滑模控制在DC-DC变换器中的应用-滑模建模

滑模变结构控制在DC-DC电子变换器中的应用2016-11-31.滑模变结构控制基本概念2.滑膜变结构控制发展历史3.DC-DC变换器4.Buck直流变换器的滑模变结构控制DC-DC变换简介DC-DC变换是将不可调的直流电压转变为可调的或固定的直流电压，是一种用开关调节方式控制电能变换电路。发展方向高效率、高性能、高可靠性、低成本、小体积衡量优劣=性能价值体积成本消耗功率输入与输出间是否有电气隔离隔离式：输入端与输出端完全电气隔离，以磁耦合方式传递能量非隔离式：输入端与输出端电气想通，没有隔离降压电路（Buck）、升压电路（Boost）、升降压电路（Buck-Boost）Cuk、Sepic单端：正激（Foward）、反激（Flyback）双端：推挽（Pushpull）、半桥（HalfBridge）、全桥（FullBridge）DC-DC拓扑分类三种基本的DC-DC拓扑比较基本的DC-DC拓扑包括Buck、Boost、Buck-Boost三种，其余的拓扑均由它们演变而成。类型BuckBoostBuck-Boost𝑈𝑜𝑈𝐼(𝐷=𝑡𝑜𝑛𝑇)𝐷11−𝐷𝐷1−𝐷主要特点𝑈𝑜𝑈𝐼只能降压，极性不变𝑈𝑜𝑈𝐼只能升压，极性不变𝑈𝑜𝑈𝐼或𝑈𝑜𝑈𝐼可以升降压，极性反转DC-DC变换器建模方法针对不同的拓扑结构和控制算法，需要建立合适类型的建模方法。在直流开关变换器的各种建模方法中，比较常用的有以下几种：小信号建模：着重于求解分析低频交流小信号在幵关变换器中的工作状态，可以用于分析设计变换器的数学特性。大信号建模：包括相平面分析法、解析分析法、大信号等效模型分析法、幵关信号流分析法、次谐波模型分析法、通用平均分析法、KBM分析法，主要运用于开关变换器的仿真以及小信号模型不适合的、其他的特性系统。电路平均法：以时间平均等效电路法、三端开关电路器件模型法以及能量守恒法则为代表，主要用于PWM波控制的直流开关变换器的连续工作模式。DC-DC变换器控制策略：常用的控制策略主要可以分为线性控制策略和非线性控制策略。一、线性控制策略1.单闭环电压控制：引入输出电压的误差信号改变占空比，控制结构简单，电路的动态响应超调较大，而且受环路增益带宽大小的限制使系统的动态时间较长。2.双闭环控制：内环为电流反馈，外环采用电压反馈方式。可以控制系统可以从电路获取更多的反馈信息，综合电压、电流两方面的变化趋势计算出控制率。双闭环反馈控制比单闭环电压控制可以获得更好地控制效果，但同时双闭环控制系统的控制器设计更为复杂。3.前馈控制方法：把输入电压作为控制参数的一部分引入控制器的设计。可以在输入扰动对系统产生影响之前就对控制变量做出相应的调整，有效地对系统的输入扰动做出补偿。缺点如不能补偿负载变化所引起的扰动等。结论：线性扰动具有结构简单，操作方便等优点，在工程上有广泛的应用。但是工程上实际控制的系统又有很强的非线性特性。二、非线性控制策略1.滑模控制：它所控制的系统具有结构不固定的特点，控制策咯也会随着系统结构的改变发生变化。而对于开关变换器在开关导通和断开的两种情况下，开关变换器的系统结构不同，所以滑模控制的控制策略很适合开关变换器的自身特点。滑模控制以其良好的鲁棒性成为开关变换器有效的控制方法。2.自适应控制方法：实时的更新控制器参数，满足了系统的稳定性和精确性的要求，具有较强的抗干扰能力，但是由于开关变换器的开关频率较高，控制率更新的实时性是自适应控制方法的一个难点。3.模糊控制：不需要建立被控系统的数学模型，直接运用语言的形式表达控制器设计者的直觉和经验。模糊控制的主要过程分三部分：模糊化，模糊规则推理，去模糊化。模糊控制的优势在于不需要系统的准确数学模型，而是主要依靠控制器设计者的经验，所以很适合于直流开关变换器这种非线性的系统。同时模糊控制存在一些缺点，比如，控制器函数选择没有具体依据，从而没有设计和分析控制器的系统方法，不能保证规则库的完整性。结论：在控制算法方面，PID控制，滑模控制，模糊控制等都己广泛应用于变换器的研究中，对于反步法，自适应控制，单周控制，神经网络控制，模糊控制等的研究尚在进一步进行之中。1.滑模变结构控制基本概念2.滑膜变结构控制发展历史3.DC-DC变换器4.Buck直流变换器的滑模变结构控制LuinCRiL+uo-LuinCRiL+uo-LCRiL+uo-开关导通开关关断Buck直流变换器LuinCRiL+uo-LCRiL+uo-开关导通开关关断ccLLcindvviCdtRdiLvvudt微分方程0,1u开关关断，开关导通列写微分方程取状态变量121refccxvvxxv1122000111refinxxuvvxxLCRCLCLC状态空间方程确定状态空间方程以状态偏差的线性组合建立滑模面函数12Sxkxx121refccxvvxxv根据滑动模态的存在性和可达性条件0,00,0SxifSxSxifSx建立滑模面函数1211(x)()refinvvSxkxuLCRCLCLC选择开关函数0,(x)01,(x)0SuS11221211:()11:()0refinrefvvkxkxLCRCLCLCvkxkxLCRCLC滑模运动区在两条直线之间k1k2222040RLCkLkRLRLC为使选择的线性滑模面函数全部在滑模区，应与平行12=0kxx12kk和11LCkkRC24LRC化简需满足k1k21211()refeqinvLCuxkxvLCRCLC引入等效控制量12eq11(x)()=0refinvvSxkxuLCRCLCLC121refccxvvxxv代入1()eqccinLuvLCkvvR1ceqinvkuRCv当时，