基于模糊时间延时反馈控制的Buck变换器混沌控制方法

摘要

本发明公开了一种基于模糊时间延时反馈控制的Buck变换器混沌控制方法，该方法以Buck变换器为控制对象，利用电压输出vc与自身延迟一定时间的参量之差Δv，通过一个增益作用到混沌系统，使得Buck变换器的电压、电流在有限时间收敛。本发明的方法具有动态响应快，鲁棒性强，电压纹波小的优点，能够有效的控制Buck变换器中的混沌非线性现象，使系统稳定的工作在1‑周期轨道内，从而确保理想的输出质量。

说明书

技术领域

本发明属于Buck变换器混沌控制技术领域，具体涉及一种基于模糊时间延时反馈控制的Buck变换器混沌控制方法。

背景技术

随着科学技术的不断发展及能源转换效率要求的迫切提高，开关电源凭借着高效率转换等优点逐渐取代了线性电源，并在电源家族中起到了重要作用。开关电源是所有用电设备的核心动力，其性能好坏决定了用电设备是否能够安全可靠运行。在电力电子系统实际应用中，经常会出现不明噪声、电磁干扰、次谐波振荡等一些奇异或者不规则的现象，导致系统运行紊乱、工作性能恶化。近二十年的研究表明，电力电子系统的这种行为不能简单地认为是由诸如电路接触不良、寄生参数或输入参数的扰动等原因造成的。它反映了系统本身固有的非线性特性，实际上是由混沌运动产生的。故DC-DC变换器在一定的条件下会出现混沌现象,导致它们的输出达不到理想值,甚至超过误差允许范围,而且电压纹波会大大增加。

Buck变换器作为最典型的DC-DC变换器之一，其混沌现象的产生及控制问题一直是研究的热点。而传统的控制理论已不能满足日益提高的控制性能要求，因此，在混沌理论的基础上，研究相应的非线性控制策略，将处于混沌态的Buck变换器稳定在单周期态上对提高Buck变换器的性能具有重要的意义。

发明内容

本发明解决的技术问题是提供一种基于模糊时间延时反馈控制的Buck变换器混沌控制方法，解决Buck变换器的混沌非线性现象问题。

本发明提供一种基于模糊时间延时反馈控制的Buck变换器混沌控制方法，包括以下步骤：

S1、根据控制系统框图，对DC-DC变换器进行数学建模，得到DC-DC变换器的状态变量的混沌模型；

S2、根据数学模型迭代，在matlab中建立相关模型，然后确定混沌状态DC-DC变换器能量状态，并进行分析；

S3、基于模糊时间延时反馈控制方法，根据时间延时电压误差量，设计模糊控制器，对时间延时τ值进行模糊化，并在此基础上对反馈增益k

S4、根据模糊时间延时反馈方法得到PWM控制信号，并使用该信号对DC-DC变换器进行控制。

进一步地，步骤S1具体包括以下步骤：

S11、将Buck变换器中的电感电流和输出电压均作为状态变量，建立Buck变换器的状态空间模型：

当Buck变换器中的开关管S导通时，状态空间模型具体为：

当Buck变换器中的开关管S关断时，状态空间模型具体为：

式中，i

S12、采用频闪映射的方法，根据状态空间模型建立离散映射模型：

当开关S处于截止状态，系统离散模型为：

当开关S处于导通状态，系统离散模型为：

式中，

进一步地，步骤S1还包括步骤：

S13、根据系统离散映射模型分析Buck变换器中的非线性混沌现象，确定Buck变换器中的混沌状态。

进一步地，步骤S2具体包括以下步骤：

S21、根据加入模糊时间延时反馈控制算法前的系统控制框图，得出此时Buck变换器系统传递函数G

S22、根据加入模糊时间延时反馈控制算法后的系统控制框图，得出此时ΔV

△v

S23、使用谐波分析法分析加入模糊时间延时反馈控制算法前、后的Buck变换器输入电压分岔点的变化情况，以下分别为1-周期态及2-周期态关系式：

1-周期态：

v′

2-周期态：

v′

v′

S24、对1-周期及2-周期态关系式中v

1-周期态：

式中，

2-周期态：

S25、使式(11)中δ→0，得到输入电压分岔点：

考虑到G(s)为低通滤波器，将上式分母近似为一次项分量，则有：

S26、由步骤S23得到，通过改变v

5.根据权利要求1所述的Buck变换器混沌控制方法，其特征在于，步骤S3具体包括以下步骤：

S31、设置模糊控制器，实现在控制过程中优先使用较大反馈增益k

τ＝{NB ZO PB}

式中，NB为T/16，ZO为T/4，PB为T。

S32、联立式(10)与式(11)，确定每个τ值对应的增益k

进一步地，步骤S4具体包括：控制器输出量转化为PWM占空比作用于Buck变换器的功率开关管，进行系统开关管的开通与关断控制，进而控制Buck变换器的运行。

本发明还提供一种基于模糊时间延时反馈控制的Buck变换器混沌控制系统，包括：

建模模块，用于对Buck变换器进行数学建模，得到Buck变换器的状态变量的混沌模型；

采样模块，用于获取混沌模型中，电感电流值及输出电压值；

处理模块，用于根据电感电流值及电感电压值确定时间延时反馈后的电压差值；

控制模块，用于根据模糊时间延时反馈算法得到的PWM控制信号对Buck变换器进行控制。

本发明的有益效果为：

1、本发明采用模糊增益+时间延时反馈混合的控制方法，在不影响Buck变换器其他性能指标的前提下，有效的将处于混沌状态的Buck变换器控制到了1-周期轨道运行，从而消除了混沌现象；

