一种DC-DC变换器的控制方法及控制系统

本技术属于dc-dc变换器控制，更具体地，涉及一种dc-dc变换器的控制方法及控制系统。

背景技术：

1、dc-dc变换器是现代电力电子系统的核心功率变换装置，广泛应用于光伏发电系统、燃料电池系统、电动汽车电池管理系统、直流微电网及储能系统等领域。其中，boost变换器因其能够将较低的直流输入电压高效地提升至较高的稳定输出电压，成为新能源发电与储能接口中最常用的拓扑结构之一。

2、随着可再生能源渗透率的提高和负载特性的日益复杂，boost变换器面临宽范围输入电压变化、负载剧烈扰动、参数不确定性等多重挑战，对控制系统的动态响应速度、稳态调节精度、扰动抑制能力及能量转换效率提出了极高要求。

3、在控制策略方面，传统的比例积分(pi)控制器因其结构简单、易于实现而被广泛应用；模型预测控制(mpc)由于具有显式处理约束、多变量优化和快速动态响应等能力，近年来受到广泛关注。为兼顾不同控制策略的优势，现有技术提出了将pi控制与mpc进行混合的方案，但这类方案通常采用固定权重或硬切换方式组合两种控制器。例如，一种典型的方案是在电压误差超过预设阈值时切换至mpc模式以获得快速响应，当误差落入阈值范围内时切换回pi模式以降低计算量；另一种方案采用固定权重生成混合控制量，将mpc的预测控制与pi的稳态补偿进行加权融合。然而，上述混合控制方案在模式切换瞬间易产生占空比跳变，引发电压和电流纹波增大；固定权重混合方案无法根据工况动态调整两种控制器的贡献比例，瞬态时mpc可能无法及时介入，稳态时mpc持续运行又造成计算资源浪费，导致两种控制律难以实现优势互补。

4、因此，如何在不同工况下实现pi控制与mpc控制的平滑过渡和动态协同，以兼顾瞬态响应速度与稳态性能，是当前亟需解决的问题。

技术实现思路

1、针对现有技术的缺陷，本技术的目的在于提供一种dc-dc变换器的控制方法及控制系统，能在不同工况下实现pi控制与mpc控制的平滑过渡和动态协同，兼顾瞬态响应速度与稳态性能。

2、为实现上述目的，第一方面，本技术提供了一种dc-dc变换器的控制方法，包括如下步骤：

3、s10，在当前采样时刻，采集dc-dc变换器的输出电压和电感电流；

4、s20，根据预设的参考电压和所述输出电压计算电压误差，并根据所述电压误差计算自适应权重因子，其中为平滑过渡常数；

5、s30，根据所述参考电压、所述输出电压和所述电压误差的积分值，通过比例反馈通道、积分反馈通道和前馈参考通道生成三自由度pi控制量；以及根据所述电感电流、所述输出电压和所述dc-dc变换器的离散预测模型，通过对占空比进行优化求解生成模型预测控制量；所述离散预测模型用于预测未来时刻的输出电压和电感电流；

6、s40，根据所述自适应权重因子，将所述三自由度pi控制量和所述模型预测控制量进行加权融合，生成混合占空比，并将所述混合占空比限幅至[0,1]区间内输出，以驱动所述dc-dc变换器的功率开关。

7、作为进一步优选的，步骤s30中，所述比例反馈通道接收加权参考电压和输出电压的偏差，经比例环节增益放大，生成比例控制分量；所述积分反馈通道接收参考电压和输出电压的偏差，经积分环节增益积分累积，生成积分控制分量；所述前馈参考通道将参考电压经前馈环节增益放大，生成前馈补偿分量；所述比例控制分量、积分控制分量和前馈补偿分量叠加后形成原始控制量；所述原始控制量经饱和限幅后得到所述三自由度pi控制量；其中，为参考权重系数。

8、作为进一步优选的，所述原始控制量的计算公式为：

9、

10、其中，为采样周期；为求和变量。

11、作为进一步优选的，所述饱和限幅具体为：当所述原始控制量小于0时，所述三自由度pi控制量取值为0；当所述原始控制量大于1时，所述三自由度pi控制量取值为1；当所述原始控制量大于等于0且小于等于1时，所述三自由度pi控制量取值为所述原始控制量本身。

12、作为进一步优选的，步骤s30中，所述模型预测控制量的具体生成方式包括如下步骤：

13、根据当前时刻测量的输出电压、电感电流和候选占空比，采用前向欧拉法及离散预测模型计算第时刻的预测状态：

14、

15、

16、其中，为第时刻电感电流的预测值；

l为电感值；为输入直流电源电压值；为第时刻输出电压的预测值；

c为滤波电容值；

r为负载电阻值；所述离散预测模型的预测时域为，向前预测步，所述的取值范围为；

17、计算代价函数，其中为电压权重系数；为电流权重系数；为参考电感电流值；

18、在可行占空比区间[0,1]内，寻找使所述代价函数最小的最优占空比，将该最优值赋给第

k时刻的模型预测控制量，其中为使目标函数取最小值的自变量。

19、作为进一步优选的，步骤s40中，所述混合占空比的限幅具体为：当所述混合占空比小于0时，限幅后的混合占空比取值为0；当所述混合占空比大于1时，限幅后的混合占空比取值为1；当所述混合占空比大于等于0且小于等于1时，限幅后的混合占空比取值为本身。

