一种四开关升降压变换器模型预测控制自适应调节方法与流程

本发明涉及四开关升降压变换器领域，具体涉及一种四开关升降压变换器模型预测控制自适应调节方法。

背景技术：

1、四开关升降压变换器，简称fsbb变换器，其具有结构对称、输入与输出极性相同、双向均可实现升/降压、开关管电压应力低、无源元件少、控制灵活等优点，广泛应用于电动汽车、通信模块电源、新能源发电和电池储能系统等输入与输出电压变化范围较宽的场合。然而随着应用场景越来越复杂，对电能质量和电压也有了更高要求，变换器的控制性能也面临最新的挑战。在这一背景下，高性能的fsbb变换器成为目前研究热点之一。

2、目前，mpc作为一种先进的控制策略，能够有效地处理多变量、非线性和时变系统，因此也被广泛应用于电力电子设备的控制中，模型预测控制策略相较于传统的控制策略有着更好的性能优势，但模型预测控制策略应用于fsbb变换器仍然存在很多局限性，由于预测模型是基于不同工作模式的电感电流斜率为基础分析推导的，而电感电流斜率的计算会受到模型参数的影响，比如电感值，电感通路的总等效串联电阻。模型参数的不准确可能会导致控制周期结束时预测的电流值产生偏差，从而影响预测的占空比，最终导致控制性能的下降。

3、鉴于此，本发明提出一种四开关升降压变换器模型预测控制自适应调节方法。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种四开关升降压变换器模型预测控制自适应调节方法，以解决背景技术不足。

2、根据本发明的一个方面，提供了一种四开关升降压变换器模型预测控制自适应调节方法，包括以下步骤：

3、步骤a1：基于当前时刻的输入电压、输出电压以及电感电流采样值，计算当前时刻各模态的电感电流斜率，再根据已知当前时刻的占空比，预测下一时刻的电感电流；

4、步骤a2：基于一个开关周期内输入电压和输出电压不变，再由步骤a1预测的下一时刻的电感电流，计算出下一时刻对应各模态的电感电流斜率；

5、步骤a3：根据电压调节器和输出电流构成电感电流的给定参考值，作为下一时刻期望的电感电流目标值，根据模式选择以及占空比预测模型计算得到下一时刻的占空比；

6、步骤a4：与步骤a1同时操作，根据设计的扰动观测器模型，以占空比、输入电压、输出电压以及电感电流同时作为输入，观测到扰动值；

7、步骤a5：利用电感电流预测模型计算下下一时刻的电感电流；

8、步骤a6：基于步骤a5中预测的下下一时刻电感电流作为新的电感电流目标值；并计算下一时刻各模态的电感电流斜率，通过模式选择、占空比预测模型，预测得到下下一时刻的占空比；

9、步骤a7：将下下一时刻的占空比作为下一时刻的占空比输出，用于弥补下一时刻数字控制的延时；

10、步骤a8：下个时刻重复步骤a1至步骤a7，循环执行。

11、作为本发明的一种优选技术方案，工作模态包括工作模态a、工作模态b和工作模态c，所述开关管包括开关管s1、开关管s2、开关管s3和开关管s4；fsbb变换器的工作模态取决于fsbb变换器中各个开关管的开关状态，其中：

12、将开关管s1和s3导通，s2和s4关断，形成vin-s1-ｌ-rl-s3-vout通路，标记为工作模态a；

13、将开关管s2和s3导通，s1和s4关断，形成s2-ｌ-rl-s3-vout通路，标记为工作模态b；

14、将开关管s1和s4导通，s2和s3关断，形成vin-s1-ｌ-rl-s4通路，标记为工作模态c。

15、作为本发明的一种优选技术方案，基于工作模态a、工作模态b和工作模态c对应各模态交替工作于控制周期内对应不同的运行模式；

16、所述运行模式包括buck模式、e-buck模式、boost模式和e-boost模式；基于不同的运行模式对应控制开关管的占空比。

17、作为本发明的一种优选技术方案，buck模式采用工作模态a和工作模态b交替工作，e-buck模式采用三种工作模态交替工作的方式，buck模式切换至e-buck模式时开关管s4的占空比设置为占空比最大；

18、boost模式采用工作模态a和工作模态c交替工作，e-boost模式同样采用三种工作模态交替工作的方式，boost模式切换至e-boost模式，此时将开关管s1的占空比设置为占空比最小，再继续调节开关管s4的占空比。

