Dc-dc变换器离散模型优化输出轨迹的预测控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于直流功率变换器控制技术领域，涉及一种DC-DC变换器离散模型优化 输出轨迹的预测控制方法。
【背景技术】
[0002] DC-DC变换器被广泛应用于各种工业领域，具有较宽广的运行条件，由于变换器为 存在丰富的线性和非线性现象的混合系统，DC-DC变换器的控制一直被研宄者所重视，特别 是在各种运行条件（负载扰动或输入扰动）下对输出电压的调节。随着控制芯片计算能力 的提高以及对混合系统控制技术的发展，模型预测控制（MPC)技术被引入DC-DC变换器控 制领域。
[0003] 模型预测控制已经被成功运用于工业过程控制领域，过程控制具有缓慢的动态特 性，因此，它能够提供足够长的时间进行优化问题的在线求解。而DC-DC变换器的采样周期 非常小，目前控制芯片的计算能力也还是有限的，因此，DC-DC变换器采用模型预测控制时， 数学模型及优化问题的求解都不能太复杂。
[0004] 模型预测控制的基本原理为：建立控制目标函数，在预测区域进行优化问题规划。 在预测区域，利用系统的数学模型，求解带约束的目标函数，推导控制输入。选择使目标函 数最小的优化序列作为控制输入，获得最好的系统行为预测。在下一个预测区域，根据新的 系统测量值或估计值，重新进行优化问题求解。但是，现有技术对优化问题的求解计算量非 常大，因此，模型预测控制的主要缺陷是计算复杂。
[0005] 目前，在DC-DC变换器模型预测控制中采用的设计有直进式控制策略，这类方法 根据变换器电感电流的变化斜率进行电流预测控制，只能适用于电流连续运行的DC-DC变 换器，其中大部分策略只适用于变换器稳态特性调节；另有一类考虑了 DC-DC变换器寄生 参数的直进式控制设计，虽然能够进行变换器动态特性调节，但这种方法需要获取准确的 变换器电路寄生参数；还有一些基于遍历思想的较复杂的模型预测控制策略被设计，这类 控制策略可以针对变换器的稳、动态特性进行调节，但优化求解的计算量过大，只能进行离 线计算，通过查表法进行控制决策，当DC-DC变换器工作条件较丰富时，表容量是过大的。
【发明内容】
[0006] 本发明的目的是提供一种DC-DC变换器离散模型优化输出轨迹的预测控制方法， 解决了现有技术中存在的模型预测控制计算量大，不能进行在线优化；控制策略只适用于 DC-DC变换器的单一运行模式；只能为变换器输出电压设定单一的期望值，易引起变换器 启动过程产生过冲电压的问题。
[0007] 本发明所采用的技术方案是，一种DC-DC变换器离散模型优化输出轨迹的预测控 制方法，具体按照以下步骤实施：
[0008] 步骤1 :建立DC-DC变换器的简化离散预测模型；
[0009] 步骤2 :确定离散预测模型的稳态电压、电流特性；
[0010] 步骤3 :确定离散预测模型的目标函数
[0011] 根据离散预测模型的电压、电流特性设计目标函数，其中，目标函数中的电压期望 值为DC-DC变换器实际电压期望，目标函数中的电流期望值为预测模型的稳态电流值I ref;
[0012] 步骤4 :确定预测控制策略，即成。
[0013] 本发明的有益效果是：
[0014] 1)本发明基于简化离散模型进行预测控制策略决策，数学模型简单，直接提供优 化控制决策的解析式，优化问题求解计算量小，能够实现控制决策在线计算。
[0015] 2)本发明中的控制策略不受DC-DC变换器运行模式限制，变换器即可单独工作于 电流连续运行模式（CCM)，也可单独工作于电流断续运行模式（DCM)，还可工作于CCM和DCM 的混合模式。
[0016] 3)本发明中的控制策略为DC-DC变换器提供输出电压优化运行轨迹，可避免 DC-DC变换器启动过程中的电压过冲现象。
[0017] 4)本发明通过DC-DC变换器对优化输出电压轨迹的跟踪，修正模型简化及变换器 线路寄生参数对控制误差的影响，同时兼顾DC-DC变换器在各种运行条件下对输出电压调 节的准确性及快速性。
【附图说明】
[0018] 图1是本发明方法采用的控制策略原理示意图；
[0019] 图2是DC-DC变换器处于CCM状态的电感电流的示意图；
[0020] 图3是DC-DC变换器处于DCM状态的电感电流的示意图；
[0021] 图4为理想Boost变换器的电路拓扑图；
[0022] 图5为负载变化时本发明离散预测模型的电压输出结果；
[0023] 图6为输入变化时本发明离散预测模型的电压输出结果；
[0024] 图7为负载变化时DC-DC变换器的电压输出结果；
[0025] 图8为输入变化时DC-DC变换器的电压输出结果。
【具体实施方式】
[0026] 下面结合附图和【具体实施方式】对本发明进行详细说明。
[0027] 如图1所示，本发明控制策略的方法（原理）是：
[0028] 以DC-DC变换器的开关周期为预测周期，在预测周期，根据离散预测模型推断出 使目标函数最小预测的控制值d k;将该控制值d k再反馈代入离散预测模型，离散预测模型 的电压输出为DC-DC变换器提供优化的输出运行轨迹；
[0029] 根据优化输出轨迹与DC-DC变换器输出电压的偏差ek，采用修正策略获得修正控 制值△&，对前述的控制值d k进行修正，以消除模型简化及系统寄生参数引起的控制误差； 修正后的控制决策值dk+ Δ dk被施加于DC-DC变换器中；
[0030] 离散预测模型接收DC-DC变换器的输入电压采样，实时更新离散预测模型中的输 入电压值，以消除系统输入扰动；离散预测模型接收DC-DC变换器的输出电压采样及输出 电流采样，根据输出电压采样值及输出电流采样值实时更新离散预测模型中的负载值，以 消除系统负载扰动。
[0031] 本发明DC-DC变换器离散模型优化输出轨迹的预测控制方法，具体按照以下步骤 实施：
[0032] 步骤1 :建立DC-DC变换器简化的离散预测模型
[0033] 具体步骤如下：
[0034] I. 1)建立电流连续运行模式下（即CCM模式）DC-DC变换器的离散式，根据DC-DC 变换器电路运行情况，建立DC-DC变换