Dc-dc變換器離散模型優(yōu)化輸出軌跡的預(yù)測(cè)控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于直流功率變換器控制技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種DC-DC變換器離散模型優(yōu)化 輸出軌跡的預(yù)測(cè)控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002] DC-DC變換器被廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)領(lǐng)域，具有較寬廣的運(yùn)行條件，由于變換器為 存在豐富的線性和非線性現(xiàn)象的混合系統(tǒng)，DC-DC變換器的控制一直被研宄者所重視，特別 是在各種運(yùn)行條件（負(fù)載擾動(dòng)或輸入擾動(dòng)）下對(duì)輸出電壓的調(diào)節(jié)。隨著控制芯片計(jì)算能力 的提高以及對(duì)混合系統(tǒng)控制技術(shù)的發(fā)展，模型預(yù)測(cè)控制（MPC)技術(shù)被引入DC-DC變換器控 制領(lǐng)域。
[0003] 模型預(yù)測(cè)控制已經(jīng)被成功運(yùn)用于工業(yè)過(guò)程控制領(lǐng)域，過(guò)程控制具有緩慢的動(dòng)態(tài)特 性，因此，它能夠提供足夠長(zhǎng)的時(shí)間進(jìn)行優(yōu)化問(wèn)題的在線求解。而DC-DC變換器的采樣周期 非常小，目前控制芯片的計(jì)算能力也還是有限的，因此，DC-DC變換器采用模型預(yù)測(cè)控制時(shí)， 數(shù)學(xué)模型及優(yōu)化問(wèn)題的求解都不能太復(fù)雜。
[0004] 模型預(yù)測(cè)控制的基本原理為：建立控制目標(biāo)函數(shù)，在預(yù)測(cè)區(qū)域進(jìn)行優(yōu)化問(wèn)題規(guī)劃。 在預(yù)測(cè)區(qū)域，利用系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，求解帶約束的目標(biāo)函數(shù)，推導(dǎo)控制輸入。選擇使目標(biāo)函 數(shù)最小的優(yōu)化序列作為控制輸入，獲得最好的系統(tǒng)行為預(yù)測(cè)。在下一個(gè)預(yù)測(cè)區(qū)域，根據(jù)新的 系統(tǒng)測(cè)量值或估計(jì)值，重新進(jìn)行優(yōu)化問(wèn)題求解。但是，現(xiàn)有技術(shù)對(duì)優(yōu)化問(wèn)題的求解計(jì)算量非 常大，因此，模型預(yù)測(cè)控制的主要缺陷是計(jì)算復(fù)雜。
[0005] 目前，在DC-DC變換器模型預(yù)測(cè)控制中采用的設(shè)計(jì)有直進(jìn)式控制策略，這類方法 根據(jù)變換器電感電流的變化斜率進(jìn)行電流預(yù)測(cè)控制，只能適用于電流連續(xù)運(yùn)行的DC-DC變 換器，其中大部分策略只適用于變換器穩(wěn)態(tài)特性調(diào)節(jié)；另有一類考慮了 DC-DC變換器寄生 參數(shù)的直進(jìn)式控制設(shè)計(jì)，雖然能夠進(jìn)行變換器動(dòng)態(tài)特性調(diào)節(jié)，但這種方法需要獲取準(zhǔn)確的 變換器電路寄生參數(shù)；還有一些基于遍歷思想的較復(fù)雜的模型預(yù)測(cè)控制策略被設(shè)計(jì)，這類 控制策略可以針對(duì)變換器的穩(wěn)、動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行調(diào)節(jié)，但優(yōu)化求解的計(jì)算量過(guò)大，只能進(jìn)行離 線計(jì)算，通過(guò)查表法進(jìn)行控制決策，當(dāng)DC-DC變換器工作條件較豐富時(shí)，表容量是過(guò)大的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目的是提供一種DC-DC變換器離散模型優(yōu)化輸出軌跡的預(yù)測(cè)控制方法， 解決了現(xiàn)有技術(shù)中存在的模型預(yù)測(cè)控制計(jì)算量大，不能進(jìn)行在線優(yōu)化；控制策略只適用于 DC-DC變換器的單一運(yùn)行模式；只能為變換器輸出電壓設(shè)定單一的期望值，易引起變換器 啟動(dòng)過(guò)程產(chǎn)生過(guò)沖電壓的問(wèn)題。
[0007] 本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是，一種DC-DC變換器離散模型優(yōu)化輸出軌跡的預(yù)測(cè)控 制方法，具體按照以下步驟實(shí)施：
