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【6h】

基于状态反馈精确线性化的BUCK变换器非线性最优控制研究

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目录

1 绪论

1.1 引言

1.2 开关变换器结构、建模方法以及控制方法研究现状

1.3 课题研究的目的与意义

1.4 论文的主要研究内容

2 状态反馈精确线性化设计原理

2.1 仿射非线性系统

2.2 仿射非线性模型精确线性化设计

2.3非线性最优控制律

2.4 本章小结

3 DC-DC变换器数学建模

3.1 Buck变换器的数学建模分析

3.2 buck变换器仿射非线性系统模型

3.3 Buck变换器仿射非线性系统的特性分析

3.4 本章小结

4 Buck变换器基于状态反馈精确线性化的非线性最优控制

4.1 Buck变换器精确线性化模型设计

4.2 Buck变换器非线性最优控制算法的实现

4.3 本章小结

5 Buck变换器非线性最优控制的仿真研究

5.1 恒定输入恒定负载下的系统仿真

5.2 变输入恒定负载下的系统仿真

5.3 恒定输入变负载下的系统仿真

5.4 变输入变负载下的系统仿真

5.5 本章总结

6 总结与展望

致谢

参考文献

附录

A. 攻读硕士学位期间申请发明专利2项

B. 攻读硕士学位期间参与的项目

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摘要

开关电源以其独有的工作特点:效率高、占用空间小、重量轻等的这些优势,在航空航天、通信、计算机等各个领域得到了广泛的应用。开关变换器是开关电源的核心,因此对开关变换器的研究一直是国内外研究的热点[1],其中开关电源变换器的建模和控制方法的研究是当今研究的热点之一。从开关电源变换器的工作特点分析,开关电源变换器具有很强时变非线性特性[2],若是用以前的线性控制方法对开关电源分析控制是难以保证开关电源所有工作点都能处在一个稳定的状态,即很难达到系统的全局稳定。
  因此,本文研究了对buck型变换器的建模方法。文章通过定义开关变换器的占空比D为控制输入控制变量;同时通过定义开关变换器通断的脉冲函数u(t),引入脉冲模型积分法对系统建模。分析研究表明,该建模方法保留其系统的非线性,实验结果表明了这种建模方法的正确性和可行性。
  文章以脉冲积分法建立的buck型变换器系统模型为研究对象。通过引入李导数精确线性化理论基础,对该buck型变换器系统模型进行精确线性化分析,为对该系统进行精确线性化处理提供进一步依据和论证。最后通过以上理论支撑,通过李导数线性化理论将原系统处理得到系统的精确线性化模型。
  文章以buck型变换器系统的精确线性化系统为研究基础,通过引入二次型性能指标和无源性理论,提出了一种二次性能指标,并构造了一种无源性能量函数,从而推导出加权矩阵Q;然后再利用二次型最优控制理论推导出系统的非线性最优控制律,得到系统的最优控制算法。实验结果表明这种控制算法在Buck型变换器中具有较好的鲁棒性和稳定性。
  通过Matlab仿真软件搭建系统仿真模型,针对设计的最优控制器建立模型仿真。本章中对buck型变换器做了以下仿真分析:其中包括对原系统的开环闭环仿真分析、非线性最优控制系统设计下的恒定输入,输入扰动(变输入)、负载扰动情况下的仿真分析。仿真分析表明,该控制算法具有较强的鲁棒性,同时也证明了该非线性控制算法的可行性。

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