基于固定时间的双向DC/DC变换器动态预设性能控制方法及装置

本发明涉及一种基于固定时间的双向dc/dc变换器动态预设性能控制方法及装置，属于双向dc/dc变换器高性能控制。

背景技术：

1、随着电力电子技术的发展和能源需求的不断提高，双向dc/dc变换器凭借其拓扑简单可靠、功率双向流动、电压变换灵活的优点，在储能系统、直流船舶电力系统、航空航天供电、深空电力系统等领域展现广阔应用前景。然而，大部分直流电力系统缺乏功率缓冲能力，呈现低惯性特征，大量脉冲性、高功率瞬变的脉冲负载将产生剧烈功率冲击，导致输出电压瞬态波动，严重影响电能质量和系统电压稳定性。此外，航空航天供电、深空电力系统等部分应用领域面临严苛的外部环境，极端温度等物理条件可能导致严重的电气参数漂移，但其中的精密设备对电压波动极其敏感，因此对系统电压的波动范围和收敛时间等动态性能要求严格，大功率冲击可能导致局部电气保护甚至系统级电压崩溃。

2、在大功率冲击、电气参数漂移和严格的电压动态性能要求下，pi控制等传统的线性控制方法仅保证局部小信号稳定，无法保证大信号稳定；反馈线性化、滑模控制、模型预测控制等非线性方法虽然具备较高的动态响应速度和鲁棒性，但面临对模型精度要求高、电压抖振、计算复杂等缺点，且需要额外的大信号分析辅助参数设计；无源控制、反步控制等基于李雅普诺夫原理的控制方法可固有地保证大信号稳定性，但不具备明确的电压波动和收敛时间约束能力。

3、固定时间控制通过特殊设计的控制结构保证系统收敛时间小于固定值，与系统初始状态无关且该固定的最大收敛时间可由其他控制参数显示计算给定，但该方法不具备明确的电压波动约束能力。预设性能控制通过误差转换将预设性能边界内的原始误差映射为无约束的转换误差，后续控制环节仅需保证转换误差收敛即可将原始误差限制于预设性能边界内，但该方法不具备收敛时间约束能力。现有的基于固定时间的预设性能控制方法综合两者优势，可同时实现明确的电压波动和收敛时间约束，结合非线性观测器也可实现负载波动和参数漂移的快速观测，但传统预设性能函数不具备动态变化能力，在大功率冲击和参数漂移工况下误差转换可能出现奇异性问题，因此性能边界设定非常保守，无法保证系统全局动态响应速度。

技术实现思路

1、针对如何在大功率负载突变、系统参数漂移和无负载电流传感器的情况下保障输出电压低波动且在给定时间内收敛的问题，本发明提供一种基于固定时间的双向dc/dc变换器动态预设性能控制方法及装置。

2、本发明的一种基于固定时间的双向dc/dc变换器动态预设性能控制方法，包括：

3、采集双向dc/dc变换器的输入电压、输出电压、电感电流，并进行滤波；

4、根据输出电压参考值及滤波后的输入电压、输出电压、电感电流，计算第一给定时间内收敛的输出电压误差导数观测值、电压集总扰动观测值和电流集总扰动观测值；

5、根据所述输出电压参考值、所述输出电压误差导数观测值和滤波后的输出电压，生成随输出电压误差动态扩张且能够在第二给定时间内收敛的误差上边界和误差下边界，将处于所述误差上边界和所述误差下边界范围内的输出电压误差映射为无约束空间下的转换误差，并计算误差转换项和雅可比项；

6、根据所述转换误差、所述误差转换项、所述雅可比项、所述电压集总扰动观测值、所述电流集总扰动观测值、所述输出电压参考值和滤波后的输入电压、输出电压、电感电流，执行在第三给定时间内收敛的转换误差闭环控制和在第四给定时间内收敛的电感电流闭环控制，生成参考占空比信号；

7、根据所述参考占空比信号生成开关信号输出至双向dc/dc变换器。

8、本发明还提供一种基于固定时间的双向dc/dc变换器动态预设性能控制装置，包括：

9、采集滤波模块，用于采集双向dc/dc变换器的输入电压、输出电压、电感电流，并进行滤波，将滤波后的输入电压、输出电压和电感电流同时发送至基于固定时间的广义扰动观测模块和基于固定时间的鲁棒反步控制模块，并将所述滤波后的输出电压发送至基于固定时间的动态预设性能函数模块；

