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广西大学——基于滑模控制的恒功率负载降压变换器客观全息反馈线性化 | MDPI Electronics 精选

已有 3079 次阅读 2024-5-14 18:06 |个人分类:学术软文|系统分类:论文交流

该篇发表在 Electronics 期刊的文章是针对在带有恒定功率负载 (CPL) 的条件下,如何有效控制降压转换器系统稳定性的研究。作者团队来自中国广西大学电气工程学院,当电阻性负载大于CPL时,以输出电压为输出函数的降压转换器系统表现为非最小相位非线性系统,因为其线性近似中含有右半平面极点,这限制了多种控制技术的应用。传统目标全息反馈线性化 (OHFLC) 方法在设计控制器时通常采用最优二次线性设计法来获得线性反馈控制律,但要求找到一个具有与系统一阶相对度数的状态变量,而在实际应用中寻找这样的合适状态变量并不容易。

为此,本文创新地将滑模控制理论应用于设计控制器,使得不同相对阶数的状态变量能够在全息反馈线性化过程中得到利用。通过设计不同的滑模面,能够解决初始非线性控制率问题,并不再局限于使用一阶相对度数的状态变量。文中理论分析表明,在该改进型OHFLC策略下系统的跟踪性能和稳定性得到了保证,并通过仿真和实验验证了这种方法相对于传统OHFLC方法至少同样出色,甚至在动态响应性能和鲁棒性方面表现更优。研究结果对于提高含有CPL的降压转换器系统的稳定性和效率具有重要意义。

    

研究过程与结果

文章首先介绍DC-DC转换器在诸如DC微电网、电动汽车和便携式电子设备等多种领域中的广泛应用,并特别关注了具有恒定功率负载 (CPL) 时,降压转换器系统稳定性受到的影响。由于CPL的负阻抗特性,尤其是当与电阻性负载并联时,可能引发系统不稳定,表现为输出振荡和大信号稳定性的丧失。为解决这一问题,作者回顾了几种传统的应对策略,包括被动阻尼技术、主动阻尼控制方法,以及滑模控制和模型预测控制等非线性控制手段。这些方法虽能改善系统稳定性,但存在局限性和不足之处,如增加尺寸、降低效率、引入抖动和对噪声敏感等问题。

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基于SMC的OHFL降压变换器闭环控制框图。

然后,文章提出了一种基于目标全息反馈线性化的改进方法,结合滑模控制理论设计适用于带有混合负载 (CPL和电阻负载) 的降压转换器控制器。传统OHFLC方法要求找到一个与系统具有一阶相对度数的状态变量来实现线性化反馈控制,而本文提出的改良方案则通过设计不同的滑模面,允许利用不同相对阶数的状态变量进行系统的非线性控制律设计,从而绕过了一阶相对度数的限制。为了具体实施这种方法,研究者首先简化了降压转换器的系统模型,并建立了布鲁诺斯基规范形式以方便后续分析和控制设计。他们定义了状态向量及其参考值,并推导出连续导电模式下的状态方程,进而确定各输出状态变量相对于系统的相对度数。

文章通过构建偏差状态向量,设定最终控制目标为偏差趋于零,并采用改进型OHFLC方法设计控制器,以确保系统的跟踪性能和稳定性。研究结果经过仿真和物理实验验证,证明了该方法相较于传统OHFLC方法在动态响应和鲁棒性方面表现优异或至少相当。

     

研究总结

本文研究了一种针对降压转换器系统中带有恒定功率负载 (CPL) 和电阻负载的非线性控制策略,即基于滑模控制的目标全息反馈线性化方法。当CPL与电阻负载并联时,会引发系统不稳定,尤其在特定条件下表现为非最小相位特性,传统OHFLC方法受限于需要找到与系统具有一阶相对度数的状态变量进行线性化设计。文章创新地提出改进型OHFLC方法,利用滑模控制原理设计控制器,允许选择具有不同相对阶数的状态变量进行全息反馈线性化处理,从而解决非线性控制难题,确保系统稳定性和各状态量的精确跟踪性能。通过简化降压转换器模型并构建布鲁诺斯基规范形式,研究确定了输出状态变量的相对阶数,并基于此设计了相应的控制算法。本文通过仿真和实验验证,新提出的控制策略展现出与传统OHFLC方法相当甚至更优的动态响应性能和鲁棒性,有效解决了由CPL导致的系统稳定性问题,提升了电力电子系统在复杂工况下的运行品质。

      

原文来自 Electronics 期刊

Li, J.; Pi, B.; Zhou, P.; Li, J.; Dong, H.; Chen, P. An Objective Holographic Feedback Linearization Based on a Sliding Mode Control for a Buck Converter with a Constant Power Load. Electronics 2023, 12, 3976. https://www.mdpi.com/2489364

    

Electronics 期刊介绍

主编:Flavio Canavero, Politecnico di Torino, Italy

期刊涵盖的研究包括但不限于以下领域:电子材料、微电子学、光电子学、工业电子、电力电子、生物电子、微波和无线通信、计算机科学与工程、系统与控制工程、电路和信号处理、半导体器件、人工智能、电动和自动驾驶汽车、量子电子等。期刊致力于快速发表与广泛电子领域相关的、最新的技术突破以及前沿发展。

2022 Impact Factor:2.9

2022 CiteScore:4.7  

Time to First Decision:15.6 Days 

Acceptance to Publication:2.6 Days

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