[论文解读] Model-free control of nonlinear power converters

Loïc Michel, Wim Michiels+1 more|arXiv (Cornell University)|Oct 9, 2013

Advanced DC-DC Converters参考文献 9被引用 3

一句话总结

该论文提出了一种针对非线性电力转换器（特别是升压转换器）的无模型控制策略，采用无需系统建模识别的智能PI（i-PI）控制器。该方法利用在线超局部模型估计与自适应反馈，确保在大负载变化及连续导电模式（CCM）与断续导电模式（DCM）切换下具有鲁棒性与稳定性，仿真结果表明其对扰动和模式切换具有近乎不敏感的特性。

ABSTRACT

A new "model-free" control methodology is applied to a boost power converter. The properties of the boost converter allow to evaluate the performances of the model-free strategy in the case of switching nonlinear transfer functions, regarding load variations. Our approach, which utilizes "intelligent" PI controllers, does not require any converter model identification while ensuring the stability and the robustness of the controlled system. Simulation results show that, with a simple control structure, the proposed control method is almost insensitive to fluctuations and large load variations.

研究动机与目标

• 开发一种适用于非线性电力转换器的控制方法，避免复杂的系统建模与识别过程。
• 确保在引起连续导电模式（CCM）与断续导电模式（DCM）切换的大负载变化下仍具备鲁棒性能。
• 证明简单的控制结构可在无需预先掌握转换器数学模型的情况下实现稳定的电压调节。
• 验证无模型方法在处理DC-DC电力转换器固有的非线性、时变及切换动态特性方面的有效性。

提出的方法

• 该方法采用超局部模型表示：$ y^{(n)} = F + \alpha u $，其中$ F $捕获未知的系统动态，$ \alpha $为可调常数。
• 通过控制律实现智能PI（i-PI）控制器：$ u = -\frac{[F]}{\alpha} + \frac{y^{(n)*}}{\alpha} + \mathcal{C}(\varepsilon) $，其中$ \mathcal{C}(\varepsilon) = K_p\varepsilon + K_i\int\varepsilon $。
• 使用每个采样时刻输出导数的有限差分近似，对$ [F] = [y^{(n)}] - \alpha u $进行在线估计。
• 采用采样数据公式在离散时间更新控制输入：$ u_k = u_{k-1} - \frac{1}{\alpha T_c^2}\left\{ (y_{k-1} - 2y_{k-2} + y_{k-3}) - (y^{*}_{k-1} - 2y^{*}_{k-2} + y^{*}_{k-3}) \right\} + C(y^{*}_{k-1} - y_{k-1}) $，其中$ T_c = 0.1 $ ms。
• 该方法应用于升压转换器的状态空间平均模型，以输出电压$ V $作为反馈，$ d_1 $作为占空比输入。
• 通过先前研究中建议的方法，使用移动平均滤波器减轻微分带来的噪声放大效应。

实验结果

研究问题

• RQ1 无模型控制策略是否能在无需显式数学模型的情况下实现升压转换器的稳定且鲁棒的电压调节？
• RQ2 在引起连续导电模式（CCM）与断续导电模式（DCM）切换的大负载变化下，无模型控制器性能如何？
• RQ3 该控制系统对电力转换器中的扰动及非线性切换动态的不敏感程度如何？
• RQ4 单个可调参数$ \alpha $在确保多种工况下性能方面发挥何种作用？
• RQ5 在突然负载变化或模式切换等瞬态事件期间，i-PI控制器能否保持跟踪精度与稳定性？

主要发现

• 无模型控制方法成功在无需模型识别的情况下，稳定了升压转换器在连续导电模式与断续导电模式下的输出电压。
• 仿真结果表明，控制器在大负载变化下（具体为从$ R = 100\,\Omega $到$ R = 50\,\Omega $，反之亦然）保持鲁棒性能，且无需重新调参。
• 控制器对负载变化表现出近乎不敏感的响应，具有极小的超调与快速的稳定时间，即使在$ t = 0.06 $ s时因负载变化引发的模式切换下也表现良好。
• 在初始谐振瞬态期间，系统保持稳定并准确跟踪参考电压，如图5所示，当负载从$ 100\,\Omega $变为$ 200\,\Omega $时处于DCM模式。
• 尽管升压转换器的传递函数具有非线性、时变及切换特性，该方法仍实现了有效的扰动抑制与鲁棒性。
• 在参数$ K_p = 2 $，$ K_i = 10 $，$ \alpha = 30 $下，控制器在所有测试工况下均实现了稳定调节，且无需基于模型的自适应调整。