Boost電路具有動態(tài)修正誤差的滑模變結構控制

1、Boost 電路具有動態(tài)修正誤差的滑模變結構控制華南理工大學電子與通信工程系伍言真丘水生陳艷廣州510641摘要：在滑模等價控制的根底上，考慮實際控制中的非理想切換條件以及實際控制量的物理約束，提出了 一種適合Boost電路連續(xù)導通模式CCM的滑模變結構控制算法簡單的新方案。該控制算法依開關工作周期，動態(tài)地對滑模誤差進行修正，將有利于近似地保證系統(tǒng)沿著切換面運動，并可以減少系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差， 到達削弱高頻抖動的目的。對 Boost 電路的起動過程和穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)有擾動變化情況分別進行仿真，得到了與 理論分析一致的結果。 本文提出的控制方案可以減少系統(tǒng)超調，縮短過渡過程時間，改善系統(tǒng)的動態(tài)品質， 并有效地

2、解決滑?？刂浦械母哳l抖動問題，控制系統(tǒng)具有較好的魯棒性。關鍵詞：滑模變結構控制等價控制法 Boost 變換抖動Slide mode Control Scheme for Boost ConverterAbstract:A novel control scheme is presented by using sliding mode control for boost converter operating in continuous conduction modeCCM.Although the non ideal switching condition andphysical constra

3、int of the control are considered on the base of equivalent control, the scheme is still simple. By modifying the sliding mode errors in each switching period, the steady state errors and chattering can be substantially reduced. Simulation results confirm the theoretical analysis and show the improv

4、ement of the converter's start up behavior and lowsensitivity to external perturbation. Keywords:Sliding mode control Equivalent control Boostconverter Chattering1 引言對于非線性系統(tǒng)的控制，滑模變結構控制方法已越來越引起人們的關注12。自 80 年代起，功率電子學專家開始將這種方法用到DC/DC開關變換器的控制中310。滑模變結構控制方法有許多優(yōu)點，如系統(tǒng)的穩(wěn)定性好，魯棒性 Robustness ，表示抵抗參數(shù)變化和擾動的能

5、力強和良好的動態(tài)品質以及控 制容易實現(xiàn)等。但是滑模變結構控制在物理實現(xiàn)時會存在高頻抖動，另外采用等價控制法得到的控制律存 在穩(wěn)定的滑模誤差。為盡可能實現(xiàn)滑動模態(tài)，對滑模控制系數(shù)的選擇很嚴格3 7。為克服滑模控制的這些缺乏， 人們嘗試各種方法，到達消除穩(wěn)態(tài)誤差的目的。 如文獻 8 采用時變切換 面方程；文獻9那么將傳統(tǒng)的PID控制模式巧妙地應用到切換面方程上，得到了只含有輸出電壓誤差一個變量的比例、 微分和積分的線性組合的滑模面方程， 以實現(xiàn)控制輸出電壓的目的； 文獻10 那么采用補償網(wǎng)絡， 對等價控制進行修正， 即所得到新的等價控制中已考慮了補償網(wǎng)絡的影響。 目前尚未見有報道， 在實現(xiàn) DC/

6、DC 開關變換器滑模變結構控制方案時， 考慮削弱高頻抖動的控制方案。 從理論上分析， 引入變結構趨近律 11 ， 將會簡化控制確實定，同時有助于改善系統(tǒng)的品質。但在實際控制中，如何利用變結構趨近律來實現(xiàn)變結 構控制，到達削弱乃至消除抖動的目的，卻很少被利用或涉及到。鑒于此，本文針對 Boost電路工作于CCM模式提出了一種能夠動態(tài)地對滑模誤差進行修正，從而動態(tài) 地補償控制量的大小，到達減少穩(wěn)態(tài)誤差，削弱高頻抖動的控制方案，實現(xiàn)系統(tǒng)一些良好的控制品質。2Boost 電路的滑模變結構控制Boost電路如圖1所示?？刂频哪康氖峭ㄟ^控制有源開關器件的占空比大小，使系統(tǒng)狀態(tài)穩(wěn)定在期望 值Xd 工作點。2

7、.1控制算法Boost電路工作于CCM模式時電路的狀態(tài)方程為：1這里，卩是標量控制量，它是一個開關量。當開關 S閉合時，卩=1；當開關S斷開時，卩=0。設期望工作點為Xd=ldUdT，系統(tǒng)誤差向量為2考慮，這時系統(tǒng)誤差狀態(tài)方程為其中選擇切換函數(shù)5那么系統(tǒng)在切換面S=0上的等價控制為6等價控制是在理想切換條件下實現(xiàn)理想滑模運動。而實際控制中，由于切換器件的慣性，開關延時等非理想切換因素，滑模運動將不會在S=0的切換面上運動，而是在其鄰域內運動。設實際控制為換句話說，引入u是為了修正由于實際系統(tǒng)的非理想因素造成的非理想切換而造成滑動模態(tài)誤差的。代入式3，這時有8顯然，當 u0,那么工0。為滿足滑模

