一种分数阶非奇异终端滑模控制方法及装置

技术领域

本发明涉及DC-DC变换器应用的技术领域，尤其是指一种分数阶非奇异终端滑模控制方法及装置。

背景技术

目前DC-DC变换器广泛应用于直流微网、电动汽车等领域。这类变换器在工业上常用的控制方法是PI控制和PID控制。这些控制方法的鲁棒性较差，存在动态响应速度慢、输出电压误差较大等问题。

滑模控制是一种具有较强鲁棒性的非线性控制方法，具有算法简单、对系统的参数及外界的扰动不敏感等优点。所以滑模控制在工业控制中的应用也逐渐广泛。传统的滑模控制，一般会选择线性滑模面，只能使变换器系统的状态变量渐近收敛而不能在有限时间内达到平衡。而且由于滑模控制自身的特点，变换器系统的输出会出现抖振，抖振会使变换器系统的控制效果变差，甚至会引起变换器系统的硬件损坏。

发明内容

本发明的第一目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种分数阶非奇异终端滑模控制方法，使变换器系统的状态变量在有限时间内达到平衡并缓解滑模控制的抖振问题，使变换器系统在输入电压突变、负载突变等扰动时有更好的动态性能和鲁棒性。

本发明的第二目的在于提供一种分数阶非奇异终端滑模控制装置。

本发明的第一目的通过以下技术方案实现：一种分数阶非奇异终端滑模控制方法，应用于DC-DC变换器，需配置有电压采样模块、电流采样模块、ADC模块和分数阶非奇异终端滑模控制模块，所述电压采样模块采集DC-DC变换器的输出电压信号，所述电流采样模块采集DC-DC变换器的电感电流信号，所述ADC模块将采集的输出电压和电感电流信号转换为数字信号，所述分数阶非奇异终端滑模控制模块用于控制DC-DC变换器开关管的通断状态；

所述分数阶非奇异终端滑模控制方法的具体实施包括以下步骤：

步骤1：通过电压采样模块和电流采样模块分别采集DC-DC变换器的输出电压和电感电流信号，并将采样信号输入ADC模块中；

步骤2：通过ADC模块将采集的输出电压和电感电流信号转换为数字信号，并将数字信号输入到分数阶非奇异终端滑模控制模块中；

步骤3：分数阶非奇异终端滑模控制模块根据输出电压和电感电流的数字信号建立变换器系统的数学模型；

步骤4：依据变换器系统的数学模型进行非线性扰动观测器的设计，利用非线性扰动观测器进行扰动估计；

步骤5：基于扰动估计值和变换器系统的数学模型设计分数阶非奇异终端滑模面，基于分数阶非奇异终端滑模面设计DC-DC变换器系统的控制律，然后依据李雅普诺夫稳定性理论判断系统是否稳定；

步骤6：通过求解DC-DC变换器系统的控制律得到DC-DC变换器开关驱动信号的占空比，输出驱动信号控制DC-DC变换器的开关管通断。

进一步，在步骤3中，建立的变换器系统的数学模型如下：

式中，i

进一步，在步骤4中，非线性扰动观测器设计为

进一步，在步骤5中，分数阶非奇异终端滑模面和DC-DC变换器的控制律设计如下：

将系统误差变量定义为

本发明的第二目的通过以下技术方案实现：一种分数阶非奇异终端滑模控制装置，用于实现上述的分数阶非奇异终端滑模控制方法，该装置由电压采样模块、电流采样模块、ADC模块和分数阶非奇异终端滑模控制模块组成；所述电压采样模块与DC-DC变换器的输出电容两端连接；所述电流采样模块与DC-DC变换器的电感串联；所述ADC模块的输入端分别与电压采样模块和电流采样模块的输出端连接；所述ADC模块的输出端与分数阶非奇异终端滑模控制模块的输入端连接；所述分数阶非奇异终端滑模控制模块的另一端与DC-DC变换器的开关管驱动端连接；所述电压采样模块和电流采样模块分别对输出电压和电感电流进行采样，并将采样信号输入到ADC模块；所述ADC模块将输入的采样信号分别转化为数字信号，并输入分数阶非奇异终端滑模控制模块；所述分数阶非奇异终端滑模控制模块求解控制律得到开关占空比，从而控制DC-DC变换器的开关管导断，实现对DC-DC变换器的控制。

本发明与现有技术相比，具有如下优点与有益效果：

1、传统的滑模控制方法，一般会选择线性的滑模面，而本发明选择了非线性的分数阶非奇异终端滑模面能使变换器系统的状态变量在有限时间内达到平衡。

2、本发明利用了非线性扰动观测器对变换器的输出功率进行估计，所以只需要检测DC-DC变换器的电感电流和输出电压，减少了传感器的使用数量，有利于减小变换器体积和降低成本。

