[发明专利]一种基于端口受控耗散哈密顿模型的Buck-Boost变换器变阻尼无源控制方法

说明书

本发明公开了一种基于端口受控耗散哈密顿模型的Buck‑Boost变换器变阻尼无源控制方法，包括：根据Buck‑Boost变换器的系统状态平均模型和状态变量，将Buck‑Boost变换器的系统状态平均模型转化为端口受控耗散哈密顿模型形式，并验证其无源性；根据Buck‑Boost变换器的端口受控耗散哈密顿模型和互联和阻尼分配无源控制方法，给定期望的互联和阻尼矩阵，进行无源控制器设计；步骤3，根据给定阻尼矩阵的阻尼系数变化对系统性能的影响，设计二阶微分跟踪器，实现注入阻尼实时变化；根据无源控制器和二阶微分跟踪器，设计变阻尼无源控制器，控制Buck‑Boost变换器的输出电压。本发明的控制方法实现了Buck‑Boost变换器的输出电压快速收敛到期望输出电压，且减少输出电压的稳态误差，提升系统的总体性能。

技术领域

本发明涉及一种Buck-Boost变换器无源控制方法，特别是一种基于端口受控耗散哈密顿模型的Buck-Boost变换器变阻尼无源控制方法。

背景技术

直流-直流变换器是直流开关变换器的核心，其特点为输入电压与输出电压均为直流电压，其作用是将输入的直流电压通过变换电路，使系统输出期望直流电压。直流-直流变换器依据输入与输出之间有无电气隔离可分为不带隔离的变压器与带隔离的变压器两类。其中Buck-Boost变换器是一种最基本非隔离直流变换器，由于它的输入电压范围宽、输入电流纹波小，同时输出电压可实现升降压控制，使其在电力电子领域广泛地应用。

对Buck-Boost变换器的传统控制方式大多基于线性控制理论，如滞环控制，PID控制等，虽然这些控制方法易于调节，但因其未考虑变换器的非线性和时变不确定性，使得常规的控制器很难达到理想的效果，无法满足电源变换器日益提高的性能要求。近年来，越来越多新的非线性控制技术被应用于降压型直流变换器，比如模糊控制、神经网络控制、滑模控制、无源控制等。其中无源性控制是一种基于能量观点的全局定义、全局稳定的控制策略。其基本思想是在控制器的设计中，通过注入阻尼项，迫使系统总能量跟踪预期的能量函数，使得闭环系统是无源的，系统输出误差渐近稳定到零点，系统状态及输出变量逐渐收敛到期望值。较之于其它非线性控制方法，其设计过程简单且易于实现，动态性能得到了明显改进。

端口受控哈密顿系统理论的非线性控制方法是从经典的无源性控制理论演化来的。首先是从欧拉-拉格朗日方程出发，由方程可以得到哈密顿方程。然后将能量耗散的概念引入到端口受控哈密顿系统框架中，可得端口受控哈密顿耗散系统模型，即PCHD模型。然后利用哈密顿系统的反馈镇定原理来寻找反馈控制，利用一种新的无源性控制设计方法称为互联和阻尼配置的无源性控制(IDA-PBC)方法来进行无源控制器的设计。

传统的互联和阻尼配置无源性控制方法的注入阻尼项是恒定值，但注入阻尼的取值影响控制器的性能，若阻尼注入过小，反应速度加快，但是会存在超调量和较大的稳态误差；若阻尼注入过大，反应速度变慢，但不存在超调量，且有稳态误差小。因此，如何有效地利用不同注入阻尼大小对系统性能的影响，使得系统的总体性能得到提高是无源控制在基于端口受控耗散哈密顿模型的Buck-Boost变换器应用中亟需解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于端口受控耗散哈密顿模型的 Buck-Boost变换器便阻尼无源控制方法，该方法设计了二阶跟踪微分器实现变阻尼注入，实现系统能在较短时间内达到期望输出电压，且没有超调量，减小了稳态误差，有效地利用不同注入阻尼大小对系统性能的影响，使得系统的总体性能得到提升。

本发明提供如下技术方案：

(1)根据Buck-Boost变换器的系统状态平均模型和状态变量，将Buck-Boost变换器的系统状态平均模型转化为端口受控耗散哈密顿模型形式，并验证端口受控耗散哈密顿模型的无源性；

(2)根据步骤(1)中的Buck-Boost变换器的端口受控耗散哈密顿模型、互联和阻尼分配无源控制方法，给定期望的互联和阻尼矩阵，进行无源控制器设计；