周志勇，闫振彬
(南京信息工程大学自动化学院，江苏南京 210044)
摘 要：针对DC-DC 升降压变换器存在负载电阻扰动的问题，提岀一种基于扰动观测器的协同控制器 策略。使用非线性扰动观测器技术对负载不确定性扰动进行估计，再将其观测值代入所设计的协同控制器
,
一种基于非线性扰动观测器的协同控制
系列仿真对比，验证了该方法的可行性
性。
关键词：升降压变换器；非线性扰动观测器；协同控制；电路稳态
中图分类号：TP 273.3
文献标志码：1 文章编号：1673-6540(2021)04-0012-06
doi ： 10.12177/emca.2020.223
Design of DC-DC Buck-Boost Converter Cooperative Controller *
收稿日期：2020-12-14；收到修改稿日期：2021-01-18
*基金项目：国家自然科学基金项目(61973169)
作者简介：周志勇(1994-)，男，硕士研究生，研究方向为智能电网。
闫振斌(1996—)，男，硕士研究生，研究方向为智能微电网运行控制
ZHOU Zhiyong , YAN Zhenbin
(School of Automation , Nanjing University of Information Science and Technology , Nanjing 210044, China )
Abstract : Aiming ai the problem of load resistance disturbance in DC-DC buck-boosi convertcs , a cooperative controllcs stotegy based on disturbancc observes is proposed. The nonlinees disturbancc observes technology is used to
sHiimaisihsuncssiain diiusbancsoIihsooad.ThsobHsseaiion eaousinIosmaiion i inisoducsd inioihsdsHignsd
cooperative controlles, and a cooperative control algorithm based on the nonlinear disturbanccis constructed. Ths robustness and stable track of the expected capacitor outpui voltage is achieved. Finally, the feasibility and
esectiveness of the proposed method aro verified through a series of simulations.
Key words : buck-Boost converter ； nonlineat disterbancc observer ； cooperative control ； circuit steady state
0引言
用
能、风能、能 再生
代 、
、然 不可再生能源的日
, 对 的 日 ，
能源
的 。，电电 换技术得到
'其中，升降压变换器因为其电压转
换 、输出电压可升压可降压 ，在电动2、 电［3*、 能 ［&*、智能电网〔5*
用' 然 , 再生能 一种
的不确定性能源〔6* , 到
在 的 。 ，需要一种控制策略提
性 定性。
DC-DC 升降压变换器
线性模型描述
的非线性系统〔为
定的输出电压，通
将非线性的DC-C 升降压变换器系统在 ’
线性化，然基于线性 设计线性控制 器［，比 积分(PI )或比例积分微分(PID )控
制器。这类控制设计思想的主要优势是设计方 便、控制结构简单，成本低，是目前工业中最流行
的控制方案。然，当系 出现负载变化时，上控制方案不能保证系统的稳定性〔9*。在此背景
下，专家学者提出了一些非线性控制技术用于解决该类问题，技术口°