2、传统时间延时反馈方法中存在一个较大反馈增益，会导致混沌状态系统即使加入算法能够回归到稳定状态也会存在较大的电压纹波，模糊增益延时反馈控制法能够通过时间延时量τ来动态选取增益k

3、与传统时间延时反馈控制相比，本发明具有动态响应更小，鲁棒性更强，电压纹波更低的优点。

附图说明

图1为本发明基于模糊增益延时反馈控制的Buck变换器混沌控制系统结构图；

图2为本发明输出电压随输入电压变化的分叉图；

图3a-图3c为本发明处于不同阶段系统的相图；其中，图3a中V

图4a和图4b分别为本发明电感电流和输出电压的完整仿真过程波形图；

图5a和图5b分别为本发明处于混沌状态的Buck变换器电感电流和输出电压波形；

图6a和图6b分别为本发明实施基于模糊增益延时反馈控制后的电感电流和输出电压波形；

图7a和图7b分别为本发明处于混沌状态下的Buck变换器控制前和控制后的相图对比；

图8为本发明系统运行到0.1s时突减一半负载的输入电压扰动时的输出电压波形图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明作进一步的说明：

本发明实施例的基于模糊时间延时反馈控制的Buck变换器混沌控制方法，包括以下步骤：

S1、根据控制系统框图，对DC-DC变换器进行数学建模，得到DC-DC变换器的状态变量的混沌模型；

S2、根据数学模型迭代，在matlab中建立相关模型，然后确定混沌状态DC-DC变换器能量状态，并进行分析；

S3、基于模糊时间延时反馈控制方法，根据时间延时电压误差量，设计模糊控制器，对时间延时τ值进行模糊化，并在此基础上对反馈增益k

S4、根据模糊时间延时反馈方法得到PWM控制信号，并使用该信号对DC-DC变换器进行控制。

其中，基于模糊增益延时反馈控制的Buck变换器混沌控制系统结构图如图1所示，具体过程为：

步骤1，以Buck开关变换器为实际对象，以电感电流i

根据工作原理建立系统状态空间模型：

采用闪频映射的方法建立系统离散映射模型：

当开关S处于截止状态，系统离散模型为：

当开关S处于导通状态，系统离散模型为：

式中：

其中，i

步骤2，基于变换器的状态空间模型和离散映射模型，分别通过分叉图、相图等动力学分析方法来分析直流降压Buck变换器中的非线性混沌现象。电感电流随参考电流变化的分叉图、相图如图2、图3所示，处于混沌状态的相图如图7所示。

步骤3，根据加入控制算法前的系统控制框图，得出此时Buck变换器系统传递函数G

步骤4，加入模糊时间延时反馈控制算法后，根据系统控制框图，可以得出此时ΔV

△v

步骤5，使用谐波分析法分析引入控制前、后的Buck变换器输入电压分岔点的变化情况，以下分别为一周期态及二周期态关系式。

1-周期态：

v′

2-周期态：

v′

v′

步骤6，对1-周期及2-周期中v

1-周期态：

其中，

2-周期态：

其中：

步骤7，使式(11)中δ→0，可以得出输入电压分岔点(也就是1-周期与2-周期的临界点)。

考虑到G(s)为低通滤波器，可以将上式分母近似为一次项分量，有：

从上式可以看出，可以通过改变v

步骤8，设置模糊控制器，实现在控制过程中优先使用较大反馈增益k

τ＝{NB ZO PB}

其中，NB为T/16，ZO为T/4，PB为T。

步骤9，联立式(10)与式(11)可以确定出每个τ值对应的增益k

步骤10，控制器输出量转化为PWM占空比作用于Buck变换器的功率开关管，进行系统开关管的开通与关断控制，进而控制Buck变换器的运行。

选取模糊增益以及时间延时反馈为:T＝0.4ms，

从图4a和图4b中可以看出，处于混沌状态的Buck变换器的电感电流和输出电压纹波很大，并且包含许多谐波。在0.06s时加入基于超扭曲算法的滑模控制，系统迅速退出混沌，输出电压和电感电流均在约2ms后变得稳定，因此我们可以看出系统的动态响应非常快。

处于混沌状态和稳定状态的电感电流和输出电压的放大波形分别如图5和图6所示，相应的相图对比如图7a和图7b所示。从图5-8可以看出，基于模糊增益延时反馈控制策略能有效的将系统的电感电流和输出电压稳定的控制在1-周期轨道上，且电压纹波系数仅为0.008，几乎很小。因此，它可以很好地达到控制混沌的目的。

当系统到达稳态时，在0.1s时，给系统加入2Ω的负载扰动，得到的基于模糊增益延时反馈控制系统的输出电压波形放大图如图8所示。由图可知，对于负载和输入电压的干扰，系统可以快速恢复到稳定状态，系统对负载扰动和输入电压扰动都具有良好的鲁棒性。

总而言之，本发明采用模糊增益延时反馈控制方法，在不影响Buck变换器其他性能指标的前提下，不仅可以很好地控制混沌现象，而且具有动态响应快，鲁棒性强，电压纹波小的优点。

本发明还提供一种基于模糊时间延时反馈控制的Buck变换器混沌控制系统，包括：

建模模块，用于对Buck变换器进行数学建模，得到Buck变换器的状态变量的混沌模型；

采样模块，用于获取混沌模型中，电感电流值及输出电压值；

处理模块，用于根据电感电流值及电感电压值确定时间延时反馈后的电压差值；

控制模块，用于根据模糊时间延时反馈算法得到的PWM控制信号对Buck变换器进行控制。

本领域的技术人员容易理解，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。