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摘 要

DC-DC变换器系统是一种典型的非线性系统，并且存在输入电压变化、负载变化等扰动，这些非线性以及扰动因素都直接影响着系统的控制性能。但是在实际应用中，目前许多的传统的线性控制策略已经渐渐没有办法满足系统所需要达到的控制指标，因此，学者们针对 DC-DC 变换器系统的平均模型提出了很多的非线性控制策略，如PID控制，滑模控制、鲁棒控制等。然而，上述控制方法均没有直接考虑电流约束这一不可忽略的问题。

本文主要的研究内容是DC-DC Buck变换器的电流约束控制问题。本文是以典型的DC-DC Buck变换器系统为研究对象，基于 Buck变换器的数学模型，首先设计了PID控制器，并完成仿真实现及参数调试。特别地，对负载扰动情况下的DC-DC Buck变换器系统也进行了PID控制算法的仿真与调参。由于如PID控制、滑模控制、鲁棒控制等众多控制算法都没有考虑DC-DC变换器系统的电流约束问题，因此，在上述设计的PID控制算法的基础上，我们结合了基于障碍Lyapunov函数理论的约束控制方法，设计出了一种新型的电流约束控制算法。并且利用 Lyapunov 稳定性理论，证明了在该控制器作用下闭环系统的渐近稳定性。针对闭环Buck变换器设计约束控制器，完成了仿真实现以及参数调试。并将仿真结果与之前在PID控制器作用下闭环系统的仿真结果进行对比，得出本文所设计的新型电流约束控制算法可以有效进行电流约束，并且仍能保持DC-DC Buck变换器良好的输出电压动态跟踪性能以及稳态跟踪精度。由此可见，本文所设计的针对DC-DC Buck变换器系统的电流约束控制算法是有效的。

关键词：DC-DC Buck变换器、PID控制、电流约束、障碍Lyapunov函数、约束控制

research on Current-Constrained Control for dc-dc Buck Converters

Abstract

DC-DC converter system is a typical nonlinear system, and there are some disturbances such as input voltage and load variation, which affect the control performance of the system directly. But in practical application, at present many of the traditional linear control strategy has gradually there is no way to satisfy the system the need to achieve the control index. As a result, scholars for DC-DC converter system average model put forward a lot of nonlinear control strategies, such as PID control, sliding mode control, robust control. However, the above control methods do not directly consider the current constraints of the problem which can not be ignored.

The main research content of this paper is the current control problem of Buck DC-DC converter. This paper takes the typical Buck DC-DC converter system as the research object. Based on the mathematical model of the Buck converter, the PID controller is designed, and the simulation realization and parameter adjustment are completed. In particular, the Buck DC-DC converter system with load disturbance is also simulated and adjusted by the PID control algorithm. Due to such as many control algorithm of PID control, sliding mode control, robust control and adaptive control are not considered the current constraints of DC-DC converter system. Therefore, on the basis of the design of PID control algorithm, we combine the based on barrier Lyapunov function theory of constraint control method, designed the control algorithm of a new type of current constraints. By using the Lyapunov stability theory, the asymptotic stability of the closed-loop system is proved. In the light of the closed loop Buck converter, the controller is designed, and the simulation and parameter adjustment are completed. And simulation results and before under the PID controller in the closed-loop system simulation results were compared, obtained the new current constraint control algorithm can effectively constrain current, and can still maintain good DC-DC buck converter output voltage dynamic tracking and steady-state tracking accuracy. This shows that the design of the Buck DC-DC converter system for the current control algorithm is effective.

KEYWORDS: DC-DC Buck Converter, PID Control, Current Constraint, Barrier Lyapunov Function, Constrained Control

目录

摘要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1 课题研究背景及意义 1

1.2 DC-DC变换器系统控制的研究现状 3

1.3 论文主要研究内容 4

1.4 论文结构安排 4

第2章 DC-DC Buck变换器系统的建模 5

2.1 引言 5

2.2 DC-DC Buck变换器系统的基本工作原理及数学建模 5

2.2.1 DC-DC Buck 变换器系统的基本工作原理 5

2.2.2 DC-DC Buck变换器系统的数学建模 8

2.3 DC-DC Buck 变换器控制问题描述及难点分析 9

2.3.1 Buck 变换器控制问题描述 9

2.3.2 难点分析 9

2.4 本章小结 9

第3章 DC-DC Buck 变换器系统的PID控制 10

3.1 引言 10

3.2 针对DC-DC Buck变换器系统的PID控制器设计 10

3.3 PID控制算法仿真及调试 11

3.3.1 PID控制器参数调试 11

3.3.2 PID控制器算法仿真 12

3.4 本章小结 22

第4章 DC-DC Buck变换器系统电流约束控制 23

4.1 引言 23

4.2 DC-DC Buck变换器系统的电流约束控制器设计及闭环系统稳定性分析 23

4.3 电流约束控制算法仿真以及与PID控制算法的仿真对比分析 27

4.4 本章小结 37

第5章 总结与展望 38

5.1 总结 38

5.2 展望 38

参考文献 40

致谢 42

绪论

课题研究背景及意义

在社会经济水平的提升过程中，电能的处理和变换在工业应用以及人们的生活中扮演着一个非常重要的角色。DC-DC 变换器是一种电力电子装置，它能够将一种直流电压幅值变换成为另外一种可调的或固定的直流电压幅值，这种设备能够实现电压的可控调节。近年来，DC-DC 功率变换器在现代工业中得到了广泛应用，比如直流电机驱动系统、计算机系统、交流通讯设备等。

将一种直流电压幅值变换成另一种固定的或可调的直流电压幅值称为直流转直流变换（DC-DC变换），它广泛应用于矿车运输车、或者通过蓄电池来提供电能的机动车辆的无级变速系统和直流开关电源系统中。DC-DC变换方法主要有两种：开关变换器的方法和串联晶体管的方法，利用这两种变换方法我们能够制造出开关电源和线性电源来。开关电源是运用现代电力电子技术设计的，核心是以DC-DC变换器作为功率转换，而输出电压则是使用自动控制原理来进行调节。开关如果选用半导体功率器件的话，可以让直流电压和包含滤波器的负载电路达到一会儿连通一会儿断开的效果。输出直流电压的调节是通过控制半导体功率管的连通和关断的时间比例来实现的。该方法既可升压，也可降压，而且效率较高。线性电源是通过有源器件的导通电阻是可改变的原理来调控输出电压组成的，但是该方法的效率低，而且输入电压只能被降低成为电压值更低的输出电压。

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