一种基于Buck变换器电压约束的有限时间输出反馈控制方法

本发明属于纯电动汽车dc-dc变换器，具体涉及一种基于buck变换器电压约束的有限时间输出反馈控制方法。

背景技术：

1、buck变换器因其高效率转化和成本低的特点，被广泛应用在电动汽车系统、光伏系统、燃料电池系统、直流输电等领域。由于变换器是非光滑、非线性的时变系统，一方面，容易受到电压摄动、负载跳变等系统外部因素的影响，另一方面，建模误差、寄生电感、寄生电容等系统内部因素也会造成系统不稳和性能不足等问题，因此如何在存在干扰的情况下快速稳定电压，具有重要的实际意义。

2、与渐近稳定的控制方法相比，在外界干扰不存在的理想情况下，有限时间控制方法能在有限时间达到稳定，并且跟踪精度更高、抗干扰性能更强。在实际情况中，外界干扰不可避免，但是，由于分数节幂项的存在，该方法仍能达到令人满意的效果，因此得到了众多国内外研究者的关注。

3、一般来说，包括有限时间控制方法在内的大多数非线性控制结果都是基于全状态反馈的。设计状态反馈控制器需要电压和电流信息，这些信息由电压和电流传感器测量，其中电流的测量一般采用基于霍尔效应的电流传感器。然而，这种电流传感器存在以下问题：(1)尽管可以使用低通滤波器，但由于传感器对测量噪声高度敏感，导致电流测量结果不精确；(2)使用电流传感器的附加电路会造成功率损耗；(3)电流传感器的高成本大大增加了控制器的设计成本；(4)当电流传感器在高温和大电流环境中，易出现过热现象，最终导致其失效。

4、另外，变换器对电压响应速度的要求越来越高，如果没有限制，很容易损坏电路硬件。保护电路的传统方法是在硬件电路中增加限流器，但提高了成本，转换效率也会降低。此外，在复杂变换器系统中，传统采用pid控制方法进行电路保护，其参数调整往往过于复杂，阻碍了性能的优化。

技术实现思路

1、针对现有技术中存在不足，本发明提供了一种基于buck变换器电压约束的有限时间输出反馈控制方法。

2、本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。

3、一种基于buck变换器电压约束的有限时间输出反馈控制方法：

4、s1，针对工作于电感电流连续模式下的buck变换器，采用状态空间平均法建立其数学模型，由buck变换器数学模型，令输出电压误差e＝x1＝vo-vr，得到buck型变换器系统的误差动态方程；其中，vo表示输出电压，vr表示参考输出电压；

5、s2，针对输出电压误差，构造非对称的障碍lyapunov函数；

6、s3，由非对称的障碍lyapunov函数求导的结果，利用反步法设计输出受限下的有限时间状态反馈控制器；

7、s4，利用工作于电感电流连续模式下的buck变换器的电压信息重构电流信息，设计降阶状态观测器；

8、s5，将s4得到的估计值传递到所述有限时间状态反馈控制器中，得到输出受限下的有限时间输出反馈控制器；

9、s6，将电路中的输出电压vo与参考输出电压vr的差值x1通过误差放大器放大，然后通过有限时间输出反馈控制器生成控制信号，再通过pwm发生器比对控制信号与三角波信号，产生pwm信号，控制buck变换器系统中可控型开关器件s的通断。

10、进一步地，所述buck变换器数学模型为：

11、

12、令输出电压误差e＝x1＝vo-vr，得到buck型变换器系统的误差动态方程：

13、

14、其中，vo、il、c、l、r、vin分别是buck变换器拓扑结构中的输出电压、电感电流、电容、电感、负载阻值和输入电压，u为buck变换器系统输入，代表占空比信号。

