基于LPV模型的DC/DC变换器的鲁棒H∞控制器设计

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随着控制技术的完善和发展,众多学者对DC/DC变换器的控制方法进行了研究,线性控制方法如PI和PID控制,已经广泛的应用到了实际系统中,但系统存在动态响应慢、控制效果差、控制特性不易优化等缺点。此外单周控制、滑模变结构控制、自适应控制、LQ和LQG等更先进的控制方法也得到了应用,然而上述方法对于系统的快速性和抗干扰能力以及系统参数变化的鲁棒性不够理想,或控制过程存在高频抖振现象甚至使得系统不能保持稳定。从本质上讲,DC/DC变换器是一个非线性多变量系统,应该在非线性控制理论的基础上研究其控制策略,近年来,随着鲁棒控制的发展,线性变参数(LPV)控制得到了迅速的发展并在处理非线性系统上取得了一些成果,本文据此提出了一种将闭环极点配置到满足动态响应区域内的鲁棒H∞控制器设计方法,以解决系统稳定性和动态响应的问题。利用LPV的凸分解方法,将不确定和时变的系统模型化为具有凸多面体结构的LPV多胞型模型,然后采用线性矩阵不等式(LMI)方法对系统设计满足H∞性能和闭环极点要求的反馈控制器。本论文的主要工作如下:第一,比较了以前的论文对于DC/DC控制器设计的各种方法,并总结了各自的优缺点,介绍了鲁棒控制理论和LMI技术的发展情况,并在此基础上提出了本文采用的设计方法,论述了该方法的目的和意义。第二,对设计中用到的相关概念和理论进行了介绍,重点介绍了LMI技术及区域极点配置和鲁棒控制理论的实质,通过掌握的这些理论,得出系统满足指定H∞性能同时考虑极点配置使系统具有合理的衰减度、阻尼特性及调整时间的情况下的LMI方程。第三,对非线性的DC/DC系统利用状态空间平均法进行建模,重点对Buck电路进行了分析,引入新的状态变量表示参考值与实际输出值的误差的积分,采用了适当的方法对系统的小信号模型进行线性化,最后利用LPV模型来表示不确定的时变系统。最后,比较了本文设计的H∞控制器与传统的PID控制器,Matlab的仿真结果表明H∞控制器可以使系统具有良好的动态性能以及稳定性,同时当负载变化、外界干扰和系统结构参数发生变化时仍能保持鲁棒性,而传统控制器却不能得到相同的控制效果,系统表现的性能相对较差。
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