[发明专利]一种基于免疫算法的双向DC-DC变换器自抗扰控制方法

权利要求书

1.一种基于免疫算法的双向DC-DC变换器自抗扰控制方法，其特征在于，双向DC-DC变换器采用电压电流双闭环控制，电流内环采用基于免疫算法的自抗扰控制器，电压外环采用PI控制器；

所述基于免疫算法的自抗扰控制器的设计过程如下：

步骤a、基于双向DC-DC变换器，选择独立式PWM控制方式，分别在Buck模式和Boost模式下建立数学模型；

Buck模式下的状态空间平均方程为：

Boost模式下的状态空间平均方程为：

式中，V_dc为直流母线电压，V_b为超级电容器端电压，R_dc为直流母线侧电源等效内阻，R_b为储能侧的等效内阻，C₁为直流母线支撑电容，C₂为储能侧的滤波电容，L为电感值，V_C1和V_C2分别为直流母线支撑电容和滤波电容电压，i_L为电感电流，d_Buck和d_Boost分别为双向DC-DC变换器工作于Buck模式和Boost模式时的占空比；

步骤b、根据步骤a中的Buck模式下的状态空间平均方程和Boost模式下的状态空间平均方程分别得出两种模式下控制至电感电流的传递函数：

Buck模式：

Boost模式：

其中，L为电感值，D_Boost为Boost模式时占空比的稳态值，I_L为电感电流的稳态值；

步骤c、设计扩张状态观测器

由式(3)得到如下状态方程：

由式(4)得到如下状态方程：

将式(5)和式(6)写为如下的一般二阶系统形式：

其中，Buck模式时：

Boost模式时:

其中，为Buck模式和Boost模式时系统的内外扰动，b为补偿因子，u为最终控制信号，对于内环控制器而言，系统的输入为占空比d；

然后，将拓展为新的状态变量x₃，并建立如下扩张状态观测器的方程：

其中，z₁、z₂分别为扩张状态观测器观测到的跟踪信号和微分信号，z₃为估计的系统总扰动信号，β₀₁、β₀₂和β₀₃为扩张状态观测器的观测器增益，α₀₁、α₀₂和α₀₃是非线性函数f_al的非线性参数，δ₀为线性区间，e为跟踪信号和电感电流的误差；

步骤d、结合跟踪微分器和非线性反馈控制律，得二阶自抗扰控制器的离散实现形式

表示如下：跟踪微分器

最速控制综合函数fhan(x₁，x₂，r，h)的离散化算法公式为：

扩张状态观测器

非线性函数f_al的表达式为：

非线性反馈控制律

其中，T为采样周期，k为采样时刻，h为滤波因子，r为速度因子，c、c₀、y、a、a₀均为中间变量，α₁和α₂为非线性反馈控制律的非线性参数，β₁和β₂为非线性组合的可调参数，u₀为初始控制信号，u为最终控制信号，e₁(k)和e₂(k)分别为k时刻时，跟踪微分器输出的跟踪信号和微分信号与电感电流的跟踪信号和微分信号的误差；

步骤e、用免疫算法对自抗扰控制器中的扩张状态观测器增益和非线性反馈控制律参数进行自适应整定

免疫算法中误差信号和控制器输出的关系式为：

u(k)＝K{1-λmg[Δu(k)]}e(k) (16)

式中，K是增益参数，m为比例系数，Δu(k)为控制信号的变化量，函数g是调节函数，α为作用系数；

将离散实现形式的扩张状态观测器和非线性反馈控制律改写为与免疫算法相对应的形式，如式(18)和式(19)所示：

u₀＝K₂[1-λmg(Δu₀)][β₁f_al(e₁,α₁,δ₀)+β₂f_al(e₂,α₂,δ₀)] (19)

其中，K₀₁＝K₁β₀₁，K₀₂＝K₁β₀₂，K₀₃＝K₁β₀₃，K₁和K₂是增益参数，λ表示调节过程中的免疫调节作用，m为比例系数，Δz₁、Δz₂、Δz₃和Δu₀为扩张状态观测器输出和控制信号的变化量，函数g是调节函数；

所述基于免疫算法的双向DC-DC变换器具体控制步骤如下：

步骤1、将直流母线电压的给定值和反馈值的误差经过PI控制器处理，输出电流内环的给定值；

步骤2、电流内环的给定值经过自抗扰控制器中的跟踪微分器安排的过渡过程，生成电流内环的给定值的跟踪信号和微分信号；

步骤3、扩张状态观测器通过对电感电流和控制信号的观测，输出电感电流的跟踪信号和微分信号，同时估计出系统的总扰动信号；

步骤4、将跟踪微分器输出的跟踪信号和微分信号与电感电流的跟踪信号和微分信号分别作差，得到两个误差信号，两个误差信号经过非线性反馈控制律进行非线性组合，生成初始控制信号；

步骤6、将扩张状态观测器估计出的总扰动信号补偿到初始控制信号中，得到最终的控制信号，最终的控制信号经过PWM发生得到PWM信号，最后经过逻辑运算选择双向Buck-Boost变换器的工作模式，得到开关管的驱动信号，用于驱动开关管工作。

2.根据权利要求1所述的一种基于免疫算法的双向DC-DC变换器自抗扰控制方法，其特征在于，所述双向Buck-Boost变换器工作模式的选择方式为：当直流母线电压的反馈值大于给定值的时候，双向DC-DC变换器工作在Buck模式，当直流母线电压的反馈值小于给定值的时候，双向DC-DC变换器工作在Boost模式。