升压变换器pwm滑模电压控制设计仿真本科论文

升压变换器pwm滑模电压控制设计仿真本科论文内容摘要：

DC 变化器中高通滤波器参数的设计方法。 2020 年， Shtessel 等人提出两种升压和升降压变化器的滑模控制策略：一种使用稳定系统中心方法，另一种使用动态滑动流行。 2020年， Vazquez等人提出一种新的滑模面， 无需使用电流传感器； Gupta等人提出了一种混合滑模控制器，组合使用了电压和电流滑模面，目的是提高鲁棒性。 同样滑模控制除了学术上发展外，也在航天，机器人，工业等领域有了应用： 1983 年 Slotine 首次将滑模控制应用于机器人控制中，对二自由度钢体机械手非线性动力学模型设计了用于时变参考轨迹跟踪的滑模控制器。 随后又将滑模控制与反馈线性化技术相结合，将研究推广到更一般的钢体机器人滑模控制设计中。 飞行器和水下船舶等，同样存在不可预知的干扰，也是滑模控制的一个典型应用领域。 人造卫星的滑模跟踪控制；具有非线性的 不确定的直升机运动系统鲁棒滑模控制；采用自适应滑模控制方法设计了自动寻的导弹的制导律等。 工业控制领域是滑模控制应用的主要领域。 大功率半导体器件技术的发展，高频大功率开关的问世，使得滑模控制的实现有了很好的硬件基础。 人们利用 DSP 芯片实现了对无刷直流电机的离散时间积分滑模控制；对电网的燕山大学本科生毕业设计（论文） 6 串联谐波补偿给出了滑模控制方案，获得了良好的鲁棒性。 滑模控制发展趋势 现有的大部分努力已经建立了 DCDC 变换器滑模控制的理论和数学框架。 然而，用简单的电路实现滑模控制在很大程度上被人忽视了，因为人们习惯了滑模控 制更容易用数字方式实现。 于是，人们对滑模控制的兴趣通常停留在理论和数学推到阶段。 但是，如果考虑将滑模控制应用于商业应用中，则必须研究其中的实际问题。 这也是以后滑模控制的发展趋势。 具体而言就是，应研究各种模拟滑模控制器，它们应用于固定开关频率，且符合通常的的工业标准。 滑模控制应用于商业是以后发展的趋势，也是一个挑战。 第 2 章 升压变换器 PWM 滑模控制的基本原理 7 第 2 章 升压变换器 滑模控制 的基本原理 基本理论 在一个三维空间中，我们假设有一个平面，在这个平面中存在一个 O点，我们将其称为平衡点。 这个平衡点表示一个稳定的吸引子，任何一条与它接触的 轨线都将停留在平衡点，同时我们也希望将所控制的系统推向这个平衡点。 再接着，考虑系统的的被控轨线在这个三维空间中任意分布并且远离平面的情况。 如果在没有任何控制作用的情况下，轨线将按照该系统固有的特性移动。 但是我们控制作用施加以后 ，轨线将以偏爱的方式发生着改变，而且轨线的运动方向完全取决于控制作用的施加的类型。 一连串的施加的控制作用施加于系统后，又或许可使系统在与初始状态没有关系的情况下，系统的被控轨线首先向着平面移动，然后在到达平面后，沿着平面再到达平衡点O并且最终停留在 O点。 这种控制我们将其称为滑模控制。 而在上面所说的引导轨线移动的那个平面我们称为滑动面，或者称为滑动流形。 实现滑模控制所要求的的控制作用需要不同控制函数之间的快速切换，实现滑模控制其中轨线所在的区域我们称为滑动模态。 有了上面的基本术语和定义以后，我们就可以对滑模控制进行更加严格的定义。 任意给定的一个系统，如果存在一个滑动流形 =0 并且具有稳定的平衡点 O，当系统工作在滑动的模式下，任意的位置的反馈跟踪轨线将被吸引至滑动流形。 当这个轨线到达滑动流形以后，就会引发系统的控制作用 ，多个或者是两个的独立的控制函数将会以无穷大的频率切换，并且系统的轨线将被精确地控制在滑动流形上而且还有 S==0，最终轨线将朝着我们期望的平衡点 O点移动并稳定。 A B Cs ( x ) 0s ( x ) 0 s ( x ) = 0 图 滑模控制过程图示 燕山大学本科生毕业设计（论文） 8 当控制轨线到达滑动流形以后，系统就会进入第二个阶段的控制过程 ，也就是滑模运动阶段。 