3、本发明还利用了分数阶微分理论对滑模控制中的抖振进行抑制，使变换器系统有更好的动态性能和鲁棒性。

附图说明

图1为本发明实施电路的原理结构图。

图2为本发明实施方法的流程图。

图3为本发明实施具体系统装置电路图。

图4为本发明在输入电压发生变化时输出电压示意图。

图5为本发明在恒功率负载发生变化时输出电压示意图。

图6为本发明在不同控制方法下滑模面抖振幅度对比示意图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

如图1所示，为本实施例提供的分数阶非奇异终端滑模控制装置简示图，该装置由电压采样模块、电流采样模块、ADC模块和分数阶非奇异终端滑模控制模块组成。图3给出了具体装置电路图。带有一种分数阶非奇异终端滑模控制装置的升压型变换器电路，包含输入直流电源、储能电感L、N沟道MOS管、二极管D、输出电容C、负载包括恒功率负载CPL和电阻负载R。控制电路由采样模块、ADC模块、分数阶非奇异终端滑模控制模块组成。主电路具体构造为：输入电源正极连接储能电感L的一端，电感L的另一端与功率二极管阳极，N沟道MOS管的漏极相连。功率二极管的阴极与输出电容C的正极，输出负载的一端相连。而输出负载的另一端则与输出电容的负极、N沟道MOS管的源极、输入电源负极相连；所述电压采样模块与输出电容C两端连接；所述电流采样模块与储能电感L串联；所述ADC模块的输入端分别与电压采样模块和电流采样模块的输出端连接；ADC模块的输出端与分数阶非奇异终端滑模控制模块的输入端连接，所述分数阶非奇异终端滑模控制模块的另一端与升压变换器的开关管驱动端连接；电压采样模块和电流采样模块分别对升压变换器的输出电压和电感电流进行采样，并将采样信号输入到ADC模块；ADC模块将输入的采样信号模拟信号分别转化为数字信号并输入分数阶非奇异终端滑模控制模块；分数阶非奇异终端滑模控制模块求解控制律得到升压变换器的开关驱动信号占空比并产生驱动信号，控制DC-DC变换器的开关管通断。

如图2所示，本实施例提供了一种分数阶非奇异终端滑模控制方法，基于以上装置实现，具体实施如下：

步骤1，通过电压采样模块和电流采样模块分别采集升压变换器的输出电压和电感电流信号并将采样信号输入ADC模块中。

步骤2，通过ADC模块将采集的输出电压和电感电流信号转换为数字信号并将数字信号输入到分数阶非奇异终端滑模控制模块中。

步骤3，根据输出电压和电感电流信号建立变换器系统的数学模型，如下：

其中，i

对上式求导得到：

引入状态变量x

R

过程控制律v和不确定扰动d

因此，升压变换器系统的数学模型式变换为：

步骤4，依据变换器系统的数学模型进行非线性扰动观测器的设计，利用非线性扰动观测器进行扰动估计。

非线性扰动观测器设计为：

其中，z

将系统误差变量定义为：

其中，

其中，c

步骤5，基于扰动估计值和变换器系统的数学模型设计分数阶非奇异终端滑模面，基于分数阶非奇异终端滑模面设计DC-DC变换器系统的控制律，然后依据李雅普诺夫稳定性理论判断系统是否稳定。

可以设计分数阶非奇异终端滑模面为：

其中，

其中，

对李雅普诺夫函数求导后代入上式得：

其中，

步骤6，通过上述设计的控制律v以及公式

为验证所提方法的有效性，本发明对升压型变换器中应用分数阶非奇异终端滑模控制方法进行了仿真实验。仿真初始条件为L＝1mH，C＝1000uF，V

图4是当输入电压在0.2秒时由V

图5是当恒功率负载在0.5秒时由7.8W突增到14.7W，然后在0.6s时从14.7W降低到10.8W的输出电压示意图。从仿真结果来看两种控制方法下的变换器系统输出电压值可以在恒功率负载变化后快速稳定并达到期望值。不难看出本发明的控制方法比反步滑模控制方法过冲小、恢复时间短、稳态误差小。

图6是变换器系统稳态时在两种控制方法下滑模面抖振的示意图。不难看出本发明所提出的分数阶非奇异终端滑模控制方法的抖振幅值明显小于现有的反步滑模控制方法。证明了利用分数阶微积分理论能有效缓解滑模控制的抖振问题，进一步地提高变换器系统的鲁棒性。本发明所设计的控制方法对DC-DC变换器系统具有较好的控制效果，使变换器系统在输入电压或负载扰动时输出电压能稳定在期望输出电压值。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。