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基于状态观测器的DC-DC升压变换器滑模控制

王攘攘;张广明;梅磊

【摘要】针对基于脉冲宽度调制型DC-DC升压变换器输入电压和负载电阻发生

变化的情况,设计自适应滑模控制器,使得变换器输出电压跟踪参考值.通过状态观测

器设计估计律,得出负载电阻和输入电压的实时估计值.利用估计值信息设计滑模面

并结合指数趋近律得到控制律.通过严格的理论分析,升压变换器闭环系统的稳定性

得到了证明.Matlab仿真验证了该控制方法的有效性,与基于名义滑模控制方法相

比,所提出的方法具有很好地鲁棒性.

【期刊名称】《电气传动》

【年(卷),期】2019(049)005

【总页数】5页(P55-58,78)

【关键词】滑模控制;状态观测器;DC-DC升压变换器;鲁棒性

【作者】王攘攘;张广明;梅磊

【作者单位】南京工业大学电气工程与控制科学学院,江苏南京211800;南京工业

大学电气工程与控制科学学院,江苏南京211800;南京工业大学电气工程与控制科

学学院,江苏南京211800

【正文语种】中文

【中图分类】TP273

现代电力系统需要高质量、高可靠性和高效的电源。DC-DC升压变换器属于开关

电源的一种，广泛应用于工业系统，如直流电机驱动、计算机系统、通讯设备及电

动汽车系统等［1-3］。

DC-DC升压变换器系统由于工作在频繁的切换模式，表现为非线性。滑模变结构

控制（slidingmodecontrol，SMC）是一种非线性控制方法，对于DC-DC开关

电源具有很好的适用性。采用滑模变结构控制的变换器具有动态响应快、鲁棒性强、

控制方法简单等优点，逐渐成为开关电源控制研究领域的热点［4-6］。文献［4］

针对DC-DC降压变换器提出一种自适应终端滑模控制，以保证系统在有限时间内

收敛到平衡点。文献［5］在文献［4］的基础上提出非奇异终端滑模控制来消除

系统的奇异性。文献［6］通过引入积分型滑模面，使系统能消除稳态误差。

在实际应用中，电路的控制性能总是受到各种电路参数不确定性的严重干扰。负载

电阻和输入电压被认为是对电路产生最具破坏性作用的2个干扰因素［7］。而电

力系统中对于电源输出电压精度的要求越来越高，这促使研究人员在平均模型的基

础上直接设计控制器来提高控制性能方面的兴趣逐渐增加［8-9］。利用扰动估计

的方法，可以在不牺牲系统控制性能的情况下提高闭环系统的抗干扰能力。只要能

够实现扰动的准确估计，就可以通过设计控制器完全消除干扰对系统性能的影响

［10］。文献［11］采用扩展状态观测器的方式估计系统非匹配扰动，实现输出

电压的鲁棒性。文献［12］利用有限时间扰动观测器并与非奇异终端滑模结合设

计控制律，使DCDC降压变换器能够满足性能要求。上述文献中控制器的设计只

是考虑到负载电阻的变化对系统控制性能的影响，而在实际应用中，除了负载电阻

会发生变化，输入电压也有可能发生变化。因此，本文考虑DC-DC升压变换器在

输入电压和负载电阻变化的情况下，利用状态观测器实时估计输入电压和负载电阻

的值，并将估计值反馈给控制器；利用估计值设计自适应滑模面，并结合指数趋近

律得到控制律，使变换器输出电压能够跟踪参考电压。

1DC-DC升压变换器建模与分析

典型的基于PWM的DC-DC升压变换器平均电路模型如图1所示。图1中，Uin

为直流输入电压，iL为电感电流，U0为直流输出电压，L为电感，C为电容，R

为负载电阻，u为占空比并且作为PWM的控制信号u∈(0,1)［13］。

图1升压变换器的平均电路模型Fig.1AveragemodelcircuitofBoost

converter

在连续导通模式下，升压变换器的状态空间模型可以表示为

其中

式中：x1,ẋ1分别为平均电感电流值及其导数值；x2,ẋ2分别为平均电容电压值

及其导数值。

值得注意的是，电感电流和电容电压可以通过测量得到，而输入电压Uin和负载

电阻R是变化的。

2滑模控制器设计

针对DC-DC升压变换器中输入电压和负载电阻变化的情况，通过状态观测器的