这个时候系统会收到一连串的会以无穷大的频率切换的控制函数的作用，这个控制作用将会使轨线保持在滑动流形上，并且最终朝着期望的平衡点 O 移动，且收敛于该点。 那么对于这种控制最重要的是，控制的整个过程仅仅只是对轨线的行为作出反应，而轨线不会受系统参数 变化和外部扰动的影响。 换一种说法就是，这个滑动流形只是作为一个参考的路径，在这个参考的路径上，被控的轨线 将会跟踪原点，并且收敛于原点，最终达到稳定运行的状态，而这个过程无需要考虑系统的参数和所处工作状态。 要完成上述过程必须满足滑模存在条件，确保在滑动流形附近的轨线都能返回到滑动流形。 而且，滑模的稳定性条件将会保证处在滑模运动的轨线最终能够收敛于期望的平衡点 O。 我们需要注意的是，轨线沿着滑动流形运动并且不受参数干扰到达平衡点这个过程是强制执行的，这就保证了滑模控制对系统的外部干扰，不确定性和外界环境变化具有很 高的鲁棒性。 滑模作用包括三个条件，即到达滑动面，停留在滑动面并且最终收敛于稳定平衡点。 升压变化器的主电路图 图 升压变换器的拓扑 升压变换器的最主要的作用是将 电压转换为更高的电压来进行输出，也就是 V0 Boost 电路中，电感 L 只有在开关 S 导通的时候才给充电，而电感中的能量只有在开关 S关断的时候再传递至输出和电容中。 然而这种能量经由电感传送到负载的现象，会出现相位的滞后现象，所以我们一般认为这种电路具有右半平面的零点。 第 2 章 升压变换器 PWM 滑模控制的基本原理 9 滑模控制实现的一般原理 滑模控制要求的 设计原则是我们要求的控制规律中设计一种滑动的流形，控制系统的状态变量的轨线向期望的工作点靠近，对于升压变换器，我们的控制规律采用下面的控制函数 1u= 1+ sig n s2（ （ ） ） （ ） 其中 u为升压变化器开关的逻辑状态； S 为瞬时状态的轨线，升压变化器是2 阶的，可表示为  1 1 2 2 3 31 2 3TTS a x a x a x J xJ a a a    （ ）   3 为系统控制参数，也就是所谓的滑动系数； x x x3 是我们所希望控制的状态变量。 我们通过使得 S=0，就可以得到滑动的流形。 整个的滑模控制进行的过程我们可将其分为两个阶段，就是达到阶段和滑动的阶段。 在达到阶段的过程中，无论轨线的初始位置如何，只要满足了到达的条件，控制系统就将强制执行控制的决策，迫使反馈状态变量的轨迹向滑动面收敛靠近。 且当 轨线的轨迹与滑动流形的距离缩小到一定程度时候，变换器就进入到了滑动的阶段，只要满足了存在条件，稳定性条件，系统轨线都将于滑动流 形保持一个较小的范围然后滑动不断地向平衡点 O 收敛。 滑模控制的几条设计的准则 第一步：满足滑模到达条件 对于 升压变换器的滑模控制器来说，为了满足额到达条件是很简单的，我们取输出电压作为所控制的变量，那么滑模控制器所控制的状态变量表达式可以如下   000123r e fr e fr e fvvx d v vxx dtxv v d t   （ ） 燕山大学本科生毕业设计（论文） 10 在这表达式中， Vref 为输出电压的参考值， V0 为我们检测得到的瞬时值；x1 是电压误差、 x2 是电压误差变化率、 x3 是电压误差 的积分。 在我们的到达条件和过程的设计中，我们只需要考虑 x1 就行了，因为在达到的过程中它在 S 组成的部分中占主要的支配作用。 很明显的，如果在检测中的输出电压远远低于参考电压的时候， S 是正值，则 开关作用的补偿直观上是表现为开通功率开关的，这样就使得能量从输入电源传递到电感中。 而相反的情况则是，若检测到的出去电压远远比参考电压大的多， S 为负值，则开关的直观表现为关断功率开关，这样就能使能量很快停止从电源向电感的传输。 