本發(fā)明屬于純電動汽車dc-dc變換器，具體涉及一種基于buck變換器電壓約束的有限時間輸出反饋控制方法。

背景技術：

1、buck變換器因其高效率轉化和成本低的特點，被廣泛應用在電動汽車系統(tǒng)、光伏系統(tǒng)、燃料電池系統(tǒng)、直流輸電等領域。由于變換器是非光滑、非線性的時變系統(tǒng)，一方面，容易受到電壓攝動、負載跳變等系統(tǒng)外部因素的影響，另一方面，建模誤差、寄生電感、寄生電容等系統(tǒng)內(nèi)部因素也會造成系統(tǒng)不穩(wěn)和性能不足等問題，因此如何在存在干擾的情況下快速穩(wěn)定電壓，具有重要的實際意義。

2、與漸近穩(wěn)定的控制方法相比，在外界干擾不存在的理想情況下，有限時間控制方法能在有限時間達到穩(wěn)定，并且跟蹤精度更高、抗干擾性能更強。在實際情況中，外界干擾不可避免，但是，由于分數(shù)節(jié)冪項的存在，該方法仍能達到令人滿意的效果，因此得到了眾多國內(nèi)外研究者的關注。

3、一般來說，包括有限時間控制方法在內(nèi)的大多數(shù)非線性控制結果都是基于全狀態(tài)反饋的。設計狀態(tài)反饋控制器需要電壓和電流信息，這些信息由電壓和電流傳感器測量，其中電流的測量一般采用基于霍爾效應的電流傳感器。然而，這種電流傳感器存在以下問題：(1)盡管可以使用低通濾波器，但由于傳感器對測量噪聲高度敏感，導致電流測量結果不精確；(2)使用電流傳感器的附加電路會造成功率損耗；(3)電流傳感器的高成本大大增加了控制器的設計成本；(4)當電流傳感器在高溫和大電流環(huán)境中，易出現(xiàn)過熱現(xiàn)象，最終導致其失效。

4、另外，變換器對電壓響應速度的要求越來越高，如果沒有限制，很容易損壞電路硬件。保護電路的傳統(tǒng)方法是在硬件電路中增加限流器，但提高了成本，轉換效率也會降低。此外，在復雜變換器系統(tǒng)中，傳統(tǒng)采用pid控制方法進行電路保護，其參數(shù)調(diào)整往往過于復雜，阻礙了性能的優(yōu)化。

技術實現(xiàn)思路

1、針對現(xiàn)有技術中存在不足，本發(fā)明提供了一種基于buck變換器電壓約束的有限時間輸出反饋控制方法。

2、本發(fā)明是通過以下技術手段實現(xiàn)上述技術目的的。

3、一種基于buck變換器電壓約束的有限時間輸出反饋控制方法：

4、s1，針對工作于電感電流連續(xù)模式下的buck變換器，采用狀態(tài)空間平均法建立其數(shù)學模型，由buck變換器數(shù)學模型，令輸出電壓誤差e＝x1＝vo-vr，得到buck型變換器系統(tǒng)的誤差動態(tài)方程；其中，vo表示輸出電壓，vr表示參考輸出電壓；

5、s2，針對輸出電壓誤差，構造非對稱的障礙lyapunov函數(shù)；

6、s3，由非對稱的障礙lyapunov函數(shù)求導的結果，利用反步法設計輸出受限下的有限時間狀態(tài)反饋控制器；

7、s4，利用工作于電感電流連續(xù)模式下的buck變換器的電壓信息重構電流信息，設計降階狀態(tài)觀測器；

8、s5，將s4得到的估計值傳遞到所述有限時間狀態(tài)反饋控制器中，得到輸出受限下的有限時間輸出反饋控制器；

9、s6，將電路中的輸出電壓vo與參考輸出電壓vr的差值x1通過誤差放大器放大，然后通過有限時間輸出反饋控制器生成控制信號，再通過pwm發(fā)生器比對控制信號與三角波信號，產(chǎn)生pwm信號，控制buck變換器系統(tǒng)中可控型開關器件s的通斷。

10、進一步地，所述buck變換器數(shù)學模型為：

11、

12、令輸出電壓誤差e＝x1＝vo-vr，得到buck型變換器系統(tǒng)的誤差動態(tài)方程：

13、

14、其中，vo、il、c、l、r、vin分別是buck變換器拓撲結構中的輸出電壓、電感電流、電容、電感、負載阻值和輸入電壓，u為buck變換器系統(tǒng)輸入，代表占空比信號。

