無源自適應控制Buck-Boost變換器研究

摘要：為獲得良好的動、靜態(tài)性能，在Buck-Boost變換器狀態(tài)空間平均模型基礎上，設計了系統(tǒng)無源控制器，它具有系統(tǒng)響應速度快，輸出紋波小的特點，但當輸入電源電壓出現(xiàn)大幅擾動時，穩(wěn)態(tài)輸出存在偏差。針對此問題，提出一種無源自適應控制策略。對采用無源自適應控制策略的Buck-Boost變換器進行仿真，并在輸入電壓寬范圍變化的助航燈光單燈回路上進行了實驗，結果表明該變換器在滿足靜動態(tài)性能指標的同時，對寬輸入電壓擾動具有很強的魯棒性。
關鍵詞：變換器；非線性控制；無源性控制；自適應控制

1 引言
DC／DC開關變換器傳統(tǒng)控制方式多采用PID控制。雖然PID控制的DC／DC變換器結構簡單且易于調節(jié)，但該變換器是一個強非線性、時變、離散系統(tǒng)，具有非線性和時變不確定性，用常規(guī)的PID控制器很難達到理想的控制效果，因此采用先進的非線性控制策略至關重要。文獻對解決負載擾動和降低系統(tǒng)超調關注比較多，較少考慮輸入電源大幅度變化對DC／DC變換器產(chǎn)生的影響。此處將無源控制方法應用于非線性DC／DC變換器，在Buck-Boost變換器狀態(tài)空間平均模型基礎上，設計了系統(tǒng)無源控制器。針對無源控制在寬輸入電源電壓時穩(wěn)態(tài)存在偏差的問題，提出了無源自適應控制策略。在該控制策略下，Buck-Boost變換器保留了無源控制自身響應速度快、輸出紋波小的優(yōu)點，同時對輸入電源大幅度變化的擾動具有很強的魯棒性。
此處以機場助航燈光單燈監(jiān)控電源的數(shù)字控制DC／DC變換器為例，通過在輸入電源寬范圍(6～30 V)變化的助航燈光單燈監(jiān)控電源中的應用實驗，驗證了無源自適應控制策略的可行性。

2 Buck-Boost變換器的無源化設計
2．1 無源性基本理論
若系統(tǒng)輸入為u(t)，輸出為y(t)，狀態(tài)變量為x(t)，存在連續(xù)可微的半正定的存儲函數(shù)U(x)及正定函數(shù)Q(x)且滿足如下條件：

那么系統(tǒng)是無源的。如果當u(t)=0，y(t)=0時，有成立，則該系統(tǒng)為嚴格無源的系統(tǒng)，存儲函數(shù)就可成為Lyapunov函數(shù)。則使閉環(huán)系統(tǒng)在原點x=0全局漸近穩(wěn)定的反饋控制器可給定u=φ(y)，其中φ(y)為滿足yTφ(y)0的函數(shù)。
2．2 Buck-Boost變換器無源性
Buck-Boost變換器的主電路如圖1所示，要進行系統(tǒng)無源控制器設計，可使用變換器的Euler-Lagrange數(shù)學模型。換器的Euler-Lagran ge數(shù)學模型與變換器的狀態(tài)平均模型一致，假定變換器工作在連續(xù)狀態(tài)，其狀態(tài)空間平均模型為：


故系統(tǒng)是無源的。可通過函數(shù)φ(y)注入合適的阻尼，使系統(tǒng)輸出誤差漸近穩(wěn)定到零點，系統(tǒng)狀態(tài)及輸出變量逐漸收斂到期望值。