【文章內(nèi)容簡介】 方法來進行相關(guān)的分析和研究，此方法通常利用各種開關(guān)技術(shù)，開關(guān)器件以及高效率的電路元件的使用從而增強了開關(guān)功率變換器的各項性能，但于此同時電路結(jié)構(gòu)變得越發(fā)復(fù)雜并且整個系統(tǒng)的能耗也大為增加 [5][6]。隨著人們對控制策略的深入研究，在電力電子變換器當中利用基于模型而發(fā)展的控制方法進而設(shè)計相應(yīng)的控制器也逐漸受到人們的廣泛關(guān)注。傳統(tǒng)的線性控制方法已經(jīng)能成功應(yīng)用于電力電子功率變換器的控制中，但由于電力電子功率變換器本身具有強非線性和離散性等特點，通常的線性控制方法很難確保該類被控系統(tǒng)所有的工作點都具有全局穩(wěn)定性。到了重慶大學碩士學位論文 1 緒論2上世紀中期，計算機控制技術(shù)發(fā)展迅猛，比如無源性控制、模糊控制、自適應(yīng)控制、最優(yōu)控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、滑?？刂频确蔷€性控制策略逐漸被應(yīng)用到電力電子變換器中來?；诖?，電力電子變換器在高效性、高效性等方面取得了長足的進步，而同時非線性控制方法也成為了今后研究電力電子變換器的一個非常重要的領(lǐng)域[7]。近年來，電力電子功率變換器的相關(guān)研究在國內(nèi)外掀起了熱潮，而 DC/DC變換器的建模及相關(guān)控制方法的研究是目前研究的熱點課題之一，同時這也是電路分析和設(shè)計的重中之重。在建模方面，針對 DC/DC 功率變換器在閉環(huán)工作時所具有的非線性、時變、周期性切換等特點，由于采用傳統(tǒng)的分析方法(如拉氏變換)具有很大的局限性從而已不適用，因此引入新型的建模方法，使得分析過程簡單、準確和全面就顯得尤為重要。而在控制方面，傳統(tǒng)的線性控制方法無法滿足被控對象的強非線性、離散性和變結(jié)構(gòu)等特點，這就要求研究新的非線性控制方法來進行設(shè)計。 功率變換器研究現(xiàn)狀功率電子學是一門新興的學科，目前各國的研究主要集中在功率變換器的系統(tǒng)建模、閉環(huán)控制、拓撲結(jié)構(gòu)以及軟開關(guān)技術(shù)等方面。但至今為止，在功率變換器的建模以及控制等方面還沒有通用的成套方法，并且現(xiàn)有的一些理論具有明顯的局限性。 功率變換器的分類及結(jié)構(gòu)電力電子功率變換器是通過調(diào)節(jié)功率開關(guān)管的導通和關(guān)斷來不斷改變電路的拓撲結(jié)構(gòu)，以達到控制功率變換器輸出的電壓或者功率(即輸入的電能按照要求轉(zhuǎn)換成高質(zhì)量的輸出電能)。功率轉(zhuǎn)換的類型可以分為：DC —DC(斬波)、DC —AC(逆變) 、AC—AC(變頻)、AC—DC(整流)四個類型。本文主要以 DC/DC 變換器為例對其進行模型的建立及相關(guān)控制方法的研究。DC/DC 變換器又稱直流斬波器，其基本原理就是利用功率開關(guān)器件對系統(tǒng)的輸入電壓進行周期性的“ 斬切”。由于 DC/DC 變換器的電路結(jié)構(gòu)具有基本簡單的特性，對其設(shè)計的控制策略或者改進方法都可以很好的在其他變換電路中得到應(yīng)用。正因如此，針對 DC/DC 功率變換器的相關(guān)研究受到國內(nèi)外研究人員的廣泛關(guān)注。DC/DC 變換器依據(jù)開關(guān)管的控制方式可以分為：脈沖調(diào)制式、諧振式以及兩者的結(jié)合方式。而根據(jù)變換器的輸入輸出之間是否存在隔離，又可分為：隔離和無隔離兩種。其中無隔離的 DC/DC 變換器依據(jù)所包含的有源功率器件個數(shù)，又可分成單管、雙管和四管。這其中最基本的單管 DC/DC 變換器又包含了六種常見的拓撲形式：Boost(升壓)，Buck(降壓)，Cuk， Buck—Boost(升降壓)，Sepic 和重慶大學碩士學位論文 1 緒論3Zeta，而 Boost 和 Buck 變換器又是所有拓撲中最基礎(chǔ)的，其他四種是衍生出來的[8]，六種基本的電路形式如圖 ~ 所示。 