*、自适应技术［⑴、自抗扰技术［⑵、滑技术［⑶控制策略。然，上研究仍然存在如DC-DC升降压变换器模型过
于理想化，没充分考虑系统在用中存在的负载电阻扰动情况。
本文针对DC-DC升降压变换器系出现的负载电阻扰动问题，参考协同控制Z，提出一种基于非线性扰动观测器的协同控制策略。在生未知负载电阻扰动情况下，该协同控制策略能够地使系统快速恢复至亍，并保持稳定运行。该方法能起到抑制瞬态超调缩短调节时间的效果，实现系的良好鲁棒性。
1系统模型与问题描述
DC-DC升降压变换器的平均状态图1所示。假设各元器件均为理想元器件，且变换器工作在连续模式下。其，0代表输入电压,1是占空比（控制输入%，并且2的属于［0,1*,L 电感，&厶是电感电流,VD是二极管,C是电容,R 负载电阻,20代表负载输出电压。
VD
图1升降压变换器的平均状态模型
根据二极管VD是否闭合，升降压变换器系为模型I"2种殊情形。
I:1=1,VD关断。由图1的升降压变换器的模式I如图2所示。此时,DC$C升降压变换器的动态表示为
「：0
"：1二0,VD闭合。由图1的升降压变换器的模式"如图3所示。此时,DC$C升降压变换器的动态表示为
合式（1%式（2%,DC-DC升降压变换器的均状态为
〔：1-110
&二---:—2o+
式（1%〜式（3%知,DC-DC升降压变换器有2种工作模式：升压模式和降压模式。
图2升降压变换器的模式I
图3升降压变换器的模式"
当DC-DC升降压变换器工作在升压模式时，输出电压2。大于输入电压0，占空比1大于0.5。该模式下，电感器连接到输入电压源，在一个开关周期内持续时间。
当DC-DC升降压变换器工作在降压模式时，输出电压2o A、于输入电压0，占空比1A、于0.5。该模式下，电感器连接到负载上，在一 换周期持续时间。
2扰动观测器设计
DC-DC升降压变换器系统运行，负载电阻R是未知的时变，其未知及变
升降压变换器系统的控制性能。考虑其，本文设计扰动观测器观测其值。
将系统式（3）整理为
中：：1-&L,：2—2o o
将式(4)的2个方程改写成：
1-11
：27C：1-RC：29；(<(5)式中：；(<；为负载扰动(<-R_C：2_RC：2；R0为
R的标称值。
本文设计非线性扰动观测器用来估计式(5)中的负载扰动；(<，扰动观测器形式为
.；(t)7(：2一=2)
式中:;(t)为；(t)的估计值;=是：2的估计值;/观测器，且U
定义扰动误差$(t二；(<-；(<，可得:
$(t<=；(t<-?(：2-=2)(7)对式(7)两端关于时间方求导，扰动误差的导数为
$(<；二；(t-?(t(8)从式(8)出，如果假设扰动；(t是常，导为零)15*o果扰动；(t进或缓的方式变化，理解为一种慢变，其导数
的数。，根据？0，进一
知扰动误差收敛，即扰动误差定。
3控制器设计
本文提出一种基于非线性扰动观测器的协同控制万案实现对DC-DC升降压变换器系统的控制，分2进行：(1)通过电定状态，得到电态输入占空比和稳态电感电流，并将稳态控制输入占空比代入到稳态电感电流到电感电流期望值;(2)将期望电感电流非线性扰动估计值代入到由协同控制到的控制输入内，得到的控制输入。
3・1电路稳态分析
根据输出电压设定值2Gf，推导得出理想控制
的电感电流定值。电感电流系式为
当电到稳定状态时，根据电感电压：
：电感两端的电压平均值在周期于,L：1=0，将态值代入式(9)，到态输入占空比1为
电容输出电压关系式为
当电到稳定状态时，根据电容电压：
：电的电流在周期的均值为，C：2=0，到电感电流期望值：1Gf为
将式(10)代入式(12)，可得电感电流期望值为
结合负载扰动;(t)-RTC X2-RC：特点，可
以得到负载R:
2Gf-R o Cd(t
3.2协同控制
协同控制用变定义系状态变
间的作用，这些宏变定了系统到‘定的运动特性)1(*。根据宏变量的定义，本文变为
!-@(=1一：1Gf)9(=2-：2Gf)(15)其中：=1-：1；：1Gf与：2g>为期望电感电流及期出电压，且为常值;@为控制系数,@〉0。
系统协同控制的目的使系统从
