基于区域系统建模与能量的功率变换器滑模控制研究

论文摘要

近年来随着现代化工业和人们生活水平的提高，对能源的数量与质量的需求也越来越高，但是能源是有限的，这就要求人们必须高效、快速的使用能源，功率变换技术就是提高能源利用效率的技术。因此，功率变换技术的研究成为一种热点。为了提高功率变换器对能量的转换效率，人们重点研究了功率变换器的建模与控制方法。功率变换器是一种非线性时变系统，动态特性比较复杂，这就对其建模和控制方法提出了很高的要求，但是一般常见的建模方法中有的不能清楚表达系统的物理概念、有的模型建立起来比较困难。控制方法上，常用的线性控制方法不能用于强非线性的系统，即使有的非线性方法能够提高系统的稳定性，却不能显示系统能量的相关性和系统的物理特性。本文使用一种新兴的区域系统的概念用于功率变换器的建模，使用滑模控制方法对其进行控制，可以较好的解决在传统的模型建立方法和控制方法上存在的问题。本文的主要研究内容如下：①本文提出了基于能量的功率变换器区域系统建模的滑模控制方法研究，围绕该方法首先阐述了功率变换器的基本结构和原理，分析了常用的一些控制算法，以及各种方法的优缺点。给出了区域系统的基本定义、区域系统在国内外的发展过程及研究现状，总结了区域系统的特性（如正定性、质量守恒、有界性等）、表征形式和控制方法。②用区域模型的概念对DC-DC功率变换器建模，首先建立了功率变换器的状态空间平均模型，把变换器的储能元件（电感L、电容C）作为系统的区域，以储能元件中的能量为系统的状态变量分别建立了Boost电路、Buck电路以及Cuk电路的模型，并对所建立的模型进行了进一步的简化，有利于后边控制器的设计，然后对建立的模型进行了Matlab仿真验证了模型的有效性。③本文设计了基于能量的滑模控制方法，应用于Boost、Buck、Cuk电路的控制中去，并且详细介绍了滑模算法设计的过程，最后进行了仿真。仿真结果证明了所设计的控制方法具有优良的动态特性以及稳定性，在受到外部干扰时有很好的鲁棒性，并与无源性的滑模控制进行了比较，结果显示抗干扰能力、稳定性以及动态性等方面都比无源性的滑模控制算法有了很好的改进。国内较少有人把区域系统应用于电力电子系统的研究，本文把区域系统引入功率变换器的建模中来，是一种相对新颖的想法，较好的解决了传统的建模方法不易建立及不能清楚表达物理概念的缺点，对所建立的区域系统模型用滑模方法控制可以使系统具有较强的鲁棒性及快速性，可使功率变换器有更好的抗干扰能力，提高了其工作效率。其后的仿真以及与无源性滑模控制方法的比较结果也显示了本文方法的先进性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 功率变换器研究现状
• 1.2.1 功率变换器的分类及结构
• 1.2.2 DC-DC 功率变换器控制方法
• 1.3 区域系统研究现状
• 1.3.1 区域系统国内研究现状
• 1.3.2 区域系统国外研究现状
• 1.4 论文研究内容及结构安排
• 1.5 本章小结
• 2 区域系统
• 2.1 区域系统概述
• 2.2 区域系统的定义及特性
• 2.2.1 区域系统定义
• 2.2.2 区域系统的正定性
• 2.2.3 区域系统的质量守恒
• 2.2.4 区域系统的哈密尔顿表征
• 2.2.5 区域系统的矩阵表征
• 2.3 输入控制系统
• 2.4 区域系统的有界性
• 2.5 无输出区域系统
• 2.6 本章小结
• 3 区域系统建模
• 3.1 Boost 电路区域系统建模
• 3.2 Buck 变换器区域系统建模
• 3.3 Cuk 变换器区域系统建模
• 3.4 Matlab 仿真结果分析
• 3.5 本章小结
• 4 基于能量的 DC-DC 变换器的区域模型滑模控制器设计
• 4.1 滑模控制概论
• 4.2 滑模控制理论的基本概念及原理
• 4.3 滑模变结构控制器设计的基本问题
• 4.3.1 滑模面函数的选取
• 4.3.2 系统滑模面系数的优化
• 4.3.3 开关频率的问题
• 4.3.4 滑模变结构控制系统的不变性
• 4.3.5 滑模控制系统的一般分析方法
• 4.4 功率变换器基于能量的区域系统滑模控制仿真
• 4.4.1 Boost 电路的主电路模型
• 4.4.2 Boost 电路控制器的设计
• 4.4.3 仿真验证
• 4.5 本章小结
• 5 总结与展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录
• 作者在攻读学位期间发表的论文