8、到達條件以及改善系統(tǒng)的動態(tài)品質，通過選擇的恰當形式，保證系統(tǒng)到達條件 s.<0成立，以期系統(tǒng)以某種方式趨向 切換面，形成滑動模態(tài)。這里通過引入趨近律119由式8和9，得10因此，Boost電路工作于CCM模式時的滑模變結構控制律原那么上為 11從物理意義上看，相當于電路中的占空比即實際中的大小將受變換器本身物理本質的限制，0,1。2. 2K1、K2系數(shù)的選擇由式10可見， u的大小與K1與K2的系數(shù)有關。理論上，只要K1和K2不小于零，那么滑動模態(tài)將穩(wěn)定。但是 K1 取值過大，那么系統(tǒng)到達切換面的速度將很大，容易引起系統(tǒng)較大幅度的抖動；K1 取值過小，那么控制的過渡過程長。所以，控制的過

9、渡過程與動態(tài)品質的好壞，更多的由系數(shù)K1決定，線性項一K2S只是在一定程度上能緩和系統(tǒng)沖向切換面的速度。希望系統(tǒng)趨近切換面的速度大小能自動根據(jù)由系統(tǒng)狀態(tài) 所確定的 s 距離切換面 s=0 的大小來確定。因此，采用以下方式確定系數(shù)K1 和 K2。由式 9，得12其中，T是Boost變換器的開關工作周期。在第m個開關工作周期，有 13 這里我們強調不同時刻取不同的K1 m值。為使 sm1 =0，那么14為確保 K1m>0,K2 的取值范圍：0< K2<fS152.3 實際控制中的物理約束對 Boost 電路，我們是以占空比作為控制量，它必須受 Boost 電路本身的物理性質的限制

10、。當控制量 的大小超出 0， 1的范圍時，我們必須在控制方案中對控制量的大小加以約束。Boost 電路的直流分析說明，其占空比與其直流解I和U的大小成反比。為提高控制的響應速度，同樣，這里我們采用動態(tài)改變受約束的控制量的大小。16即約束控制量的大小依開關工作周期衰減。綜上所述，我們得到 Boost電路工作于CCM莫式時第m個工作周期的滑模變結構控制律為：3仿真結果取元件參數(shù)為：L=6mH,C=45卩F,R=30 Q ,Ug=37.5V,fS=10kHz，開環(huán)占空比D取0.25。直流分析結果得： U=50V I=2.2A。取期望穩(wěn)定工作點為： Xd=2.250T。取控制參數(shù)：KC=- 1501T

11、,K2=800。分別對Boost 電路的起動過程和其穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)有擾動變化的情況進行仿真研究。圖2是Boost電路采用不同的控制律下起動瞬態(tài)過程，圖3是起動過程的相平面圖， 其中“0是期望工作點 Xd 所在的位置。由圖顯然可以看到采用式6的等價控制作為實際滑?？刂坡蓵r曲線3，系統(tǒng)會存在明顯的穩(wěn)態(tài)誤差，系統(tǒng)最后不會趨向切換面，也不會運動到期望工作點圖3中虛線。而采用式 17的控制算法那么可以很好地解決該問題曲線1 和圖 3中實線 ，并有效地解決滑模控制中的高頻抖動問題。如果式17的控制算法中，控制參數(shù)取常數(shù)，而忽略線性項一K2S,即不采用動態(tài)修正滑模誤差的控制算法時，動態(tài)響應時間會很長，K1的取值會

12、很大。例如當 K1=10000時，起動瞬態(tài)過程如圖 2中ir6O55圖2不同控制下起動瞬態(tài)過程的比擬圖3起動過程相平面圖曲線2所示。電壓降低50%,在后階段輸入電壓的擾動突然由正常電壓升高10%。圖5中，系統(tǒng)在前階段負載的擾動突然由正常負載增加100%，在后階段負載的擾動突然由正常電壓降低50%。從圖中看到，無論系統(tǒng)擾動如何變化，仍然可以保證系統(tǒng)的穩(wěn)定，控制系統(tǒng)具有較好的魯棒性圖4和圖5是考慮系統(tǒng)擾動情況的瞬態(tài)特性曲線。圖4中，系統(tǒng)在前階段輸入電壓的擾動突然由正常4003 He、：-iiF £圖4輸入電壓擾動瞬態(tài)過程圖5負載擾動瞬態(tài)過程4結論在實現(xiàn)滑模變結構控制時必須考慮實際控制中的非理想切換條件以及實際控制量的物理約束。本文提 岀的滑模變結構控制算法簡單，對Boost電路的起動過程和穩(wěn)態(tài)時系統(tǒng)有擾動變化時情況進行仿真，結果說明，本文的