20、作为进一步优选的，生成所述三自由度pi控制量所采用的参数包括比例环节增益、积分环节增益、参考权重系数、前馈增益；生成所述模型预测控制量所采用的参数包括电压权重系数、电流权重系数、预测时域；所述自适应权重因子采用的平滑过渡常数为；上述参数均采用粒子群优化算法进行离线协同优化，具体包括如下步骤：

21、初始化粒子群，每个粒子的位置定义为，在搜索空间中的位置代表一组完整的混合控制器参数，维度为8维，设定粒子数量和最大迭代次数，在参数搜索范围内随机初始化每个粒子的位置和速度；

22、在仿真环境中对dc-dc变换器进行典型工况测试，包括参考电压阶跃、负载突变和参数摄动工况；

23、计算每个粒子的适应度值，记录每个粒子的个体历史最优位置及其对应的适应度函数，记录所有粒子中的全局最优位置及其对应的适应度函数；

24、若，则更新，若，则更新；

25、采用粒子群优化更新公式更新每个粒子的速度和位置：

26、

27、

28、其中，为粒子个数，为迭代次数，为惯性权重系数，和为认知系数和社会系数，和为区间内随机分布的随机数；

29、迭代寻优直至收敛，输出最优参数集。

30、作为进一步优选的，所述适应度值的计算公式为：

31、

32、其中，为粒子群优化（pso）算法的适应度函数；为各性能指标的权重系数；为输出电压峰值超出稳态值的百分比超调量；为输出电压进入并保持在稳态值±2%内所需的调节时间；为负载突变后输出电压恢复到稳态值±2%内所需的恢复时间；为稳态运行的输出电压纹波；为稳态运行的电感电流纹波；为开关管的开关和导通总损耗，为均方根跟踪误差。

33、作为进一步优选的，所述粒子群优化算法迭代过程中，若超出参数搜索范围，则将其投影到边界值；若更新为非整数，则将其四舍五入取整。

34、第二方面，本技术提供了一种dc-dc变换器的控制系统，用于执行如上述中任一项所述的dc-dc变换器的控制方法，所述系统包括：

35、电压传感器，用于采集所述dc-dc变换器的输出电压；

36、电流传感器，用于采集所述dc-dc变换器的电感电流；

37、混合控制器，分别与所述电压传感器和所述电流传感器连接，所述混合控制器包括电压误差计算模块、自适应权重计算模块、三自由度pi控制模块、模型预测控制模块、混合占空比融合模块和占空比限幅模块；所述电压误差计算模块用于根据预设的参考电压和所述输出电压计算电压误差；所述自适应权重计算模块用于根据所述电压误差计算自适应权重因子；所述三自由度pi控制模块用于根据所述参考电压、所述输出电压和所述电压误差的积分值，通过比例反馈通道、积分反馈通道和前馈参考通道生成三自由度pi控制量；所述模型预测控制模块用于根据所述电感电流、所述输出电压和所述dc-dc变换器的离散预测模型，通过对占空比进行优化求解生成模型预测控制量；所述混合占空比融合模块用于根据所述自适应权重因子，将所述三自由度pi控制量和所述模型预测控制量进行加权融合，生成混合占空比；所述占空比限幅模块用于将所述混合占空限幅至[0,1]区间内；

38、pwm发生器，与所述混合控制器连接，用于接收限幅后的混合占空比并生成门极驱动信号；

39、驱动电路，分别与所述pwm发生器和所述dc-dc变换器的功率开关连接，用于将所述门极驱动信号放大后驱动所述功率开关的开通和关断。

40、本技术具有如下效果：根据实时电压误差自适应计算权重因子，当系统处于大误差瞬态时权重因子趋近于1，模型预测控制主导，利用离散预测模型提前预测未来状态并优化占空比，可实现快速瞬态校正；当系统进入稳态或小误差区域时权重因子趋近于0，三自由度pi控制主导，其独立的积分通道可消除静差，前馈通道可补偿参考变化，可实现高精度稳态调节；在过渡区域权重因子随误差连续变化，混合占空比是两种控制量的连续加权平均，可从根本上消除硬切换导致的占空比跳变和电流电压冲击；通过上述自适应权重机制，可使三自由度pi控制器与模型预测控制在瞬态和稳态阶段分别主导控制，实现两者在频域上的有效协同，从而在宽工况范围内兼顾瞬态响应速度与稳态性能。