10、基于固定时间的广义扰动观测模块，用于根据输出电压参考值及滤波后的输入电压、输出电压、电感电流，计算给定时间内输出电压误差导数观测值、电压集总扰动观测值和电流集总扰动观测值，将所述输出电压误差导数观测值发送至所述基于固定时间的动态预设性能函数模块，将所述电压集总扰动观测值和所述电流集总扰动观测值发送至所述基于固定时间的鲁棒反步控制模块；

11、基于固定时间的动态预设性能函数模块，用于根据所述输出电压参考值、所述输出电压误差导数观测值和滤波后的输出电压，生成随输出电压误差动态扩张且能够在给定时间内收敛的误差上边界和误差下边界，将处于所述误差上边界和所述误差下边界范围内的输出电压误差映射为无约束空间下的转换误差，并计算误差转换项和雅可比项，将所述误差上边界、所述误差下边界、所述转换误差、所述误差转换项和所述雅可比项发送至所述基于固定时间的鲁棒反步控制模块；

12、基于固定时间的鲁棒反步控制模块，用于根据所述转换误差、所述误差转换项、所述雅可比项、所述电压集总扰动观测值、所述电流集总扰动观测值、所述输出电压参考值和滤波后的输入电压、输出电压、电感电流，执行转换误差闭环控制和电感电流闭环控制，生成参考占空比信号，将所述参考占空比信号发送至脉宽调制模块；

13、脉宽调制模块pwm，用于根据所述参考占空比信号生成开关信号输出至双向dc/dc变换器。

14、本发明的有益效果，本发明通过基于固定时间的广义扰动观测实现负载电流突变、系统参数偏移和其他未知扰动的集总观测并前馈至控制系统中，增强系统鲁棒性；通过基于固定时间的动态预设性能函数构建随双向dc/dc变换器输出电压误差动态扩张且在给定的时间内收敛的上、下误差边界，并通过误差映射将误差边界范围内的双向dc/dc变换器输出电压误差转换为无约束空间下的转化误差，进而实现电压波动的动态约束；动态扩张的误差边界同时还避免了数字实现下大功率负载冲击和系统参数偏移导致电压误差超出边界进而引发的误差转换奇异性问题；通过基于固定时间的鲁棒反步控制执行最终的转换误差和电感电流的级联闭环控制；相较其他控制方法，本发明具有收敛时间和电压瞬态波动的双重约束效果，能有效提高大功率负载突变和系统参数漂移情况下双向dc/dc变换器输出电压的动态性能和鲁棒性，降低电压瞬态波动且保证输出电压在给定时间内收敛而无需负载电流传感器；此外收敛时间可基于其他控制参数显式计算而无需试凑，其他控制参数也可通过设定的收敛时间进行反推设计，具备显著的工程应用价值。

1.基于固定时间的双向dc/dc变换器动态预设性能控制方法，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的基于固定时间的双向dc/dc变换器动态预设性能控制方法，其特征在于，

3.根据权利要求2所述的基于固定时间的双向dc/dc变换器动态预设性能控制方法，其特征在于，所述误差上边界和所述误差下边界在第二给定时间内分别收敛至稳态给定值和，第二给定时间为：

4.根据权利要求1所述的基于固定时间的双向dc/dc变换器动态预设性能控制方法，其特征在于，所述电压集总扰动观测值和电流集总扰动观测值为：

5.根据权利要求4所述的基于固定时间的双向dc/dc变换器动态预设性能控制方法，其特征在于，所述输出电压误差导数观测值、所述电压集总扰动观测值和所述电流集总扰动观测值的观测误差在第一给定时间内收敛至0，第一给定时间为：

6.根据权利要求4所述的基于固定时间的双向dc/dc变换器动态预设性能控制方法，其特征在于，所述参考占空比信号为：

7.根据权利要求6所述的基于固定时间的双向dc/dc变换器动态预设性能控制方法，其特征在于，所述转换误差闭环控制使得转换误差在第三给定时间内收敛至0，第三给定时间为：

8.根据权利要求1所述的基于固定时间的双向dc/dc变换器动态预设性能控制方法，其特征在于，第一给定时间、第二给定时间、第三给定时间、第四给定时间满足以下条件：

9.基于固定时间的双向dc/dc变换器动态预设性能控制装置，其特征在于，包括存储设备、处理器以及存储在所述存储设备中并可在所述处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序实现如权利要求1至8任一所述基于固定时间的双向dc/dc变换器动态预设性能控制方法的步骤。

10.基于固定时间的双向dc/dc变换器动态预设性能控制装置，其特征在于，包括：