基于扩张状态观测器的储能变换器的全阶滑模控制方法与流程

1.本发明属于储能系统中电源设计技术领域，具体涉及一种基于扩张状态观测器(eso)的dc-dc储能变换器的全阶滑模控制方法。
技术背景
2.直流型降压变换器是可以将输入的固定直流电压降为另一种直流可调电压的电力电子设备，在储能系统中广泛应用。由于在实际应用中负载是会不断变化的，因此必须对电源变换器进行闭环控制。滑模控制具有较快的响应速度和优越的动态性能，对参数变化和扰动不敏感,其控制策略研究已取得丰富的硕果。针对储能变换器，工业中常用的控制方法有pid控制，主要用在对输出电压精度要求不高的场合中，而且pid控制对系统参数变化比较敏感，当负载受到外部扰动发生突变时，pid方法控制的降压型直流变换器动态响应速度较慢、输出电压可能会出现偏差。滑模控制作为一种非线性控制方法，十分适用于储能变换器系统，特别是对电路系统中出现的参数扰动和时变干扰具有很好的鲁棒性。滑模控制电压输出的方法，系统响应速度快，鲁棒性好，调压范围宽，但是会引入控制器输出抖振问题，增加系统的能量损耗，所以在实际中减小稳态输出时的抖振是滑模控制的一个研究重点。
3.控制系统中的负反馈对扰动有一定的抑制作用，但并不能完全消除其影响，自抗扰控制方法，是控制领域中经常用到的系统抗干扰的控制方法。其中，扩张状态观测器常用来估计系统中的未知建模和扰动，通过结合其他控制方法实现对不确定项的估计补偿，在不同控制领域中，发挥着极其重要的作用。借助状态观测器的思想，将能够影响被控输出的扰动作用扩张成新的状态变量，并用特殊的反馈机制来建立扩张状态观测器，从某种意义上说，是通用而实用的扰动观测器。利用扩张状态观测器估计系统中的匹配和非匹配扰动并在控制器中进行补偿，降低扰动对系统的影响。