稳定运行到流形!=0，并最流形!=0到期望的稳定运行点。根据协同控制思想，可选取系统状态向流形!=0的动态：
b!+!-0(16)式中：B为系统流向流形!=0的收敛速度系数, B〉0。
将式(4)、式(6)代入式(15)，可得协同控制：
4仿真
针对负载阶跃扰动对系统性能的，通过MATLAB/Smlulink验证所提控制策略的可行性。在无扰动扰动情况下，现系统的稳定运行，保证系统的性。系的控制结图如图4所示。
图4DC-DC升降压变换器系统协同控制结构框图
DC-DC升降压变换器主要参表1所示。仿真扰动观测器的观测器？600。在不确定扰动情况下，系的性通过仿真进行评估。
表1DC-DC升降压变换器主要参数
参数名称参值
电感L/mH10
电容C/#F1000
负载电阻R/$15
出参考电压2忒小15
4.1标称升压控制器系统性能
本节给出的仿真结果代表系统在DC-DC升压变换器模式下，输入电压二10V，负载电阻R=R0=15Q。负载下的控制器系统的电感电流、输出电压、控制输入图5〜图7所示。
电感电流期出电压、输入电压以及负载电阻共同作用产生的，动态特性如图5所示；电容的输出电压在额定负载下收敛到稳态值，如图6所示；协同控制策略产生如图7所示的控制入(占空比)。对比方比，本文所提方法的电感电流调节时间从0.31s缩短至0.06s，输出电压的调节时间从0.34s缩短至0.08s，占空比的调节时间从0.21s缩短至0.06s。因此，这3个指到稳态值的调节时间均缩短。
4.2负载扰动下的升压控制器系统性能
本节给出的结果是在DC-DC升压变换器模式下，存在负载电阻在＜1s从15Q到10Q变情况下的控制系统性能。
电感电流在无扰动负载的情况下，本文所提方法收敛到稳定状态的调节时间比对比方：短。在＜1s时加入负载扰动，本文方法收敛到稳定状态的调节时间缩短0.1s，如图8所示。与对比方比，本文方出电压在快到期望参考值，在负载扰动状况下，本文方法到期望参考值的调节时间缩短0.09s，超调上升1.33%，如图9所示。在图10中，与对比方法
比，本文方法的占空比在有负载扰动情况下 节时间缩短0.08 s ，且超调下降1.67% o
，调0
5 0 5 0 5 0 5
4.
3.3.2
2L L 0.
v/
垢曲W 曲
0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5
t/s
图8负载扰动下的升压控制器系统的电感电流
V/
出莊93
解
16
本文方法
0 0.5 1.0
1.5
2.0 2.5
t/s
图9负载扰动下的升压控制器系统的输岀电压
囂:
0.20.1
0.5
1.0
1.5
2.0 2.5
t/s
\对比方法a .0-641-.\ 糾 0.60 —-----本文方法 ^0-56* 1.0 f.l L2
t/s
图10负载扰动下的升压控制器系统的控制输入
4.3标称降压控制器系统性能
本节给出的结果是在DC-DC 降压变换器模
式下，输入电压二20 V ，负载R =15 Q 时的情况。
图11〜图13所示，在 负载扰动情况下，本文
所提的控制 在动态性能 定性能方面均
比对比的控制
果好。由图11知，本文方
法能 地缩短电感电流的调节时间0.32 s 且过
；图12 知，所提方法能有效地缩短
收敛到期望参考电压的调节时间0.29 s ；由图13
知，所提方法同样缩短了收敛到稳定状态的调 节时间0.22 S o
4.4负载扰动下的降压控制器系统性能
地,DC-DC 降压变压器存在负载电阻在
<1 s 从15 Q 到10 Q 变化情况下的控制系统性
能，如图14〜图16所示。由图14可以看出，本文
方 对比方 比，电感电流在面对负载扰动
时恢复到期望参考值的调节时间缩短0.13 s ；由
图 15 出, 本文方 对比方 比, 出
电压在面对负载扰动时恢复到期望参考值的调节时间缩短0.12 s ，超调上升1.33% ；从图16可以看
出，与对比方 比，本文方法在面对负载扰动时恢复到期望参考值的占空比的调节时间缩短0.07 s ，同时，超调下降1.4% °
图14负载扰动下的降压变换器系统的电感电流
