Boost变换器的分数阶控制策略研究

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DC-DC变换器是一种重要的电力电子设备,已逐渐被广泛应用于电动汽车、工业仪表、军事等各行业领域,同时也对其性能提出了更高要求。这是由于DCDC变换器通常处于实际复杂多变的工作环境,易受到负载参数变化、内部电路参数时变以及输入电源电压波动等因素影响,致使系统输出不能满足较高性能需求。控制策略是实现DC-DC变换器获得最优性能输出的一个重要关键。因此,研究探寻动、静态性能好及抗干扰能力强的DC-DC变换器控制方法,已成为电力电子技术领域研究的一个重要方面。目前,人们针对DC-DC变换器的控制问题,大都采用电压单闭环控制结构,提出PID控制、滑模控制、自适应控制、模糊控制等诸多整数阶的控制方法,这些方法虽然在一定程度上均能改善变换器的输出性能,但各方法各具优缺点。近年来,人们研究发现分数阶控制相比整数阶控制,能获得更好的系统控制性能和鲁棒性;同时,自抗扰控制技术因其具有不依赖被控对象模型、抗干扰能力强等优点,已在控制工程领域逐渐获得关注和应用。因此,鉴于分数阶控制和自抗扰控制的控制优势,本论文以Boost变换器为研究对象,研究提出了Boost变换器的双闭环分数阶PI控制方法,以及分数阶自抗扰控制方法。1、Boost变换器的双闭环分数阶PI控制方法为提高Boost变换器输出电压的控制性能和抗干扰性,本文提出一种电压环和电流环均采用分数阶比例积分(PI)控制器的双闭环控制方法。该方法在建立的双闭环分数阶PI控制系统数学模型基础上,结合控制系统频域设计理论设计出电流环、电压环的分数阶PI控制器参数,并利用Bode图分析了被控系统的稳定性和鲁棒性。Boost变换器的双闭环分数阶PI控制仿真结果表明:即使在电源电压、负载及期望输出电压的变化条件下,相比双闭环整数阶PI以及电压环分数阶PI、电流环整数阶PI的两种控制情形,该方法能使变换器具有更好的输出电压性能和控制鲁棒性。2、Boost变换器的分数阶自抗扰控制方法鉴于分数阶控制和自抗扰控制的优势,研究提出了一种Boost变换器的分数阶自抗扰复合控制方法。该方法在建立Boost变换器数学模型的基础上,根据带宽法设计出了电流环整数阶自抗扰控制器,在频域条件下设计出了电压环分数阶PI控制器参数,并通过Bode图对系统进行了稳定性和鲁棒性分析。仿真结果表明:即使在输入电压摄动、负载突变以及内部参数时变等复杂工况下,采用分数阶自抗扰控制方法仍可快速跟踪期望输出电压,具有良好的快速响应和抗干扰能力。研究结果为探索高性能的Boost变换器控制策略、提高变换器的电压输出性能和抗干扰能力提供了有用的理论方法参考。
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