[发明专利]DC-DC变换器离散模型优化输出轨迹的预测控制方法

说明书

技术领域

本发明属于直流功率变换器控制技术领域，涉及一种DC-DC变换器离散模型优化输出轨迹的预测控制方法。

背景技术

DC-DC变换器被广泛应用于各种工业领域，具有较宽广的运行条件，由于变换器为存在丰富的线性和非线性现象的混合系统，DC-DC变换器的控制一直被研究者所重视，特别是在各种运行条件(负载扰动或输入扰动)下对输出电压的调节。随着控制芯片计算能力的提高以及对混合系统控制技术的发展，模型预测控制(MPC)技术被引入DC-DC变换器控制领域。

模型预测控制已经被成功运用于工业过程控制领域，过程控制具有缓慢的动态特性，因此，它能够提供足够长的时间进行优化问题的在线求解。而DC-DC变换器的采样周期非常小，目前控制芯片的计算能力也还是有限的，因此，DC-DC变换器采用模型预测控制时，数学模型及优化问题的求解都不能太复杂。

模型预测控制的基本原理为：建立控制目标函数，在预测区域进行优化问题规划。在预测区域，利用系统的数学模型，求解带约束的目标函数，推导控制输入。选择使目标函数最小的优化序列作为控制输入，获得最好的系统行为预测。在下一个预测区域，根据新的系统测量值或估计值，重新进行优化问题求解。但是，现有技术对优化问题的求解计算量非常大，因此，模型预测控制的主要缺陷是计算复杂。

目前，在DC-DC变换器模型预测控制中采用的设计有直进式控制策略，这类方法根据变换器电感电流的变化斜率进行电流预测控制，只能适用于电流连续运行的DC-DC变换器，其中大部分策略只适用于变换器稳态特性调节；另有一类考虑了DC-DC变换器寄生参数的直进式控制设计，虽然能够进行变换器动态特性调节，但这种方法需要获取准确的变换器电路寄生参数；还有一些基于遍历思想的较复杂的模型预测控制策略被设计，这类控制策略可以针对变换器的稳、动态特性进行调节，但优化求解的计算量过大，只能进行离线计算，通过查表法进行控制决策，当DC-DC变换器工作条件较丰富时，表容量是过大的。

发明内容

本发明的目的是提供一种DC-DC变换器离散模型优化输出轨迹的预测控制方法，解决了现有技术中存在的模型预测控制计算量大，不能进行在线优化；控制策略只适用于DC-DC变换器的单一运行模式；只能为变换器输出电压设定单一的期望值，易引起变换器启动过程产生过冲电压的问题。

本发明所采用的技术方案是，一种DC-DC变换器离散模型优化输出轨迹的预测控制方法，具体按照以下步骤实施：

步骤1：建立DC-DC变换器的简化离散预测模型；

步骤2：确定离散预测模型的稳态电压、电流特性；

步骤3：确定离散预测模型的目标函数

根据离散预测模型的电压、电流特性设计目标函数，其中，目标函数中的电压期望值为DC-DC变换器实际电压期望，目标函数中的电流期望值为预测模型的稳态电流值I_ref；

步骤4：确定预测控制策略，即成。

本发明的有益效果是：

1)本发明基于简化离散模型进行预测控制策略决策，数学模型简单，直接提供优化控制决策的解析式，优化问题求解计算量小，能够实现控制决策在线计算。

2)本发明中的控制策略不受DC-DC变换器运行模式限制，变换器即可单独工作于电流连续运行模式(CCM)，也可单独工作于电流断续运行模式(DCM)，还可工作于CCM和DCM的混合模式。

3)本发明中的控制策略为DC-DC变换器提供输出电压优化运行轨迹，可避免DC-DC变换器启动过程中的电压过冲现象。

4)本发明通过DC-DC变换器对优化输出电压轨迹的跟踪，修正模型简化及变换器线路寄生参数对控制误差的影响，同时兼顾DC-DC变换器在各种运行条件下对输出电压调节的准确性及快速性。

附图说明

图1是本发明方法采用的控制策略原理示意图；

图2是DC-DC变换器处于CCM状态的电感电流的示意图；

图3是DC-DC变换器处于DCM状态的电感电流的示意图；

图4为理想Boost变换器的电路拓扑图；

图5为负载变化时本发明离散预测模型的电压输出结果；

图6为输入变化时本发明离散预测模型的电压输出结果；

图7为负载变化时DC-DC变换器的电压输出结果；

图8为输入变化时DC-DC变换器的电压输出结果。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。