SLCRESLCRE圖 Buck 變換器電路 圖 Boost 變換器電路 The circuit of Buck converter The circuit of Boost converter SLCRESL 1C 2REC 1L 2 圖 BuckBoost 變換器電路 圖 Cuk 變換器電路 The circuit of BuckBoost converter The circuit of Cuk converter SL 1C 2REC 1L 2SL 1C 2 REC 1L 2 圖 Sepic 變換器電路 圖 Zeta 變換器電路 The circuit of Sepic converter The circuit of Zeta converter目前各國關(guān)于 DC/DC 功率變換器的主要研究都集中在建模、控制、拓撲以及開關(guān)元件的應(yīng)用、軟開關(guān)技術(shù)等，還沒有建立一套通用的關(guān)于 DC/DC 功率變換器建模和控制方面的方法，而且已有的一些理論和方法還具有比較明顯的局限性，因此在這個領(lǐng)域的相關(guān)研究具有很好的應(yīng)用前景。 DC/DC 功率變換器建模方法 在上世紀很長一段時間里，人們對 DC/DC 變換器的相關(guān)研究都是根據(jù)電路工作波形來進行的。波形分析法是一種針對變換器的拓撲結(jié)構(gòu)進行分析研究的方法，它的基本思路是在變換器的工作周期內(nèi)對其狀態(tài)變量進行微觀分析。該方法一般通過對電路的結(jié)構(gòu)以及高性能元器件的改變和更替從而使變換器的效率得以重慶大學碩士學位論文 1 緒論4提升，但另一方面此舉將大大增加電路的復(fù)雜性和成本。后來隨著各種控制方法的研究越來越多，人們開始嘗試通過對 DC/DC 變換器建模，進而可以對其進行分析研究和相關(guān)控制器的設(shè)計。因此對于一個控制系統(tǒng)，建立起精確的能完整描述物理對象的數(shù)學模型和設(shè)計先進的控制策略都是不可或缺的 [9]。但是由于 DC/DC 變換器所具有的強非線性和離散性，采用常規(guī)的方法進行數(shù)學建模具有較大難度。通常來講，DC/DC 變換器的數(shù)學建模方法有兩大類，一種是數(shù)字仿真法，另一種是解析建模法。數(shù)字仿真法是通過采用各種不同的算法從而求出變換器某些特性的數(shù)值解，而這些方法的使用需要通過計算機的輔助才能完成。而數(shù)字仿真法又可分為兩類，一類是直接數(shù)字仿真法，另一累是間接數(shù)字仿真法。直接數(shù)字仿真法，顧名思義就是指直接采用現(xiàn)有的常用電路分析軟件，如 Matlab/Simulink，Pspice 等，來對 DC/DC 變換器進行仿真研究的方法。而間接數(shù)字仿真法則略有不同，它是在數(shù)值分析之前，從原有的 DC/DC 變換器電路中建出一個數(shù)學模型，隨后用相應(yīng)的數(shù)值分析方法來求解。數(shù)字仿真法具有很高的準確率和精確度，能得到完整的響應(yīng)波形，然而對設(shè)計并沒有多少指導意義 [10]。解析建模法，即針對變換器的工作特性采用解析理論的方法得到其解析表達式，從而可以對變換器進行定性定量分析的一種建模方法。該方法是根據(jù)具體的變換器電路的工作特性得出的模型，簡單明了且物理概念清晰。解析建模法又可以分為連續(xù)法和離散法，連續(xù)法中包括狀態(tài)空間平均法等，離散法中有數(shù)據(jù)采樣法(Sample/Data Method) 等 [11]。D C / D C 功率變換器建模方法數(shù)值仿真法解析建模法直接數(shù)字仿真法間接數(shù)字仿真法離散法 連續(xù)法數(shù)據(jù)采樣法平均值等效電路法等狀態(tài)空間平均法圖 DC/DC 變換器建模方法 Modeling methods of DC/DC converterMiddlebrook [12]等人在 1976 年首次提出了狀態(tài)空間平均法的概念，其中心思想是通過把離散的變量作時間上的加權(quán)平均，離散的變量系統(tǒng)用連續(xù)變量的方式來表達。