一种船舶变换器的优化控制方法设计与分析

1、一种船舶变换器的优化控制方法设计与分 析 作者：姚东红，刘连超来源：机电信息 2015 年第 27 期姚东红 刘连超（海军 91370 部队，福建 福州 350014 ）摘要：针对船舶 Buck 变换器电路的内部机理建立了数学模型，设计了基于输入 / 输出线性 化的方法，得到了定频PWM滑模控制器。考虑到电路受外部干扰以及参数摄动带来的不确定性，采用RBF神经网络对电路未知量进行估计，提高了系统的抗干扰能力。仿真结果表明，设计的 控制器在标称情况下和在存在外界干扰以及参数摄动的情况下，都能较好地稳定在期望值上， 体现了较强的鲁棒性。关键词：船舶Buck变换器；PWM输入/输岀线性化；神经滑模0

2、 引言滑模变结构控制由于算法简单、鲁棒性好和可靠性高而被广泛应用于运动控制中，尤其被 用于可建立精确数学模型的确定性控制系统中1。它的思想是确定切换函数，使系统先运行到滑模面上后做滑模运动，最终使系统稳定下来。由于切换函数的选择一般是关于系统状态变 量的函数，且滑动模态可自行选择，故采用滑模控制对参数变化及扰动不灵敏。相比线性控制 技术，滑模控制技术更适合用于开关变换器的控制，可克服开关变换器的周期性时变特性2-4，从而改善变换器的瞬态和稳态品质。功率变换器在工作过程中受开关控制量的控制，在两 个拓扑之间来回切换，从而使系统在两个拓扑结构之间切换，具有变结构的特点。目前采用滑 模控制对开关变换

3、器的控制已取得了一定的实用研究成果5-7 。上述文献大多采用的是滞环调制，其最大的缺点就是运行开关频率不固定，而且对噪声敏 感，给滤波器的设计带来了不便8-10 。本文采用 PWM调制，PWM调制最大的优点就是无论控制占空比的信号如何变化，其输岀脉冲信号的频率都保持不变。文献11针对上述问题，提岀了一种新的定频PWM滑模变结构控制方法一一基于精确反馈线性化的定频 PWM滑模变结构控制，但基于精确线性化的反馈控制对系统参数稳定性具有较 高要求，而实际参数会随温度、压力等的变化而改变。本文在此基础上提岀了基于输入/输岀线性化的神经滑模控制方法，主要用于解决参数摄动对控制性能的影响，以船舶Buck

4、变换器为例进行仿真，仿真结果表明，设计的控制器具有较好的鲁棒性。1 船舶Buck变换器的数学模型船舶 Buck 变换器的电路图如图 1 所示。frit业h殳挠峯丘仝国采用PWM空制，u为PWM勺占空比（OW u< 1）,在 u的控制下，可得到 Buck变换器的状 态平均方程：V- I rTT"ti +T足文戟出严斗枕M =:.剧番醴"可蒯tt&海氓悴窸氏I -f n+i- I tiC2）j=A lx2 输入/输出线性化对于非线性系统，通过适当的反馈变换实现输入/输出反馈线性化，从而将复杂的非线性系统转化为线性系统问题。对于原系统是线性的情况，可以转换为能控标准

5、型的线性系统问题。 相对泰勒级数展开，反馈线性化没有忽略任何高阶非线性项，因此这种变化不仅是精确的，而 且是整体的12。对系统（2）求李导数，可得：所以系统的相对阶数为 2,对系统（2）进行同胚坐标变换 z=h （x），可得以z为状态变 量的系统：ID输岀方程为y=h (x) =z。3 神经滑模控制器设计对系统(3)采用滑模控制，设计滑模切换函数为：s=ce+e ( 4)其中e=z zd，采用趋近率的滑模控制，并选择等速趋近率s = - p sgn ( s),p >0,则可得s =p sgn ( s),所以，滑模控制律为：u=P f (z) /g (z)( 5)在电路运行时，由于受环境的