[0008] 步驟1 :建立DC-DC變換器的簡(jiǎn)化離散預(yù)測(cè)模型；
[0009] 步驟2 :確定離散預(yù)測(cè)模型的穩(wěn)態(tài)電壓、電流特性；
[0010] 步驟3 :確定離散預(yù)測(cè)模型的目標(biāo)函數(shù)
[0011] 根據(jù)離散預(yù)測(cè)模型的電壓、電流特性設(shè)計(jì)目標(biāo)函數(shù)，其中，目標(biāo)函數(shù)中的電壓期望 值為DC-DC變換器實(shí)際電壓期望，目標(biāo)函數(shù)中的電流期望值為預(yù)測(cè)模型的穩(wěn)態(tài)電流值I ref;
[0012] 步驟4 :確定預(yù)測(cè)控制策略，即成。
[0013] 本發(fā)明的有益效果是：
[0014] 1)本發(fā)明基于簡(jiǎn)化離散模型進(jìn)行預(yù)測(cè)控制策略決策，數(shù)學(xué)模型簡(jiǎn)單，直接提供優(yōu) 化控制決策的解析式，優(yōu)化問(wèn)題求解計(jì)算量小，能夠?qū)崿F(xiàn)控制決策在線計(jì)算。
[0015] 2)本發(fā)明中的控制策略不受DC-DC變換器運(yùn)行模式限制，變換器即可單獨(dú)工作于 電流連續(xù)運(yùn)行模式（CCM)，也可單獨(dú)工作于電流斷續(xù)運(yùn)行模式（DCM)，還可工作于CCM和DCM 的混合模式。
[0016] 3)本發(fā)明中的控制策略為DC-DC變換器提供輸出電壓優(yōu)化運(yùn)行軌跡，可避免 DC-DC變換器啟動(dòng)過(guò)程中的電壓過(guò)沖現(xiàn)象。
[0017] 4)本發(fā)明通過(guò)DC-DC變換器對(duì)優(yōu)化輸出電壓軌跡的跟蹤，修正模型簡(jiǎn)化及變換器 線路寄生參數(shù)對(duì)控制誤差的影響，同時(shí)兼顧DC-DC變換器在各種運(yùn)行條件下對(duì)輸出電壓調(diào) 節(jié)的準(zhǔn)確性及快速性。
【附圖說(shuō)明】
[0018] 圖1是本發(fā)明方法采用的控制策略原理示意圖；
[0019] 圖2是DC-DC變換器處于CCM狀態(tài)的電感電流的示意圖；
[0020] 圖3是DC-DC變換器處于DCM狀態(tài)的電感電流的示意圖；
[0021] 圖4為理想Boost變換器的電路拓?fù)鋱D；
[0022] 圖5為負(fù)載變化時(shí)本發(fā)明離散預(yù)測(cè)模型的電壓輸出結(jié)果；
[0023] 圖6為輸入變化時(shí)本發(fā)明離散預(yù)測(cè)模型的電壓輸出結(jié)果；
[0024] 圖7為負(fù)載變化時(shí)DC-DC變換器的電壓輸出結(jié)果；
[0025] 圖8為輸入變化時(shí)DC-DC變換器的電壓輸出結(jié)果。
【具體實(shí)施方式】
[0026] 下面結(jié)合附圖和【具體實(shí)施方式】對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。
[0027] 如圖1所示，本發(fā)明控制策略的方法（原理）是：
[0028] 以DC-DC變換器的開(kāi)關(guān)周期為預(yù)測(cè)周期，在預(yù)測(cè)周期，根據(jù)離散預(yù)測(cè)模型推斷出 使目標(biāo)函數(shù)最小預(yù)測(cè)的控制值d k;將該控制值d k再反饋代入離散預(yù)測(cè)模型，離散預(yù)測(cè)模型 的電壓輸出為DC-DC變換器提供優(yōu)化的輸出運(yùn)行軌跡；
[0029] 根據(jù)優(yōu)化輸出軌跡與DC-DC變換器輸出電壓的偏差ek，采用修正策略獲得修正控 制值△&，對(duì)前述的控制值d k進(jìn)行修正，以消除模型簡(jiǎn)化及系統(tǒng)寄生參數(shù)引起的控制誤差； 修正后的控制決策值dk+ Δ dk被施加于DC-DC變換器中；
[0030] 離散預(yù)測(cè)模型接收DC-DC變換器的輸入電壓采樣，實(shí)時(shí)更新離散預(yù)測(cè)模型中的輸 入電壓值，以消除系統(tǒng)輸入擾動(dòng)；離散預(yù)測(cè)模型接收DC-DC變換器的輸出電壓采樣及輸出 電流采樣，根據(jù)輸出電壓采樣值及輸出電流采樣值實(shí)時(shí)更新離散預(yù)測(cè)模型中的負(fù)載值，以 消除系統(tǒng)負(fù)載擾動(dòng)。
[0031] 本發(fā)明DC-DC變換器離散模型優(yōu)化輸出軌跡的預(yù)測(cè)控制方法，具體按照以下步驟 實(shí)施：
[0032] 步驟1 :建立DC-DC變換器簡(jiǎn)化的離散預(yù)測(cè)模型
[0033] 具體步驟如下：
[0034] I. 1)建立電流連續(xù)運(yùn)行模式下（即CCM模式）DC-DC變換器的離散式，根據(jù)DC-DC 變換器電路運(yùn)行情況，建立DC-DC變換