具體是利用 DC/DC 變換器工作時的不同開關(guān)狀態(tài)下的子拓撲的狀重慶大學碩士學位論文 1 緒論5態(tài)方程，通過對開關(guān)占空比進行加權(quán)處理再經(jīng)過時間上的平均后得到的一個統(tǒng)一狀態(tài)方程 [13]。該方法應(yīng)用的前提要滿足開關(guān)切換頻率必須遠大于變換器電路的自然頻率。由狀態(tài)空間平均法建立的數(shù)學模型應(yīng)用非常廣泛，在對 DC/DC 功率變換器的控制和應(yīng)用中也有著非常廣泛的應(yīng)用，但此模型不能得到準確的紋波表達式，并且由于紋波等信息在做加權(quán)平均時被略掉了，此時如果擾動頻率和載波頻率接近時會導致誤差較大。小信號建模法是基于局部線性化的思想，此方法可以方便得出電路的輸入和輸出阻抗等參數(shù)。對一個 DC/DC 變換器進行小信號建模通常需要必須滿足三個條件：首先是低頻假設(shè)，即在一個開關(guān)周期內(nèi)，不含有低頻擾動，因此疊加的交流擾動小信號的頻率應(yīng)該遠遠小于開關(guān)頻率；其次是小紋波假設(shè)，就是電路中的狀態(tài)變量不含有高頻開關(guān)紋波分量，系統(tǒng)的轉(zhuǎn)折頻率要遠遠小于開關(guān)頻率；最后是小信號假設(shè)，交流小信號的幅值必須遠遠小于直流分量的幅值，即保證擾動是在靜態(tài)工作點附近 [14]。只有滿足了以上三個假設(shè)后，在開關(guān)周期內(nèi)求解電路的平均變量時，才有高頻開關(guān)紋波分量和開關(guān)紋波分量遠小于低頻分量與直流分量之和，此時狀態(tài)變量的平均值才可近似等于瞬時值。開關(guān)元件平均法的主要思想是把開關(guān)器件替代為等效受控源，即在一個周期內(nèi)把開關(guān)器件的狀態(tài)變量做平均，以平均變量作為受控源代替此前的開關(guān)器件，最后得到一個等效的平均參數(shù)電路。由于此電路既含有直流分量，又同時存在交流分量，因此它屬于大信號電路。開關(guān)元件平均法雖然用受控源替代了開關(guān)器件，然而受控源仍然是非線性的，這就意味著等效電路仍然是一個非線性電路。這里如果要建立直流的等效電路，只需將電路的平均量取成對應(yīng)的直流分量，此時需要將電感短路并且把電容開路即可 [15]。而對于建立一個交流小信號等效電路，只需將直流以及小信號分量之和用以表示各平均量即可，此時只需保留交流分量。該建模方法不需要改變電路結(jié)構(gòu)，通過分析和操作元件的狀態(tài)變量就能得到電路的等效模型，過程簡單明了易于實現(xiàn)。由于該方法只針對開關(guān)元件進行了相關(guān)分析，因此廣泛適用于不同工作狀態(tài)下各種不同類型的開關(guān)變換器。 DC/DC 功率變換器控制方法針對一個被控對象設(shè)計控制器，首先要知道該對象的控制目標。通常情況下，DC/DC 變換器普遍具有如下的控制目標：①輸出的直流電壓穩(wěn)態(tài)誤差為零；②控制系統(tǒng)針對外界干擾具有強魯棒性。然而由于一直以來都沒有一種大信號離散模型能方便地應(yīng)用在各種控制系統(tǒng)設(shè)計中來，并且常用的一些控制策略無法很好的應(yīng)用在 DC/DC 功率變換器中。但隨著現(xiàn)代控制理論的發(fā)展和一些先進控制算法的改進，人們在這些方面的研究取得了長足的進步。此外，許多致力于研究控制理論的學者開始分析研究更準確的非線性模型以及具有更高性能的控制器，這使重慶大學碩士學位論文 1 緒論6得控制領(lǐng)域的很多新方法得到了廣泛的應(yīng)用。單周期控制是一種比較新穎的非線性控制方法，它采用恒定的開關(guān)頻率控制，利用開關(guān)變換器的脈沖和非線性特征，可實現(xiàn)控制其脈沖的電流或者電壓的平均值在一個開關(guān)周期內(nèi)的瞬時動態(tài)特性，即在一周期內(nèi)的平均值和參考值相等，達到新的穩(wěn)態(tài)。