开关功率变换器的混沌控制研究

论文摘要

开关功率变换器是现代电力电子系统的核心环节,其运行状态直接关乎整个电力电子系统的工作性能。由于器件的非线性和开关的切换作用,反馈控制的开关变换器表现为一类强非线性、时变系统,运行中会产生各种非线性现象,如倍周期分岔、边界碰撞分岔、混沌等,使得系统难以按期望的要求工作。论文从核心的开关变换器入手,开展了有关其非线性行为分析方法和混沌控制策略的研究,为电力电子系统稳定、可靠、优化运行提供理论支持。①从分段线性系统角度提出了PWM控制DC-DC变换器系统雅可比（Jacobian）矩阵的改进求解方法,推导出了具有更好通用性的Jacobian矩阵数学表达式。现有DC-DC变换器系统Jacobian矩阵的求解主要是基于数据采样法实现,求解过程麻烦,其结果通用性不强,不利于解析分析。为此利用微扰思想推导出了单开关PWM控制DC-DC变换器系统Jacobian矩阵的较为通用数学表达式,由此导出了三个相关的快标行为稳定性结论,结合典型的PWM控制DC-DC变换器的快标行为稳定性分析,验证了所提方法的有效。②研究了典型PWM控制DC-DC变换器延迟反馈（TDFC）混沌控制的可控性分析问题。目前有关TDFC混沌控制DC-DC变换器的研究工作很少,且缺少有效分析方法来确定出TDFC参数的可控范围。为此,首先应用数据采样法建立了TDFC控制电流模式Boost变换器系统离散模型,引入占空比和状态变量分离分析思路,基于占空比快速收敛的假设条件,定性预测出了混沌控制效果,实现了控制参数的优化选择。TDFC控制的引入使变换器系统表现为无穷维特性,其离散迭代模型难以获取,为此提出了基于传递函数的倍周期分岔分析方法,实现了TDFC控制Buck变换器系统的可控性分析。此外还提出了具有良好混沌控制效果的准TDFC控制,其延迟时间和反馈增益均可调节的特点有利于提出易于电路实现的改进混沌控制方法。③提出了一类等效于准TDFC且易于工程实现的DC-DC变换器改进混沌控制方法,给出了其电路实现思路和参数优化方法。基于准延迟反馈控制的演化,提出了电压微分反馈控制和一阶动态反馈控制,分别给出了其电路实现方式,应用所提的控制方法分别实现了电压模式Buck变换器和电流模式Boost变换器的混沌控制,理论上分析了控制参数的选取,仿真和实验结果表明控制效果良好。此外,针对电压微分反馈控制Buck变换器的多脉冲现象,提出了电流平方反馈混沌控制策略,实现了系统的混沌控制和多脉冲行为抑制双重控制目标。④提出了DC-DC变换器的自稳定混沌控制概念,给出了控制策略的理论依据、电路化实现思路和参数优化方法。依据DC-DC变换器系统的周期性工作特点,从频域角度构建了自稳定混沌控制策略的稳态模型条件,提出了基于滤波器的设计思路,以电压模式Buck变换器为对象,给出了准自稳定和自稳定两类混沌策略的可控性结果,应用Jacobian矩阵改进求解法优化选择了控制参数,仿真和实验结果验证所提控制策略的有效,取得了期望的自稳定控制效果。⑤提出了周期平衡态开关变换器概念,初步构建了其快标行为稳定性的等效分析思路和双频模式混沌控制策略。利用准稳态概念,将周期平衡态开关变换器系统快标行为稳定性问题转化为遍历输入电压的准直流平衡态变换器系统稳定性问题。以峰值电流Boost PFC系统为对象,应用Jacobian矩阵改进求解法实现了被控系统特征值的评估,提出了改进分区间多参数谐波补偿控制策略,改善了控制效果。针对周期平衡态开关变换器系统的高、低双频特性,提出了双频模式的控制思路,构建了反馈型双频模式复合控制策略,初步实现了自稳定混沌控制特性到周期平衡态开关变换器系统的类推应用,取得了较好的混沌控制效果。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 国内外研究现状
• 1.1.1 开关变换器非线性分析研究现状
• 1.1.2 开关功率变换器混沌控制研究现状
• 1.2 本文研究内容
• 2 DC-DC 变换器 Jacobian 矩阵的改进求解法
