变结构控制在Buck变换器中的应用研究

论文摘要

本文致力于研究滑模变结构控制理论应用于Buck变换器的理论与技术,寻求实用化滑模控制器的设计方法。其中,对几种实用性强的滑模控制方案的设计是本文的重点,并对Buck变换器设计了基于变结构理论的状态观测器与负载辨识,力求实现滑模控制开关变换器的实用化,提高变换器在内部参数变化和外部扰动时的鲁棒性,并改善动态特性。首先对滑模控制理论及其在开关变换器控制方面的应用情况进行了讨论,通过对国内外相关研究的分析,指出了目前滑模变结构控制开关变换器中存在的若干问题及解决方法。在常用的二阶Buck模型上设计了基于指数趋近律的滑模控制器,并对其做了较深入的频率分析和一般分析,并且与传统的比例积分调节的PWM控制开关变换器进行了对比分析,进一步证实了滑模控制所表现出来的优势。由于滑模变结构算法自身存在抖动现象,没有办法完全避免只能尽量抑制。为了抑制抖动,通过使轨迹的运动速度与轨迹和滑模面的距离相关联,在指数趋近律的基础上,设计了基于自适应趋近律的滑模控制器;使系统在到达滑模面的过程中用一种趋近律,当在滑模面上滑动时用另一种趋近律,从而设计了基于自适应变速趋近律的滑模控制器。并将两控制器分别应用在以负载电压偏差、偏差动态变化率及电感电流为状态变量的三阶Buck变换器上,仿真结果表明两种控制器都能有效地抑制抖动。由于控制器基本都需要状态变量与负载的反馈,所以设计有效的状态观测器是实现控制的关键。本文先用积分重构的方法用电感电流重构出了输出电压,然后利用滑模控制的等值原理,分析了一种基于滑模状态观测器的设计方法并完成了Buck变换器状态观测器设计,并用基于滑模变结构理论对Buck变换器的负载进行了在线辨识,从对比仿真实验中可以看出,设计的方法较好地跟踪出了系统的负载。最后,将状态观测器观测到的状态变量与在线辨识得到的负载反馈到控制器中,从而得到了带状态观测器、负载辨识的滑模控制器,并将其应用在Buck变换器上。通过多种输入电压与负载突变的仿真实验,可以看到控制器在系统的抑制抖动、响应速度、到达稳定状态时间等方面有很好的效果。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 滑模变结构控制理论
• 1.2.1 滑模变结构控制的定义
• 1.2.2 趋近律
• 1.2.3 滑模变结构控制的基本控制方法
• 1.3 滑模变结构控制理论研究进展
• 1.3.1 滑模面研究
• 1.3.2 到达条件
• 1.3.3 各种结构的变结构控制
• 1.3.4 自适应变结构控制（VS-AC）
• 1.4 滑模变结构控制在开关变换器上的应用
• 1.4.1 常用的滑模面的结构形式
• 1.4.2 存在问题及其改进办法
• 1.5 本论文的研究内容
• 第二章 基于等效原理的Buck 变换器滑模变结构控制器设计
• 2.1 引言
• 2.2 Buck 变换器的建模分析
• 2.3 Buck 变换器的PID 控制器设计
• 2.4 基于滑模变结构理论的Buck 变换器控制器设计
• 2.4.1 滑模控制器设计原理
• 2.4.2 Buck 变换器的滑模控制器设计及基本分析
• 2.4.3 开关频率分析
• 2.5 仿真研究
• 2.5.1 控制器鲁棒性仿真研究
• 2.6 本章小结
• 第三章 基于趋近律的Buck 变换器的变结构控制器设计
• 3.1 引言
• 3.2 一种Buck 变换器数学模型设计
• 3.3 滑模态和稳定态的振抖现象分析
• 3.3.1 Buck 变换器的基于自适应趋近律的滑模控制器设计
• 3.3.2 Buck 变换器的基于自适应变速趋近律的滑模控制器设计
• 3.4 仿真研究
• 3.4.1 控制器鲁棒性仿真研究
• 3.5 本章小结
• 第四章 基于滑模观测器的Buck 变换器研究
• 4.1 引言
• 4.2 Luenberger 观测器设计原理
• 4.3 基于变结构理论的状态观测器设计
• 4.3.1 Buck 变换器的积分重构
• 4.3.2 Buck 变换器的滑模观测器设计
• 4.4 仿真研究
• 4.5 本章小结
• 第五章 基于滑模观测辨识负载的Buck 变换器研究
• 5.1 引言
• 5.2 辨识原理
• 5.3 Buck 变换器的基于变结构理论的观测辨识设计
• 5.4 仿真研究
• 5.5 本章小结
• 第六章 具有状态观测与参数辨识的Buck 变换器控制器实现与仿真
• 6.1 引言
• 6.2 具有状态观测与参数辨识的Buck 变换器控制器实现
• 6.2.1 Buck 变换器的基于自适应趋近律的滑模控制器实现
• 6.2.2 Buck 变换器的基于自适应变速趋近律的滑模控制器实现
• 6.3 仿真研究
• 6.4 本章小结
• 结论及展望
• 参考文献
• 已发表的论文
• 致谢