19、作为本发明的一种优选技术方案，所述占空比预测模型的获取逻辑为：

20、根据基尔霍夫电压定律和基尔霍夫电流定律能够建立不同工作模态的电感电流、输入电压和输出电压的微分方程，获取不同工作模态下的电感电流斜率；

21、通过引入多段式电感电流控制的运行模式，将不同工作模式的电感电流斜率为基础，分析推导获取占空比预测模型。

22、作为本发明的一种优选技术方案，所述fsbb变换器采用了无差拍控制策略，所述控制策略基于时域对占空比进行分析，获得控制周期内电感电流的瞬时值与参考值相等；

23、基于对fsbb变换器的连续时域模型进行离散化处理获取离散时间状态空间模型，基于离散时间状态空间模型定义扰动项。

24、作为本发明的一种优选技术方案，所述luenberger观测器包括扰动观测器，用于估计由参数失配引起的实时参数扰动，包括：

25、根据fsbb变换器的连续时域模型定义扰动项，将输出电压、电感和电感内阻视作系统扰动进行整体观测；

26、通过建立的扰动观测器模型计算扰动观测值，带到电感电流预测模型中进行补偿，可计算出扰动观测值代替实际值来对电流预测模型实时补偿，根据补偿后的电感电流，计算下一时刻所有工作模态下的电感电流斜率。

27、作为本发明的一种优选技术方案，根据扰动观测器计算的扰动估计值对电流预测模型进行实时校正，校正后的电流预测模型表达式为：

28、；

29、其中：表示第时刻电感电流，表示第时刻系统扰动观测值；表示采样时间，表示第时刻输入电压，表示第时刻输出电压，是开关管s1的占空比，是开关管s4的占空比，表示第时刻对应校正后的电感参考电流值。

30、根据本发明的另一个方面，提供了一种电子设备，包括：处理器和存储器，其中，所述存储器中存储有可供处理器调用的计算机程序；

31、所述处理器通过调用所述存储器中存储的计算机程序，执行上述所述的一种四开关升降压变换器模型预测控制自适应调节方法。

32、根据本发明的又一个方面，提供了一种计算机可读存储介质，储存有指令，当所述指令在计算机上运行时，使得计算机执行上述所述的一种四开关升降压变换器模型预测控制自适应调节方法。

33、在上述技术方案中，本发明提供的技术效果和优点：

34、本发明扰动观测器建立了随机扰动观测，以考虑电感的电感串联回路总等效电阻不确定性，在确保变换器在宽范围输入电压多模式平滑切换的前提下，有效降低模型参数不准确对变换器动态和稳态性能的影响。

技术特征：

1.一种四开关升降压变换器模型预测控制自适应调节方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种四开关升降压变换器模型预测控制自适应调节方法，其特征在于：工作模态包括工作模态a、工作模态b和工作模态c，开关管包括开关管s1、开关管s2、开关管s3和开关管s4；fsbb变换器的工作模态取决于fsbb变换器中各个开关管的开关状态，其中：

3.根据权利要求2所述的一种四开关升降压变换器模型预测控制自适应调节方法，其特征在于，基于工作模态a、工作模态b和工作模态c对应各模态交替工作于控制周期内对应不同的运行模式；

4.根据权利要求3所述的一种四开关升降压变换器模型预测控制自适应调节方法，其特征在于，buck模式采用工作模态a和工作模态b交替工作，e-buck模式采用三种工作模态交替工作的方式，buck模式切换至e-buck模式时开关管s4的占空比设置为占空比最大；

5.根据权利要求4所述的一种四开关升降压变换器模型预测控制自适应调节方法，其特征在于，所述占空比预测模型的获取逻辑为：

6.根据权利要求5所述的一种四开关升降压变换器模型预测控制自适应调节方法，其特征在于，所述fsbb变换器采用了无差拍控制策略，所述控制策略基于时域对占空比进行分析，获得控制周期内电感电流的瞬时值与参考值相等；

7.根据权利要求6所述的一种四开关升降压变换器模型预测控制自适应调节方法，其特征在于：luenberger观测器包括扰动观测器，用于估计由参数失配引起的实时参数扰动，包括：

8.根据权利要求7所述的一种四开关升降压变换器模型预测控制自适应调节方法，其特征在于：根据扰动观测器计算的扰动估计值对电流预测模型进行实时校正，校正后的电流预测模型表达式为：

9.一种电子设备，其特征在于：包括：处理器和存储器，其中，所述存储器中存储有供处理器调用的计算机程序；

10.一种计算机可读存储介质，其特征在于：储存有指令，当所述指令在计算机上运行时，使得计算机执行如权利要求1-8任意一项所述的一种四开关升降压变换器模型预测控制自适应调节方法。

技术总结本发明公开了一种四开关升降压变换器模型预测控制自适应调节方法，涉及四开关升降压变换器领域，包括计算扰动观测值，根据扰动观测的估计值对电流预测模型进行实时校正；将输出电压、电感和电感内阻视作系统的扰动进行整体观测，将观测器估计的结果用来补偿预测模型，本发明基于龙伯格扰动观测器建立了随机扰动观测，以考虑电感的电感串联回路总等效电阻不确定性，在确保变换器在宽范围输入电压多模式平滑切换的前提下，有效降低模型参数不准确对变换器动态和稳态性能的影响。技术研发人员：龚攀,曹以龙,赵方平受保护的技术使用者：上海丰迭能源科技有限公司技术研发日：技术公布日：2024/8/20