那么这种情况的控制函数就为 u =1 when S ＞ 0 u =0 when S ＜ 0 （ ） 第二步：满足存在的条件 在开关的工作状态确定以后，接下来就是保证我们选取的滑模运动的系数   3的存在，那么也就是转换为状态轨迹的达到条件，为 s0lim s s 0  （ ） 在升压变换器中，将其表达式带入上述条件中，得到  31 0 0 02210 ( )c r e f iLaaL i L C V V V v va r C a          （ ） 其中 C 为电容、 L 为电感、 rL 为负载电阻瞬时值； Vref 为参考电压、 V0 为输出电压瞬时值、 Vi 为输入电压瞬时值、 为反馈网络的系数、 ic 为电容电流的瞬时值。 在上面的式子中， C、 L、 是变换器的已知的确定的参数，直接将它们的精确地带入到不等式就可以进行检验。 而我们的 Vi、 rL 则表示在限制的一定范围内的输入和在一定范围内的输出工作状态，这就不得不考虑系统的工作状态的临界点。 而如果它们在工作状态的在输入和输出的最大和最小的工作状态 满足了存在的条件，那么我们就可以说在系 统的整个工作状态范围内 第 2 章 升压变换器 PWM 滑模控制的基本原理 11 都能满足存在条件。 而对于 V0 和 ic 它们都是瞬时会变的量，因此我们必须思考它们的瞬时变化性，所以设计的过程就有了一定的难度。 那么再设计有滑动面的滑模结构控制器时候，最好的办法就是保证在稳态状态下的存在条件得到满足，那么就可以用系统的状态变量的预期值代替。 而且使用这种方法最少能保证系统在平衡点附近周围的一个较小的区域满足存在条件。 因此，由上面总结得出的存在条件就为把预期变量带入（ ）式中所得到的结果。 第三步：满足滑模控制的稳定性条件 满足了到达条件、存在条件以后，那么 系统所选择的滑动系数就必须满足稳定性条件。 而滑模控制最有趣的就是，再设计滑动系数的过程中，满足了期望的动态性能，那么自然而然稳定性条件也就得到了满足。 在升压变换器中 ，在滑模工作的时候，将系统的滑动系数和设计的变换器的动态响应联系起来就可以得到方程 11 1 2 3 1x + + x dt=0dxdt    () 这个式子中就可以整理称为标准的 2 阶系统的式子，然后通过对系统的滑动系数的调整与设计，就可以使系统有一下三种响应：过阻尼、临界阻尼、欠阻 尼的形式，而且能够以期望的速度进行收敛。 因此这就给设计者可以根据系统的响应速度，响应时间还有就是电压的超调技术这些参数来选择滑动的系数，滑动系数的选择必须根据上面的三个条件且能够满足。 本章小结 本章主要介绍了滑模控制的基本理论，以及升压变换器的主电路拓扑，并且具体介绍了滑模控制实现的一般性原理，以及在升压变换器中的变换特性，也给出了滑模控制设计中的三条准则，满足存在，到达，稳定性的三个条件才能使最后的滑模控制得到理想的特性。 燕山大学本科生毕业设计（论文） 12 第 3 章 升压变化器 PWM 滑模控制器的设计 研究的背景 脉冲宽 度调制（ PWM）技术的原理就是用期望的模拟信号 Vc 与斜坡信号进行比较，然后产生与给定的斜坡信号 相同频率的脉冲输出开关信号。 它的优点是可以通过固定所给斜坡信号的频率，然后使得开关信号的频率固定。 因此就可以将滑模控制技术与 PWM 技术相结合，就可以得到定频滑模控制器。 在此同时，应该强调的是，应用在滑模控制中的 PWM 技术与应用在电力电子中的经典的 PWM 控制器的 基本原理并不矛盾。 而这两种方式的主要区别是控制信号 Vc 的产生的方式不一样，滑模控制所采用的是基于滑模控制规律而经典的 PWM 的控制是基于线性控制规律的。 因此我们 这里所称的 PWM 滑模电压控制器在实际上是一种采用了等效的控制方法的脉冲宽度的调制器，它所产生的信号与调制器中的固定频率的斜坡信号相比较。 设计的方法 系统的建模 滑模控制器的设计第一步则要求根据期望的控制变量 (也就是电压和电流 )得出用状态空间法描述的变换器的模型。 本文采用的是基 于电压误差二阶 PID 形式的滑模变结构数学模型 ，如图 所示为常规滞环调制结构的PID 滑模电压控制器。 该模型在传统变结构电压数学模型的基础上增加了电。