6、影响，电路会受到外界干扰且参数会发生摄动，表现为L2fh(x )和 LgLfh(x)的不确定性，因此采用式(5)的基于精确化的反馈线性滑模控制效果在电路存在不确定性情况下效果并不理想。利用神经网络的自学习能力，现已证明采用RBF网络可以以任意精度逼近一个非线性函数，采用神经网络滑模控制，可得控制律为：按下式调整网络权值:fillfl< < Lyu?>J'n -ri 找：rj则:所以加入控制器后的航迹控制系统在李氏意义下是渐近稳定的。4 实验及仿真分析根据图1，选取E=20V、R=20、L=27mH C=210y F,期望输岀电压Vd=10V。为了对比分析，选取了三种方

7、法进行控制，分别是本文的神经滑模控制以及精确反馈滑模控制8、常规滑模控制7，对存在不确定性的情况进行仿真，如图2所示。/V 1 |一一 齐-!电路运行时受外界温度等的影响，参数会发生摄动，且输入电压也会存在扰动，本文假定 参数摄动为1.5倍，并在t=10ms时在输入电压上加入5V的脉冲干扰。结果显示，在存在不确定性的情况下，文献 值了，原因在于文献7给岀的切换函数是基于对 望电流id，但实际运行时，由于电路参数的摄动，无法得到 输出电压无法跟踪上期望电压值，如图7 给出的常规滑模控制已经无法跟踪上期望 iL的跟踪，即根据期望输岀电压Vd得到期Vd与id的准确关系，因此得到的 3所示。而本文的控

8、制方法和文献8给岀的精确反馈线性滑模控制的切换函数都是基于对uC的跟踪，因此在存在不确定性的情况下仍能较好地跟踪上，但是由于精确反馈线性化滑模控制对参数的稳定性要求较高，所以最终存在较大的误差， 如图4所示。1B 二 ji a >II- -| -TAIg «li.»厚 I Jl”存宿尸亠|> !5 结语本文以船舶Buck电路为例给出了跟踪期望输出电压的自适应神经滑模控制算法。首先建立船舶Buck电路的数学模型，将其转换为标准的仿射非线性系统，采用基于输入/输岀线性化的神经滑模控制算法，再理论证明控制算法的全局渐近稳定性，最后为了进行对比分析，给出了另外两种常见的

9、控制算法的仿真。针对有无不确定性两种情况进行仿真，结果表明本文提供的 控制算法在性能上优于常规滑模控制和基于精确反馈线性化的滑模控制，具有较强的鲁棒性。参考文献:1刘金琨.滑模变结构控制 MATLAB仿真M.北京：清华大学岀版社， 2005 : 1-3.2Knight J ， Shirsavar S ， Holderbaum W. An improved reliability Cuk basedsolar inverter with sliding mode control J EEE Transactions on PowerElectronics ，2006，21 (4): 1107-1

10、115.3Tan S C， Lai Y M ， Tse C K， et al . A fixed-frequency pulsewidth modulationbased quasi-slid in g-mode con troller for buck con verters J EEE Tran sacti ons onPower Electronics，2005，20 (6): 1379-1392.:4马皓，韩思亮.新型功率放大器时变滑模控制方案研究J .中国电机工程学报，2005，25 ( 11): 55-59.:5尹勇，周祖德，刘泉，等 .基于滑模变结构控制策略的直流斩波器设计J .

11、系统工程与电子技术，2009，31 ( 9): 2177-2180.:6倪雨，许建平.准滑模控制开关 DC-DC变换器分析J.中国电机工程学报，2008，28 (21): 1-6.:7杨苹，吴捷，刘明建，等.DC-DC变换器的滑动模控制及其动态品质 J .华南理工大学学报：自然科学版，2003，31 ( 6): 36-41.:8马红波，冯全源.基于精确反馈线性化的Buck开关变换器定频PWMt模控制J .电力自动化设备，2009，29 ( 8): 28-32. 9 Venkataramanan R ， Sabanoivc A ，C'UK S. Sliding mode control

12、of DC-to-DCcon verters ©/ Proc IEEE Con fl ndustrial Electro nics,Con trol In strume ntati ons（IECON）. San Francisco， USA：IEEE， 1985 ： 251-258.10 Sira-Ramirez H J， Ilic M. A geometric approach to the feedback control ofswitch mode DC-to-DC power suppliesJ.IEEE Transactions on Circuits on Systems1988， 35（10）： 1291-1298.11 Martinez L ， Poveda A， Majo J ， et al. Lie algebras modeling ofbidirectional switching converters