功率变换器的区域系统建模及控制方法研究

论文摘要

功率变换器在工业、航天等领域的开关电源中得到广泛应用,与其相关的建模及控制方法的研究也经过了快速发展,但其至今仍然是研究人员重点研究的课题之一。由于功率变换器本质属于一个非线性时变的系统,具有复杂的动态特性,传统的建模方法具有物理概念不清或者建立模型困难等缺点,传统的线性控制方法无法满足强非线性的系统,而常规的非线性控制方法只考虑了系统的稳定性和跟踪性等,忽略了与能量的相关性和闭环系统的物理特性,这些都极大地制约了人们对此类系统的设计与研究。区域系统是一类广义的无源耗散的正定系统,广泛应用于各种各样的数学建模领域中,比如交通流模型、药物代谢动力学模型等,但至今还没有人将其应用于电力电子领域中来。而将功率变换器利用区域系统的方式进行建模,得到的模型简单、准确,进而以能量为状态变量设计的控制算法本质上是一种非线性控制,该控制策略简单容易实现,并且基于能量的观点,稳定性明显,对系统参数的变化以及外来的扰动具有比常规控制方法更强的鲁棒性。论文首先对区域系统这个新兴的概念进行了介绍,对其国内外的相关研究和现状做了细致深入的概括和总结,对区域系统建模、有界性和基本的控制问题作了详细的阐述。首次将区域模型的概念引入到功率变换器的建模中来,在状态空间平均模型的基础上,以每个储能元件为区域、能量为状态变量分别建立了Boost、Buck、Cuk电路的区域模型,并利用Simulink仿真工具对所建立模型的有效性进行验证。在此基础上,提出一种基于能量的参数自整定模糊PID控制算法,详细介绍了算法设计的全过程,对其控制效果进行了电路仿真并对结果进行了分析。结果显示该控制算法具有较好的动态特性和稳态特性,在有负载扰动的情况下鲁棒性较强。与参数经过优化后的传统PID控制算法相比较,论文所设计的控制方法在鲁棒性、稳定性和快速响应特性方面均有所提高。

论文目录

• 中文摘要
• 英文摘要
• 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 功率变换器建模方法
• 1.2.3 DC/DC 功率变换器控制方法
• 1.3 区域系统研究现状
• 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 功率变换器的区域系统建模
• 3.1 BOOST 变换器区域系统建模
• 3.2 BUCK 变换器区域系统建模
• 3.3 CUK 电路的区域系统建模
• 3.4 仿真结果分析
• 3.5 本章小结
• 4 基于能量的参数自整定模糊 PID 控制器设计
• 4.1 模糊控制导论
• 4.2 模糊控制器的基本结构和工作原理
• 4.2.1 模糊化输入接口
• 4.2.2 模糊推理判决机构
• 4.2.3 输出解模糊接口
• 4.3 基于能量的参数自整定模糊PID 控制系统结构
• 4.3.1 引言
• 4.3.2 PID 控制器参数基于能量的模糊自整定原理
• 4.3.3 PID 参数基于能量的模糊自整定模型
• 4.3.4 隶属度函数的确定
• 4.3.5 模糊合成推理及决策调整
• 4.4 功率变换器基于能量的参数自整定模糊PID 控制仿真
• 4.4.1 仿真软件简介
• 4.4.2 主电路模型
• 4.4.3 控制回路建模
• 4.4.4 仿真实验
• 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