基于离散自适应滑模控制的DC-DC变换器的设计与仿真

基于离散自适应滑模控制的DC-DC变换器的设计与仿真徐恒通;王卫国

【摘要】Aiming at the single-ended forward circuit,this paper presents a control method and simulation method of DC-DC converter under discrete time system. The control part adopts the discrete adaptive sliding mode control algorithm.By analyzing the state equation of the circuit,the control matrix of the adaptive sliding mode control algorithm is obtained,which should apply to the discrete adaptive sliding mode control algorithm. On the basis of theoretical analysis,due to the particularity of digital control switching power supply,Simulink –Saber co-simulation are used to simulate the circuit and adjust the parameters of the control part to fully verify the performance of the discrete adaptive sliding mode controller. The experimental results show that the discrete adaptive control has fast transient response characteristics and good robustness when the system parameters change.%针对单端正激电路,本文提出了一种离散时间系统下的DC-DC转换器的控制方式以及仿真方法.控制部分采用离散自适应滑模控制算法,通过分析电路的状态方程得到自适应滑模控制算法所需的各个控制矩阵,应用这些矩阵配置离散自适应滑模控制算法.在理论分析的基础上,由于数字控制开关电源的特殊性,通过Matlab-Simulink与Synopsys-Saber来对电路对该电路进行联合仿真并对控制部分的参数进行调整,充分验证离散自适应滑模控制器的控制性能.实验结果表明,当系统参数变化时,离散自适应控制具有快速的瞬态响应特性和良好的鲁棒性.【期刊名称】《电子设计工程》

【年(卷),期】2018(026)005

【总页数】5页(P189-193)

【关键词】离散时间系统;自适应滑模控制;单端正激电路;Saber-Simulink联合仿真;鲁棒性

【作者】徐恒通;王卫国

【作者单位】兰州空间技术物理研究所甘肃兰州730000;兰州空间技术物理研究所甘肃兰州730000

【正文语种】中文

【中图分类】TN86

开关电源是一种时变的非线性系统，传统的PID控制器是一种针对精确电路模型的线性控制器，而开关电源往往与其理想模型有差异，当电路参数或外界条件非设计范围时，控制效果不佳甚至不稳定。非线性控制理论中，变结构控制（Variable Structure Control，VSC）是一种根据现在的状态，使系统按照预定的滑动模态的状态轨迹运动，所以又称为变结构控制为滑动模态控制（Sliding Mode Control，SMC），即滑模控制。滑模变结构控制具有稳定范围宽、动态响应快、鲁棒性强、控制实现简单等优点，是所有用于DC-DC变换器的控制策略中鲁棒性最强的控制策略之一。滑模控制技术是设计具有鲁棒性的控制系统的一种有效控制策略，变结构系统的滑模控制具有极高稳定度和快速暂态响应速度[1-4]。数字DC-DC作为离散时间系统，受到控制器所采用的离散趋近律的参数以及采样周期的影响，系统会出现很大的振抖。离散滑模控制应用于双向DC-DC以及反激等拓

扑中[5-6]。自适应滑模控制的设计无需不确定性以及外加干扰的上下界，并且能够有效的避免系统的振抖。除此之外，滑模控制对于PWM控制仍然存在一些问题[7]。近年来，滑模控制已经越来越多的应用到开关电源领域中[8-12]，但是以单纯的Si-mulink对电路进行仿真，只能对相关电路参数进行粗略的配置。

单端正激电路具有电路拓扑结构简单、元减少、工作可靠性高等优点被广泛应用于中小功率的场合[13]。本文设计了一种基于离散滑模自适应控制的单端正激电路，由于数字控制开关电源的难以应用传统方式进行仿真，本文中采用simulink-saber联合仿真对该电路进行仿真以便于对控制部分的参数进行调整，并最终进行了实物验证。

1 离散滑模控制器的结构与原理

理论上，滑模变结构控制主要是针对连续系统，对于离散系统滑模变结构控制不能产生理想的滑动模态只能产生两种准滑动模态。离散滑模切换带[1]：

其中，两种准滑动模态包括有限步到达切换面，然后在其上运动的理想准滑动模态以及在一个定义的切换带内步步穿越切换面的非理想准滑动模态。

设离散的单端正激电路的状态方程为

其中J=[jn…j1],j1=1。

选取自适应离散趋近律：

其中，系统的收敛速度取决于q；与连续滑模控制相应的当s接近于0时，趋近速度为而不是0，可以保证时减少振抖；T为系统的采样周期。当增大qT，同时减小时，可以快速趋近的同时又能减小振抖。

联立式（1）～（4）可得到离散系统的控制律：

2 离散滑模控制器的设计

2.1 离散滑模面的设计

单端正激电路在一个完整周期内的状态方程为[14]：

其中：是变压器二次端的输出电压，Vss是电源的输入电压；iL为瞬时的电感电流；C,L为单端正激变换器的电容和电感；VD是二极管的压降；u为系统的控制向量，表示开关状态，在整个周期内的平均值可以看作占空比。

选择式（6）中两个状态变量作为线性组合滑模面：

其中，Vref为是电源输出的参考电压，iref是瞬时电感电流的参考电流，

iref=k(Vvref-bVO)。

对两个状态变量对时间求导，可以得到形如，

分解两个状态变量对系统对上式进行离散化，得到形如式（2）状态方程。

A=TO+I，B=TP ，D=TQ

其中，I是n阶单位矩阵。

将上述方程代入式（5）可以得到单端正激电路的控制方程ueq。

2.2 离散滑模控制的参数设计方法

对于确定的DC-DC模块，其具有确定的输出参数，诸如功率P（W），输出电压范围Vo（V）。假设电源电压的稳定范围为(Vo-Δv)～(Vo+Δv)，最大输出功率PMAX，通过对输出电压范围的分析可以得到一个输出电流的范围以及负载范围。如图1所示，该图为DC-DC模块的输出伏安特性曲线。

由式（3）可知