基于滑模变结构算法的直流变换器应用研究

论文摘要

当前工业设备的精密及复杂化都到达了一个极高的程度，只靠人力已无法对其有效控制，计算机依靠其计算精度及其实效性，在工业控制领域的作用日益凸现。Buck变换器是所有电力变换器的基础，一般作为整机的电源部件出现，其质量对整机的性能有重要的影响，所以对Buck变换器输出精度的要求越来越高。对Buck变换器控制的主要算法尤其是现实应用中的方法大多为线性算法，这些算法有明显的缺点就是对系统参数的要求非常敏感，鲁棒性差。一旦系统参数发生轻微的变化或有轻微的扰动，其输出效果会有很大改变，将对设备造成严重影响。由于Buck变换器存在非线性元件，使整个电路工作在通、断两个工作状态，其工作特性存在显著的开关特性。从而将非线性算法尤其是滑模变结构算法应用于Buck变换器的控制有了得天独厚的条件。目前研究一般是采用二维参数进行滑模控制器的设计，只单独采用负载电压或电流进行滑模面的设计，不能充分反应整个系统的动态行为。另外由于在滑模算法中存在抖动现象，对该算法在实际应用中的推广带来了障碍。本文提出设计了一种三维滑模函数，采用负载电压偏差、偏差动态变化率及电感电流三个参数设计滑模面,该方法旨在提高非线性算法在控制Buck变换器中的应用性能，同时其更能反映系统信息及动态行为。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。本文在三维滑模函数的基础上，分别同指数趋紧率、动态滑模、模糊算法相结合设计并实现了相关算法的控制器来抑制抖动的产生及对系统的影响。将三种控制器分别应用于Buck变换器进行计算机仿真试验，从试验结果图中可以看到，本文设计的三维参数滑模函数能很好的实现对变换器的控制，同时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。

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摘要

ABSTRACT

第一章绪论

1.1 课题的研究背景及研究意义

1.1.1 课题的研究背景

1.1.2 研究目的及意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 国内研究现状

1.2.2 国外研究现状

1.3 本文工作的主要创新点

1.4 本文的主要研究内容

1.4.1 介绍滑模变结构算法及对象模型

1 . 4 . 2 滑模变结构算法在 B u c k 变换器中的应用

1 . 4 . 3 动态滑模变结构算法在 B u c k 变换器中的应用

1.4.4 设计模糊滑模控制器

1.4.5 仿真研究

第二章滑模变结构算法及 BUCK变换器数学模型

2.1 滑模变结构算法

2.1.1 滑模变结构算法基本概念

2.1.2 滑模变结构算法的数学描述

2.1.3 滑动模态的存在性

2.1.4 滑动模态的可达性

2.1.5 滑动模态的收敛性

2.1.6 等效控制

2.2 滑模变结构算法的性质

2.2.1 模型降阶

2.2.2 系统解耦

2.2.3 鲁棒性和不变性

2.2.4 控制过程中的“抖动”

2.3 Buck变换器拓扑结构和降压原理

2.3.1 Buck变换器拓扑结构

2.3.2 Buck变换器降压原理

2.4 调节占空比方式

2.5 Buck变换器在 CCM时的工作特性

2.5.1 理想电力电子变换器

2.5.2 两种开关状态

2.6 CCM下 Buck变换器的数学模型

2.7 本章小结

第三章基于三维滑模函数的 BUCK变换器控制设计与应用

3.1 基于三维滑模函数的 Buck变换器控制模型

3.2 滑模控制器设计

3.2.1 三维滑模函数设计

3.2.2 指数趋近率

3.3 算法收敛性分析

3.4 仿真研究

3.4.1 改变系统输入电压

3.4.2 改变负载电阻

3.4.3 连续化改变参考电压

3.4.4 PI控制仿真

3.5 本章小结

第四章动态滑模算法在 BUCK变换器中的设计与应用

4.1 动态滑模算法的主要思想

4.2 动态滑模控制器设计

4.2.1 采用趋近率的动态滑模控制器设计

4.2.2 算法收敛性分析

4.3 动态滑模控制仿真研究

4.4 本章小结

第五章三维模糊滑模算法在 BUCK变换器中的设计与应用

5.1 模糊控制理论

5.1.1 模糊算法的基本原理

5.1.2 输入、输出变量的模糊语言描述

5.1.3 模糊推理规则及基本运算

5.1.4 模糊决策

5.2 三维模糊滑模控制器设计

5.2.1 三维模糊滑模控制器结构

5.2.2 模糊控制规则

5.2.3 模糊变量的赋值表

5.2.4 模糊控制规则的矩阵形式

5.3 仿真研究

5.4 本章小结

第六章结论及展望

6.1 本文工作总结

6.2 展望

参考文献

附录

致谢

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