时间内达到切换面s(x)，之后就被约束在s(x)=0的子空间内作小幅度、高频率的上下运动(滑模运动),直至到达系统的稳定平衡点[8-9]。根据以上定义可知，滑模变结构控制有两个设计步骤:选择切换面函数s(x)以及求取控制律u(x)，两个设计目标为:（Ⅰ）满足到达条件。系统的状态轨迹必须趋向于切换面s(x)=O,并且在有限时间内到达切换面，到达条件可以简单表示为:0ss（10）（Ⅱ）切换面上存在滑动模态，且滑动模态渐近稳定，动态品质良好。为了确定滑动模态的稳定性并研究其动态品质,就需要建立其滑模运动方程,对于非线性系统而言，可利用等效控制法来建立切换面上的运动河北工业大学本科毕业设计（论文）中期报告4方程。2.2滑模变结构控制的性质滑模变结构控制系统的运动由两部分组成，即到达运动和滑模运动，在设计滑模控制器时还应该考虑系统的动态品质。（1）滑动模态的可达性如果系统的初始点在状态空间的任意位置,此时要求系统的运动必须趋向切换面并且在有限时间内到达切换面,即满足可达性条件。按相关定义应满足下式:0)()(xsxsii（11）此式表明状态空间中的任意点必将向切换面0)(xsi靠近。显然,系统满足广义滑模条件必然满足滑模存在性及可达性条件。（2）滑模运动的稳定性系统运动进入滑动模态区后,进行滑模运动。控制系统要求滑模运动是渐近稳定的。对于式（8）所示的系统,当系统状态到达滑模面后,s(x)=0成立,系统滑模运动的数学描述为:0)(),,(xstuxfx（12）令0)0,...,0,0(s，通过选取)(xs的参数,可以保证)(mn维滑模运动的渐近稳定性。（3）不变性和鲁棒性滑模变结构控制的最大优点是在摄动和扰动满足匹配条件的条件下,系统一旦进入滑模状态,系统状态的转移就不再受系统原有参数变化和外部扰动的影响,能够同时兼顾动态精度和稳态精度的要求。滑模变结构控制系统的不变性和鲁棒性已经成为滑模控制得到普遍重视和应用的一个重要特性。（4）抖振问题变结构控制系统的滑模运动是系统状态沿着希望轨线前进的运动。由于执行机构具有一定的延迟或惯性，所以系统状态在滑动时总伴有“抖振”，也就是说系统状态实际上是沿希望轨线来回穿行而不是滑动。由于抖振的危害性比较大,故它的存在是阻碍滑模变结构控制应用于实际系统的主要障碍之一。2.3系统仿真被控对象取式（7）所示的DC-DC变换器系统，输入电压为20V，期望输出电压设置为10V。电路中电感值为4.7mH,电容为1000μF，电阻R0设为100Ω。设计滑模控制器[15]，选取切换面21xkxs（13）为了保证0ss，设计滑模控制律为[17]河北工业大学本科毕业设计（论文）中期报告5EvLCutCRxLCxssignkxtur)())(()(0212（14）对象的初始状态为[00]，取k=10，η=2000，仿真结果如图（4）、图（5）、图（6）所示。图4占空比变化情况图5输出电压变化情况河北工业大学本科毕业设计（论文）中期报告6图6电感电流变化情况3观测器研究滑模变结构控制领域已有的研究成果大多针对于匹配扰动有比较好的控制效果，而对于非匹配扰动，其控制效果并不是十分理想。DC-DC变换器系统存在负载扰动、输入电压变化等非匹配扰动，考虑设计干扰观测器以使系统拥有更好的性能。状态观测器设计研究的是基于系统已知输入量和测得的输出量来重构系统状态的策略。在过去的几十年里，学者们对线性对象、非线性对象以及不确定对象的观测器设计问题进行了深入的研究[12]。3.1扩张状态观测器（ESO）3.1.1简介扩张状态观测器（ESO）实际上是一种采用连续非线性(非光滑)结构的状态观测器，它不仅可以重现控制对象的状态量，还可以估计出控制对象模型的不确定因素和干扰的实时值这种“扩张状态”[13]，进而将非线性系统近似地补偿为线性系统[14]。目前，ESO已成功地在液压机面同步控制、磁悬浮、飞行器姿态控制等不同对象的实际控制系统实验或数值仿真实验中得到应用。3.1.2ESO设计[2，5]基于DC-DC变换器的数学模型，为了估计非匹配扰动)(1td的值，设计扩张状态观测器（ESO）如下：)()(1122111221xzzxzxzz（22）其中0,0),(,21^12^11tdzxz，由DC-DC变换器系统数学模型可以推理得到河北工业大学本科毕业设计（论文）中期报告7)(1^10^2tdCRd（23）选取滑模面[16])(^121tdxkxs（24）控制律)()()]()([)(^1^2021^12tdtdCRxLCxssigndxktu（25）EvLCutr)(（26）其中0,0k。3.2.3系统仿真被控对象取式（7）所示的DC-DC变换器系统，输入电压为20V，期望输出电压为10V，电感值为4.7mH,电容为1000μF，电阻R0为100Ω，对象的初始状态为[00]，采用式（22）所示的ESO,采用控制律式（25），控制器参数选择取k=10，η=3500，β1=400，β2=1600，使用控制律（14）是控制器参数选择为c=10,k=2000。仿真结果如图（7）、图（8）、图（9）所示。图7占空比变化情况对比河北工业大学本科毕业设计（论文）中期报告8图8输出电压变化情况对比图9电感电流变化情况对比上述仿真过程中，t=7s时负载电阻从100Ω变为130Ω，t=10s时从130Ω变为80Ω。从仿真结果可以看出，传统的滑模控制器会带来较大的超调并且调节时间比较长[1]，而使用SMC+ESO的控制方法不仅可以很大程度地减小超调还能够使输出很快达到期望值，有比较好的控制效果。三、下一步研究计划上述SMC+ESO设计方法采用了线性超平面的滑模面，保证了滑动模态的渐进稳定性。接下来要在此报告的基础上设计终端滑模控制器，即采用特殊设计的非线性切换面—终端滑动模态，使得状态沿着滑动模态在有限时间内到达平衡点，并且尽量减小抖振，使系统拥有更好的性能。用MATLAB编程，进行多次仿真实验，以确保仿真电路和实验结果的准确性，及时调整并找到最佳参数。撰写毕业论文。河北工业大学本科毕业设计（论文）中期报告9参考文献[1]JunYang,ShihuaLi,XinghuoYu.Sliding-ModeControlforSystemsWithMismatchedUncertantiesviaaDisturbanceObserver[J].IEEETransactiononindustrialelectronics,2013,60(1):160-169.[2]RobertMiklosovic,ZhiqiangGao.Arobusttwo-degree-of-freedomcontroldesignTechniqueanditspracticalapplication[C].39thIASAnnualMeetingonIndustryApplicationConference,2004:1495-1502.[3]丁明亮.基于模糊控制的Buck变换器[D].重庆大学硕士学位论文，2013.4.[4]陈庆学.DC-DC变换器滑模变结构控制的研究[D].浙江工业大学硕士学位论文，2008.12.[5]LiShihua,ZongKai,LiuHuixian.Acompositespeedcontrollerbasedonasecond-ordermodelofpermanentmagnetsynchronousmotorsystem[J].TransactionoftheInstituteofMeasurementandControl,2011,33(5):522-541.[6]王兆安，刘进军.电力电子技术（第5版）[M].北京：机械工业出版社，2009.