該控制方法動態(tài)響應(yīng)迅速、擾動抑制能力強，具有很好的魯棒性且能自動校正開關(guān)誤差，具有廣泛的通用性。由于單周控制的思想是控制開關(guān)變量的積分，雖然對輸入電源擾動的抑制能力很好，但對于負載擾動的瞬態(tài)響應(yīng)顯得無力，而且它不能很好的矯正開關(guān)誤差，存在一定的穩(wěn)態(tài)誤差，同時它還存在負載響應(yīng)速度過慢、過沖較大等缺點 [16][17]。自適應(yīng)控制的主要控制思想指控制器實時地根據(jù)系統(tǒng)動態(tài)變化的過程，自動調(diào)節(jié)參數(shù)或者調(diào)整控制策略以使得系統(tǒng)保持穩(wěn)定的工作狀態(tài)。由于傳統(tǒng)的反饋控制策略嚴重依賴電路的參數(shù)，而系統(tǒng)的參數(shù)通常是變化且不精確的，這將造成系統(tǒng)性能上的惡化。而自適應(yīng)控制可以使得系統(tǒng)對參數(shù)的變化不敏感或者對未建模部分的動態(tài)過程具有魯棒性，當過程在動態(tài)變化的情況下，自適應(yīng)控制可以據(jù)此實時地調(diào)節(jié)控制方法或者改變控制器的參數(shù) [18]。自適應(yīng)控制主要分為兩大類：模型參考自適應(yīng)控制和自校正控制兩種。前者的主要思想是根據(jù)被控對象所要求的性能指標在控制器和被控對象之外，再建立一個由自適應(yīng)部分和參考模型組成的調(diào)節(jié)電路，通過自適應(yīng)部分的輸出值來調(diào)節(jié)控制器的參數(shù)或者控制被控制對象，使被控對象和參考模型的輸出一致。而自校正控制則是根據(jù)被控對象的模型設(shè)計一個實時在線辨識機構(gòu)，形成一個可以對控制器的相關(guān)參數(shù)實現(xiàn)自動調(diào)整和控制的系統(tǒng)。自適應(yīng)控制雖能增強系統(tǒng)對外界擾動的魯棒性，但由于自適應(yīng)環(huán)節(jié)比較難以實現(xiàn)，且在實際的工程中也很難滿足其嚴格的限定條件，所以人們通常限于理論上對其進行研究和實驗。魯棒控制的中心思想是：在較簡單的條件下，通過把輸入擾動和負載擾動看成是線性化小信號模型的擾動，那么可以直接從靈敏度最小化的方向出發(fā)，從而將控制策略的設(shè)計轉(zhuǎn)化成通常的 H∞控制問題。由于 DC/DC 功率變換器的線性化小信號模型必須是針對一個特定工作狀態(tài)的，所以它模型的參數(shù)以及結(jié)構(gòu)都依賴于變換器電路的參數(shù)與時變特性、降階近似、外界擾動、輸入電壓以及工作方式等。由于變換器存在連續(xù)、非連續(xù)兩種不同的工作方式，所以模型的結(jié)構(gòu)也存在著改變。魯棒控制是一種處理外部擾動和模型具有不確定性的有效控制策略?；Ｗ兘Y(jié)構(gòu)控制是在上世紀 50 年代由蘇聯(lián)學者提出的一種控制方法，由于其廣泛的適用性、魯棒性和形式的簡單實用，近年來越來越引起學者的注意?；Ｗ兘Y(jié)構(gòu)控制方法在本質(zhì)上是屬于開關(guān)型控制，這就意味著系統(tǒng)的控制狀態(tài)在不斷快速頻繁地切換。滑模變結(jié)構(gòu)的中心思想是：當反饋控制系統(tǒng)的狀態(tài)向量通過開重慶大學碩士學位論文 1 緒論7關(guān)平面的時候，它的結(jié)構(gòu)也同時發(fā)生改變，即根據(jù)被調(diào)節(jié)量的偏差甚至導數(shù)，有規(guī)律的使系統(tǒng)沿著設(shè)計的滑動模態(tài)運動。系統(tǒng)的品質(zhì)則完全由滑模面決定，與系統(tǒng)的參數(shù)和擾動無關(guān)。理想的滑?？刂朴捎谄淝袚Q頻率趨近于無窮大的，所以此刻滑模面是光滑的，然而在實際中無法具備上述條件，而且在時間和空間上還存在著滯后，這將使