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作者: 发布时间:2013-03-23 来源: 繁体版
摘 要: 利用υ自步离散法,得到变换器输入控制变量与状态变量之间的直接映射关系,基于混杂系统理论分析系统的动态方程,建立其分段仿射模型。在此模型的基础上,结合非线性预测控制算法,通过模型预测系统的

摘  要: 利用υ自步离散法,得到变换器输入控制变量与状态变量之间的直接映射关系,基于混杂系统理论分析系统的动态方程,建立其分段仿射模型。在此模型的基础上,结合非线性预测控制算法,通过模型预测系统的输出,利用反馈校正误差,给出二次型性能指标的优化计算方法,并由此设计预测控制器。最后,以Buck功率变换器为研究对象,通过与峰值电流控制算法的仿真结果进行比较,验证模型的正确性以及控制器设计的有效性。Pmb自动化在线网
关键词: 开关变换器;混杂系统;分段仿射模型;模型预测控制Pmb自动化在线网

    随着新一代功率集成电子器件的不断出现,开关功率变换器越来越广泛地应用于人们的日常生活。目前大多数的研究工作是通过提出新的拓扑结构和先进的控制策略来提高功率变换器的各种性能。但是相当一部分控制算法依然基于较早提出的状态空间平均法建立的系统模型。由于这种小信号建模的方法忽略了功率变换器中开关器件的离散动作,因而存在很大的局限性[1-2]。Pmb自动化在线网
    事实上,由于开关器件的离散动作和连续动态特性的相互作用,功率变换器是一个典型的混杂动态系统。因此,如何利用混杂系统理论对DC/DC功率变换器进行研究,已引起国内外专家学者的广泛关注。参考文献[3]利用周期性切换模型分析了DC/DC功率变换器的混杂动态特征,并研究了系统的能控性、能观性和能达性;参考文献[4]研究了Boost 功率变换器的混杂控制问题,通过设计混杂控制律调节变换器的输出电压;参考文献[5]基于滑模观测器建立了DC-DC变换器的混杂系统状态模型,基于混杂系统模型设计了预测控制器;参考文献[6]运用混杂系统相关理论,研究二阶DC-DC变换器的统一混杂系统模型,基于Lyapunov直接法分析系统稳定性,进而提出了一种新型的类滑模控制策略。Pmb自动化在线网
    模型预测控制MPC(Model Predictive Control)利用内部模型预测系统的状态或输出,同时应用有限时域的滚动计算和反馈校正对系统性能指标进行优化计算,以确定在预测控制时域内的最优控制序列,具有控制效果好、鲁棒性强等优点[7]。Pmb自动化在线网
    本文利用混杂系统理论对DC/DC功率变换器进行建模分析。首先,利用变换器的?自步离散法,得到输入控制变量与状态变量之间的直接映射关系,研究和分析开关动态与连续动态(状态变量)之间的相互作用,进而建立能够准确反应开关变换器混杂动态特征的分段仿射模型(PWA)。在此模型的基础之上,结合非线性预测控制,通过对预测模型的推导以及反馈校正环节的合理设计得到最优占空比序列,设计预测控制器。最后以Buck变换器为例,验证模型建立的正确性以及控制器设计的有效性。Pmb自动化在线网
1 DC/DC变换器的PWA模型Pmb自动化在线网
1.1 Buck变换器的数学模型
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    DC/DC功率变换器是一种典型的切换系统。其工作过程是在多个线性系统之间进行周期性的切换。以Buck变换器为例建立数学模型,拓扑结构如图1所示。Pmb自动化在线网

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3 Simulink仿真Pmb自动化在线网
    仿真环境为Microsoft Windows XP Professional系统,Matlab7.1软件仿真平台。Pmb自动化在线网
    负载瞬态性能是衡量DC/DC变换器的一个重要性能指标。以Buck电路为例进行仿真。假设在电流连续模态下主电路输入电压Vg=5 V,参考电压2.5 V,开关频率fS=400 kHz,电容电感参数分别为:C=200 μF,L=1 μH,子区间为3,预测步长和控制步长分别为:Hu=Hp=2。将仿真结果与峰值电流模式相比较如下。Pmb自动化在线网
    (1)负跃变情况(10 A→5 A)Pmb自动化在线网


DC/DC变换器的PWA模型及预测控制
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