技术实现要素：

4.为了克服现有技术的不足，本发明提供一种基于扩张状态观测器的新型dc-dc储能变换器的全阶滑模控制方法。该方法旨在解决dc-dc变换器中滑模控制输出抖振现象严重的问题以及降低扰动对系统的影响，实现时变扰动作用下滑模的复合控制，提高滑模的控制精度和抗扰性能。
5.为达到上述目的，本发明提供如下的技术方案。
6.一种基于扩张状态观测器的储能变换器的全阶滑模控制方法，包括以下步骤：
7.s1：利用开关平均方法对储能变换器进行数学建模；
8.s2：基于控制量和输出电压的反馈值构造一个扩张状态观测器,对系统的状态及扰动进行估计；
9.s3：利用估计值设计一个全阶滑模控制器，将控制器的控制量与锯齿波比较得到pwm波，利用pwm波控制直流降压变换器的开关管，使系统的输出电压可以渐进地跟踪参考
信号。
10.进一步，s1，s2，s3，s4是mos管；流经它们的电流分别用i
s1
，i
s2
，i
s3
，i
s4
来表示；它们的栅极电压用v
gs1
，v
gs2
，v
gs3
和v
gs4
来表示；漏极电压用v
ds1
，v
ds2
，v
ds3
和v
ds4
表示；c1，c2，c3为能量转移电容，流经它们的电流用i
c1
，i
c2
，i
c3
表示，两端的电压用v
c1
，v
c2
，v
c3
来表示；lk，lm，l分别表示漏感、励磁电感和输出电感，流经它们的电流用i
lk
，i
lm
，i
l
表示，两端电压用v
lk
，vm，v
l
表示；n1，n2分别为耦合电感的初级侧和次级侧匝数，流经它们的电流分别用i
pri
，i
sec
来表示；v
in
表示输入电压，vo表示输出电压；耦合电感初级侧和次级侧线圈匝数比用n表示；所述步骤s1中，数学模型建立过程如下：
11.s1-1.开关打开时得到如下等式：
[0012][0013]
s1-2.开关关闭时得到如下等式：
[0014][0015]
s1-3.利用平均开关模型得到如下等式：
[0016][0017]
s1-4.利用伏秒平衡和电荷守恒原理化简上式得到储能变换器数学模型如下：
[0018][0019]
再进一步，所述步骤s2中，扩张状态观测器eso设计过程如下：
[0020]
s2-1.令x1＝e＝v
r-vs，vr是参考输出电压，r0是输出负载r的标称值，v
in0
是输入电压v
in
的标称值，μ为占空比，vs为实际输出电压，进而得到如下模型：
[0021][0022]
s2-2.将d视为新的状态x3，假设d为变化不激烈的扰动，那么d是有界的，上述状态方程可以被扩张为：
[0023][0024]
s2-3.针对上述变换器系统设计扩张状态观测器为：
[0025][0026]
其中τ1，τ2，τ3为观测器增益，w1，w2，w3为x1，x2，x3的估计值；
[0027]
s2-4.观测器估计误差被定义为e1＝w
1-x1，e2＝w
2-x2，e3＝w
3-x3，误差状态方程如下：
[0028][0029]
为了使观测器稳定，矩阵必须是负定的，利用顺序主子式的方法进行判定可得到观测器增益的取值范围为：τ1》0，τ2》-1/lc-τ1/r0c，τ3》0。
[0030]
更进一步，所述步骤s3中，全阶滑模设计过程如下：
[0031]
s3-1.设计滑模面：
[0032][0033]
其中e1是误差e1＝v
s-vr，vs是实际电压，vr是参考电压α1、α2是控制器自身参数；
[0034][0035][0036]
s3-2.设计趋近律为：
[0037]
v＝-(ke k
t
η)sgn(s)
ꢀꢀꢀꢀꢀ
(12)
[0038]
s3-3.得到输出量(pwm占空比)为：
[0039][0040]
s3-4.上述式中定义的变量满足如下要求：
[0041][0042]
s3-5.其李雅普诺夫稳定性证明如下：
[0043][0044]
本发明中，该滑模控制器设置在储能变换器中，分别与输出电压采集器和开关器件连接。电路实际工作中输入电压和输出负载可能会出现扰动，因此本发明用eso将观测到的扰动在控制器中进行补偿。
[0045]
采用本发明提供的技术方案，与已有的公知技术相比，具有以下有益效果：
[0046]
1、本发明方法解决了dc-dc变换器中滑模控制输出抖振现象严重的问题，实现了时变扰动作用下滑模的复合控制，提高了滑模的控制精度和抗扰性能。
[0047]
2、本发明用eso将观测到的扰动在控制器中进行补偿，降低扰动对系统的影响。
[0048]
3、本发明方法使得本系统能够达到良好的稳态精度和动态时间。
附图说明
[0049]
图1是储能变换器的等效电路图。
[0050]
图2是上管打开时电路图。
[0051]
图3是上管关闭时电路图。
[0052]
图4是基于扩张状态观测器的全阶滑模控制结构图。
[0053]
图5是负载增大后输出电压变化图。
[0054]
图6是负载增大后输出电流变化图。
[0055]
图7是负载减小后输出电压变化图。
[0056]
图8是负载减小后输出电流变化图。
[0057]
具体实施方法
[0058]
下面结合附图对本发明做进一步说明。
[0059]
参照1～图8，一种基于扩张状态观测器的dc-dc储能变换器的全阶滑模控制方法，包括以下步骤：
[0060]
s1：利用开关平均方法对储能变换器进行数学建模；
[0061]
s2：基于控制量和输出电压的反馈值构造一个扩张状态观测器,对系统的状态及扰动进行估计；
[0062]
s3:利用估计值设计一个全阶滑模控制器，将控制器的控制量与锯齿波比较得到pwm波，利用pwm波控制直流降压变换器的开关管，使系统的输出电压可以跟踪参考信号。
[0063]
所述步骤s1中，建立如图1所示的储能变换器数学模型，过程如下：
[0064]
s1-1.如图2所示，当储能变换器的开关s1打开时得到如下等式：
[0065][0066]
s1-2.如图3所示，当储能变换器的开关s1关闭时得到如下等式：
[0067][0068]
s1-3.利用平均开关模型得到如下等式：
[0069][0070]
s1-4.利用利用伏秒平衡和电荷守恒原理化简上式得到储能变换器数学模型如下：
[0071][0072]
再进一步，所述步骤s2中，eso设计过程如下：
[0073]
s2-1.令x1＝e＝v
r-vs，vr是参考输出电压，r0是输出负载r的标称值，v
in0
是输入电压v
in
的标称值，μ为占空比，vs为实际输出电压，进而得到如下模型：
[0074][0075]
s2-2.将d视为新的状态x3，假设d为变化不激烈的扰动，那么d是有界的，上述状态方程被扩张为：
[0076][0077]
s2-3.针对上述变换器系统设计扩张状态观测器为：
[0078][0079]
其中τ1，τ2，τ3为观测器增益，w1，w2，w3为x1，x2，x3的估计值；
[0080]
s2-4.观测器估计误差被定义为e1＝w
1-x1，e2＝w
2-x2，e3＝w
3-x3，误差状态方程如下：
[0081][0082]
为了使观测器稳定，矩阵必须是负定的，利用顺序主子式的方法进行判定可得到观测器增益的取值范围为：τ1》0，τ2》-1/lc-τ1/r0c，τ3》0。
[0083]
更进一步，所述步骤s3中，全阶滑模设计过程如下：
[0084]
s3-1.设计滑模面：
[0085][0086]
其中e1是误差e1＝v
s-vr，vs是实际电压，vr是参考电压；
[0087][0088][0089]
s3-2.设计趋近律为：
[0090]
v＝-(ke k
t
η)sgn(s)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(27)
[0091]
s3-3.得到输出量(pwm占空比)为：
[0092][0093]
s3-4.上述式中定义的变量满足如下要求：
[0094][0095]
s3-5.其李雅普诺夫稳定性证明如下：
[0096][0097]
为使本领域技术人员更好地理解本发明，为了验证所提出的基于eso的dc-dc变换器全阶滑模控制器及方法，在matlab/simulink中搭建了电路仿真模型，证明了该方案的有效性。该储能变换器输入48v，输出3.3v。
[0098]
本仿真的时间跨度为0.1s，分在0.08s处作负载增加和负载减小变化，电压电流的输出如图5～图8所示。从输出电压的稳态局部放大图中可以看到，利用本发明方法，可以有效减小输出抖振。
[0099]
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也包括本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。