15、更进一步地，所述非对称的障碍lyapunov函数，具体为：

16、

17、其中，θ1、θ2分别为下约束和上约束，中间量满足如下关系：

18、

19、更进一步地，所述非对称的障碍lyapunov函数求导的结果为：

20、

21、中间量

22、更进一步地，所述有限时间状态反馈控制器，具体为：

23、

24、其中，α2(x1)为正函数，δ为正常数，中间量ε2满足如下关系：

25、

26、其中，α1(x1)为一个正函数，是一个虚拟控制器。

27、更进一步地，当x1在约束域内(-θ1,θ2)变化时，及时调节，产生足够的控制作用，将x1从边界拉回，并收敛到平衡点处，使x1始终限制在约束域(-θ1,θ2)内。

28、更进一步地，所述降阶状态观测器为：

29、

30、其中，为x2的估计值，z为一个辅助变量，m(x1)满足g(x1)表示增益函数。

31、更进一步地，所述有限时间输出反馈控制器，其输出为：

32、

33、本发明具有的有益效果为：

34、(1)本发明在构造非对称的障碍lyapunov函数时，当系统状态x1接近约束边界时，障碍lyapunov函数将接近无穷大，此时，在有限时间状态反馈控制器的作用下，x1始终被限制在约束边界内。因此，利用障碍lyapunov函数来处理输出约束问题，可以在不增加计算负担的情况下达到良好的控制效果。

35、(2)本发明通过构造非对称的障碍lyapunov函数和输出受限下的有限时间状态反馈控制器，进而设计含输出约束的有限时间输出反馈控制器，实现输出电压的有效约束，保护电路，避免电路硬件受到损坏；本发明有限时间输出反馈控制器，与状态反馈相比，不利用电流观测器，而是利用电压信息重构电流信息，节约成本，不会造成功率损耗，避免过热现象，并提高系统抗干扰能力。

技术特征：

1.一种基于buck变换器电压约束的有限时间输出反馈控制方法，其特征在于：

2.根据权利要求1所述的基于buck变换器电压约束的有限时间输出反馈控制方法，其特征在于，所述buck变换器数学模型为：

3.根据权利要求2所述的基于buck变换器电压约束的有限时间输出反馈控制方法，其特征在于，所述非对称的障碍lyapunov函数，具体为：

4.根据权利要求3所述的基于buck变换器电压约束的有限时间输出反馈控制方法，其特征在于，所述非对称的障碍lyapunov函数求导的结果为：

5.根据权利要求4所述的基于buck变换器电压约束的有限时间输出反馈控制方法，其特征在于，所述有限时间状态反馈控制器，具体为：

6.根据权利要求5所述的基于buck变换器电压约束的有限时间输出反馈控制方法，其特征在于，当x1在约束域内(-θ1,θ2)变化时，及时调节，产生足够的控制作用，将x1从边界拉回，并收敛到平衡点处，使x1始终限制在约束域(-θ1,θ2)内。

7.根据权利要求5所述的基于buck变换器电压约束的有限时间输出反馈控制方法，其特征在于，所述降阶状态观测器为：

8.根据权利要求7所述的基于buck变换器电压约束的有限时间输出反馈控制方法，其特征在于，所述有限时间输出反馈控制器，其输出为：

技术总结
本发明公开了一种基于Buck变换器电压约束的有限时间输出反馈控制方法，针对工作于电感电流连续模式下的Buck变换器，建立其数学模型，并得到误差动态方程；针对输出电压误差，构造非对称的障碍Lyapunov函数并求导，设计输出受限下的有限时间状态反馈控制器；利用Buck变换器的电压信息重构电流信息，设计降阶观测器；将降阶观测器的估计值传递到有限时间状态反馈控制器中，得到输出受限下的有限时间输出反馈控制器；输出电压误差通过有限时间输出反馈控制器生成控制信号，再通过比对控制信号与三角波信号，产生PWM信号，控制可控型开关器件的通断。本发明方法节约成本，避免电路过热及硬件受到损坏，提高系统抗干扰能力。

技术研发人员：梅珂琪,龚瑶,丁世宏
受保护的技术使用者：江苏大学
技术研发日：
技术公布日：2024/12/5