开关电源无模型控制的研究

  1、引言
　　
    随着电力电子技术的高速发展，电力电子设备与人们的工作、生活的关系日益密切，而电子设备都离不开可靠的电源。开关电源是利用现代电力电子技术，控制开关晶体管开通和关断的时间比率，维持稳定输出电压的一种电源，开关电源一般由脉冲宽度调制（PWM）控制IC和MOSFET构成。开关电源控制部分绝大多数是按照模拟信号来设计和工作的，缺点是抗干扰能力很差。由于计算机控制技术突飞猛进地发展，数字信号的处理和控制显示出了明显的优势：便于计算机处理和控制，设计的灵活性大大提高，软件调试方便等，出现了PID控制。

    它使开关电源向数字化、智能化、多功能化方向发展。这无疑提高了开关电源的性能和可靠性。但由于开关电源本身是一个非线性的对象，其精确模型的建立是相当困难的，常采用近似处理，并且其供电系统和负载变化具有不确定性，所以采用上述模拟或数字PID控制方法常常难以使PID调节器的参数随之变化，控制效果不理想。近来发展起来的无模型控制是前景广阔的控制方法。它不依赖被控对象的数学模型，集建模与控制一体化，这对于一些复杂可变的或结构不确定难以用准确的数学模型描述的系统而言是非常适宜的，改进了开关电源的控制系统，不仅满足开关电源的高性能和高可靠性的要求。

    2、开关电源的工作原理
　　
    本开关电源原理框图如图1所示。电网电压通过输入回路中的整流器和滤波器转换为直流电压输入高频变换器，高频变换器则把输入的直流电压转变为高频脉冲方波电压，该脉冲方波通过输出回路中的高频整流器和滤波器变成直流电压供给负载。

图1 开关电源工作原理

    以微型计算机为核心的控制回路，在控制软件的支持下对开关电源的输出电压、电流采样，并与给定的数据进行比较，然后去调整和控制逆变器， 改变MOSFET管的导通频率或导通／截止时间以稳定输出，并监测开关电源的工作状态。

    3、开关电源硬件系统组成
　　
    开关电源的控制系统可以根据项目的实际情况选择不同的微处理器。其组成原理框图如图2所示。上电/复位电路给微处理器提供稳定的电源和复位功能。输出电压反馈用来调节输出电压值，保持输出电压的稳定，电流反馈电路与电压反馈功能相似。数码管显示电路和键盘输入电路实现人机交互的功能。PWM输出驱动电路输出脉冲来控制开关管的开通和关断，当输出电压高于要求电压时，输出脉冲的宽度就减小，从而减小输出电压；当输出电压低于要求电压时，输出脉冲的宽度就增大，从而增大输出电压。

图2[!--empirenews.page--]

    4、无模型控制原理

    4.1 无模型控制的总体概述
　　
    在控制律设计中一般的需要建立动态系统的数学模型。经典的方法要求这种数学模型必 须事先建立至少其结构必须事先确定。而且模型愈精确愈好。无模型控制律的设计中，突破了控制律对数学模型尽可能事先精确的建立这一要求的限制。
　　
    我们的建模手续是伴随反馈控制而进行的。初始的数学模型可以是不精确的，但必须保证所设计的控制律具有一定的收敛性.我们所设计的无模型控制律是边建模边控制，得到新的观测数据后，再建模再控制.如此继续下去，使得每次得到的数学模型逐渐精确，从而控制律的性能也随之得到改善。我们把这种手续称之为实时建模与反馈控制一体化手续。

    4.2 建模与自适应控制一体化途径

    在参考文献中，提出了如下的泛模型：

    y（k）-y（k-1）=φ（k-1）[u（k-1）-u（k-2）> （4-1）

    不失一般性，这里假定被控动态系统S的时滞是1,y（k） 是系统S的一维输出， u（k-1）是P维输人。φ（k）是特征参量，它是利用某种辨识算法在线估计的，k是离散时间。我们将会看出，在实时辨识―实时反馈校正的辨识与控制一体化手续中，φ（k）有明显的数学与工程意义。

    4.3 实时建模与反馈控制一体化

    具体的，我们的建模与反馈控制一体化的框架如下：

    （1）依据观测数据和泛模型

    y（k）-y（k-1）=φ（k-1）[u（k-1）-u（k-2）]

    利用适当的估值方法，得到了φ（k-1）的估值φ（k-1）。

    （2）寻求φ（k-1）的向前一步的预报值φ＊（k），一个简单的方法就是取

    φ＊（k）= φ＊（k-1）

    在寻求控制律时，我们把φ＊（k）仍记成社φ（k） 。 （3）把控制律
 
    作用于系统S，得到新的输出贝y（k+1）。于是得到了一组新的数据｛y（k+1）,u（k）｝ 。

    在这组新数据的基础上重复（1），（2）和（3），即可又得出新的数据｛y（k+2）,u（k+1）｝如此继续下去。只要系统S满足一定的条件，在这种手续的作用下，系统s的输出y（k）将逐渐地逼近y0。

    4.4 控制器程序的设计
　　
    目前在工业生产过程控制中应用的控制器，绝大多数是经典的PID调节器及其变种，对于耦合情况不严重的系统，PID调节器的控制效果还能令人满意，但对耦合严重的系统，PID调节器则显得无能为力，下面以PID调节器为基准，将无模型控制器与PID调节器进行比较，用于说明无模型控制器具备较好的解耦和抗干扰能力。无模型控制流程图如下：

图3 无模型控制流程图[!--empirenews.page--]

    5、试验结果

    这里对无模型控制器与PID调节器的解耦能力进行仿真比较，为了比较的公平性，将无模型控制器与PID调节器的参数都整定到较佳状态，对下述系统进行控制。控制结果如图4和图5所示：

u（t） y（t）
图4 PID控制情形仿真结果

u（t） y（t）
图5 无模型控制仿真图

    由仿真结果可以清楚地看到，无模型控制器和PID调节器对非线形情形系统的控制都收到了良好的效果，但无模型控制方法对非线性耦合情形的控制能力比PID调节器强很多。

    6、结束语

    无模型控制适合非线性控制，其控制规则不需要确定具体对象的模型，对于像开关电源这种非线性对象的控制具有相当好的稳定性和抗干扰能力。无模型控制策略的引入，为开关电源的发展开创了广阔的空间。