15、更進一步地，所述非對稱的障礙lyapunov函數(shù)，具體為：

16、

17、其中，θ1、θ2分別為下約束和上約束，中間量滿足如下關系：

18、

19、更進一步地，所述非對稱的障礙lyapunov函數(shù)求導的結果為：

20、

21、中間量

22、更進一步地，所述有限時間狀態(tài)反饋控制器，具體為：

23、

24、其中，α2(x1)為正函數(shù)，δ為正常數(shù)，中間量ε2滿足如下關系：

25、

26、其中，α1(x1)為一個正函數(shù)，是一個虛擬控制器。

27、更進一步地，當x1在約束域內(nèi)(-θ1,θ2)變化時，及時調(diào)節(jié)，產(chǎn)生足夠的控制作用，將x1從邊界拉回，并收斂到平衡點處，使x1始終限制在約束域(-θ1,θ2)內(nèi)。

28、更進一步地，所述降階狀態(tài)觀測器為：

29、

30、其中，為x2的估計值，z為一個輔助變量，m(x1)滿足g(x1)表示增益函數(shù)。

31、更進一步地，所述有限時間輸出反饋控制器，其輸出為：

32、

33、本發(fā)明具有的有益效果為：

34、(1)本發(fā)明在構造非對稱的障礙lyapunov函數(shù)時，當系統(tǒng)狀態(tài)x1接近約束邊界時，障礙lyapunov函數(shù)將接近無窮大，此時，在有限時間狀態(tài)反饋控制器的作用下，x1始終被限制在約束邊界內(nèi)。因此，利用障礙lyapunov函數(shù)來處理輸出約束問題，可以在不增加計算負擔的情況下達到良好的控制效果。

35、(2)本發(fā)明通過構造非對稱的障礙lyapunov函數(shù)和輸出受限下的有限時間狀態(tài)反饋控制器，進而設計含輸出約束的有限時間輸出反饋控制器，實現(xiàn)輸出電壓的有效約束，保護電路，避免電路硬件受到損壞；本發(fā)明有限時間輸出反饋控制器，與狀態(tài)反饋相比，不利用電流觀測器，而是利用電壓信息重構電流信息，節(jié)約成本，不會造成功率損耗，避免過熱現(xiàn)象，并提高系統(tǒng)抗干擾能力。

技術特征：

1.一種基于buck變換器電壓約束的有限時間輸出反饋控制方法，其特征在于：

2.根據(jù)權利要求1所述的基于buck變換器電壓約束的有限時間輸出反饋控制方法，其特征在于，所述buck變換器數(shù)學模型為：

3.根據(jù)權利要求2所述的基于buck變換器電壓約束的有限時間輸出反饋控制方法，其特征在于，所述非對稱的障礙lyapunov函數(shù)，具體為：

4.根據(jù)權利要求3所述的基于buck變換器電壓約束的有限時間輸出反饋控制方法，其特征在于，所述非對稱的障礙lyapunov函數(shù)求導的結果為：

5.根據(jù)權利要求4所述的基于buck變換器電壓約束的有限時間輸出反饋控制方法，其特征在于，所述有限時間狀態(tài)反饋控制器，具體為：

6.根據(jù)權利要求5所述的基于buck變換器電壓約束的有限時間輸出反饋控制方法，其特征在于，當x1在約束域內(nèi)(-θ1,θ2)變化時，及時調(diào)節(jié)，產(chǎn)生足夠的控制作用，將x1從邊界拉回，并收斂到平衡點處，使x1始終限制在約束域(-θ1,θ2)內(nèi)。

7.根據(jù)權利要求5所述的基于buck變換器電壓約束的有限時間輸出反饋控制方法，其特征在于，所述降階狀態(tài)觀測器為：

8.根據(jù)權利要求7所述的基于buck變換器電壓約束的有限時間輸出反饋控制方法，其特征在于，所述有限時間輸出反饋控制器，其輸出為：

技術總結
本發(fā)明公開了一種基于Buck變換器電壓約束的有限時間輸出反饋控制方法，針對工作于電感電流連續(xù)模式下的Buck變換器，建立其數(shù)學模型，并得到誤差動態(tài)方程；針對輸出電壓誤差，構造非對稱的障礙Lyapunov函數(shù)并求導，設計輸出受限下的有限時間狀態(tài)反饋控制器；利用Buck變換器的電壓信息重構電流信息，設計降階觀測器；將降階觀測器的估計值傳遞到有限時間狀態(tài)反饋控制器中，得到輸出受限下的有限時間輸出反饋控制器；輸出電壓誤差通過有限時間輸出反饋控制器生成控制信號，再通過比對控制信號與三角波信號，產(chǎn)生PWM信號，控制可控型開關器件的通斷。本發(fā)明方法節(jié)約成本，避免電路過熱及硬件受到損壞，提高系統(tǒng)抗干擾能力。

技術研發(fā)人員：梅珂琪,龔瑤,丁世宏
受保護的技術使用者：江蘇大學
技術研發(fā)日：
技術公布日：2024/12/5