• 2.1 引言
• 2.2 基于数据采样法的 Jacobian 矩阵求解
• 2.3 Jacobian 矩阵的改进求解法
• 2.4 基于 Jacobian 矩阵通用表达式的稳定性结论
• 2.4.1 倍周期分岔点方程组
• 2.4.2 系统稳定性的必要条件
• 2.4.3 基于Jacobian 矩阵的Lyapunov 指数谱
• 2.5 实例分析 1—峰值电流模式 Boost 变换器
• 2.5.1 计算结果分析
• 2.5.2 仿真结果分析
• 2.6 实例分析 2—比例控制电压模式 Buck 变换器
• 2.6.1 计算结果分析
• 2.6.2 仿真结果分析
• 2.6.3 实验结果
• 2.7 本章小结
• 3 PWM 控制DC-DC 变换器的延迟反馈混沌控制
• 3.1 引言
• 3.2 TDFC 控制峰值电流模式 Boost 变换器
• 3.2.1 输出延迟反馈控制电流模式Boost 变换器
• 3.2.2 控制结果分析
• 3.2.3 仿真结果分析
• 3.2.4 问题小结
• 3.3 基于传递函数的倍周期分岔分析法
• 3.3.1 P 控制电压模式Buck 变换器的分岔点方程
• 3.3.2 PI 控制电压模式Buck 变换器的分岔点方程
• 3.3.3 计算结果分析
• 3.3.4 仿真结果分析
• 3.4 延迟反馈混沌控制电压模式 Buck 变换器
• 3.4.1 输出延迟反馈控制
• 3.4.2 准延迟时间反馈控制
• 3.4.3 带PI 补偿Buck 变换器分岔行为控制
• 3.5 本章小结
• 4 PWM 控制 DC-DC 变换器的改进混沌控制方法
• 4.1 引言
• 4.2 电压微分反馈控制电压模式 Buck 变换器混沌
• 4.2.1 控制思路提出
• 4.2.2 控制参数范围确定
• 4.2.3 控制效果分析
• 4.2.4 实验结果
• 4.3 改进电压微分反馈混沌控制电压模式 Buck 变换器
• 4.3.1 问题提出
• 4.3.2 多脉冲现象的边界参数值确定
• 4.3.3 控制思路提出
• 4.3.4 可控性分析
• 4.3.5 控制效果分析
• 4.3.6 实验结果
• 4.4 动态反馈控制电流模式 Boost 变换器
• 4.4.1 控制思路提出
• 4.4.2 控制系统的Jacobian 矩阵
• 4.4.3 控制参数优化选择
• 4.4.4 仿真结果分析
• 4.4.5 实验结果
• 4.5 本章小结
• 5 PWM 控制 DC-DC 变换器的自稳定混沌控制策略
• 5.1 引言
• 5.2 自稳定混沌控制策略
• 5.2.1 控制策略的理论依据
• 5.2.2 自稳定混沌控制模型的实现
• 5.3 电压模式 Buck 变换器准自稳定混沌控制
• 5.3.1 控制系统结构
• 5.3.2 可控性分析
• 5.3.3 仿真结果分析
• 5.4 电压模式 Buck 变换器自稳定混沌控制
• 5.4.1 控制系统结构
• 5.4.2 可控性分析
• 5.4.3 参数优化选择
• 5.4.4 仿真结果分析
• 5.4.5 实验结果
• 5.5 本章小结
• 6 周期平衡态开关功率变换器的混沌控制
• 6.1 引言
• 6.2 电流模式 Boost PFC 开关变换器的快标非线性行为
• 6.2.1 快标非线性现象
• 6.2.2 PFC 系统的等效Jacobian 矩阵
• 6.2.3 仿真计算结果分析
• 6.3 快标非线性行为控制
• 6.3.1 斜坡补偿控制
• 6.3.2 分区间多参数斜坡补偿控制
• 6.3.3 双频模式斜坡补偿控制
• 6.3.4 双频模式反馈型复合控制
• 6.4 本章小结
• 7 结论与后续工作展望
• 7.1 论文主要结论
• 7.2 后续工作展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录
• A.作者在攻读博士学位期间发表的论文目录
• B. 作者在攻读学位期间参研的科学项目