论文总字数：23193字

摘 要

相对于传统的PID控制方式，本文采用了一种新的控制策略——模型预测控制，该控制策略是通过在线滚动优化选取最优占空比μ。

本文分别创建了变换器对应的两种模式的增量式模型，再将增量式模型改写成状态空间方程。本文中研究提及的Buck变换器和Boost变换器，它们都是以占空比μ为控制输入量，被控输出量是电压V_o和电感电流i_L。本文的研究目标就是基于模型预测控制算法，以占空比输入量为控制对象，使得变换器的输出电压V_o与给定值保持一致。为此，本篇论文在增量式模型预测控制算法的基础上，设计出了Buck和Boost模型预测控制器。

预测控制算法设计完成后，利用仿真软件对以增量式预测模型为基础设计的预测控制算法进行仿真.仿真后得到的结果显示，其最终输出电压值V_o都会与期望值保持一致。仿真完成后，我们需要选取实验电路中所需的元器件，然后搭建符合实验要求的实验平台进行实验，之后利用DSP软件平台编写出相应的程序完成双管Buck-Boost变换器的实验。实验结果显示，预测控制算法与宽范围直流变换器结合具有发展前景且有一定的市场经济效益，值得进一步研究。

关键词：宽范围直流输入 模型预测控制算法 双管Buck-Boost变换器 目标函数

Wide range DC-DC converter based on predictive control

Abstract

Compared with the traditional PID control method, this paper adopts a new control strategy model predictive control, which selects the optimal duty ratio μ through online rolling optimization.

In this paper, the incremental models of two modes corresponding to the converter are created, and then the incremental models are rewritten into state space equations. In this paper, buck converter and boost converter are studied. They both take duty ratio μ as control input, and controlled output is voltage Vo and inductive current IL. The research goal of this paper is based on the model predictive control algorithm, taking the duty cycle input as the control object, so that the output voltage Vo of the converter is consistent with the given value. Therefore, based on the incremental model predictive control algorithm, this paper designs the buck and boost model predictive controller.

After the predictive control algorithm is designed, the simulation software is used to simulate the predictive control algorithm based on the incremental predictive model. The simulation results show that the final output voltage Vo will be consistent with the expected value. After the simulation, we need to select the required components in the experimental circuit, and then build an experimental platform to meet the requirements of the experiment, and then use DSP software platform to write the corresponding program to complete the experiment of double tube buck-boost converter. The experimental results show that the combination of predictive control algorithm and wide range DC converter has a bright future and certain market economic benefits, which is worth further study.

Key words: Wide range DC input;Model predictive control algorithm;The double tube buck- boost converter;Objective function

目 录

摘 要 I

ABSTRACT II

第一章 绪论 1

1.1 课题研究的背景、目的和意义 1

1.2 国内外研究现状与分析 2

1.2.1 双管Buck-Boost变换器的工作模式 3

1.2.2 模型预测控制概述 4

1.3 本课题的主要研究内容 6

第二章 双管Buck-Boost变换器模型 7

2.1 Buck模式模型 7

2.1.1 Buck模型 7

2.2 Boost模式模型 9

2.2.1 Boost模型 9

2.3 本章小结 11

第三章 模型预测控制算法和控制器的设计 12

3.1 Buck预测控制算法及控制器的设计 12

3.2 Boost预测控制算法及控制器的设计 14

3.3 预测控制算法的仿真实验 17

3.4 本章小结 20

第四章 Buck变换器的预测控制实验 21

4.1 Buck-Boost变换器的工作电路结构 21

4.2 Buck电路板 22

4.2.1 Buck电路板介绍 22

4.2.2 Buck硬件电路图 23

4.2.3 Buck的采样电路 24

4.3 软件设计 24

4.4 Buck变换器实验验证 26

4.5 本章小结 29

总结与展望 31

参考文献 33

致谢 35

第一章 绪论

课题研究的背景、目的和意义

进入本世纪之后化石能源出现严重缺口，因此人们对新能源的需求日益增加。在这些新能源的使用上，电能在人们的日常生活中占有举足轻重的地位，不管是当前市场占有率逐年扩大的电动汽车，还是人们在商场里所看到的，所接触到的种类繁多的电子产品或电气设备都离不开电。随着时代的发展以及各学科理论的完备，半导体制造与控制技术、电力电子技术都有了突破性的发展，电力电子装置因其优越的性能被广泛应用到许多的工业生产过程以及生活中。不管是在诸多新能源发电系统领域中，还是在诸多汽车或大型工业设备的电池供电系统中，又或者是在一些控制模块的电源系统中都会遇到宽范围直流输入的问题，所以这些场合都需要应用宽范围直流变换器^[1][2][3][4]。对于太阳能发电系统中的两极结构，太阳能电池的输出电压受到多个因素的影响，如：负载上的电流，太阳光的光照强度以及环境温度等等。由于存在诸多的不确定因素，所以光伏发电系统的电压输出范围较宽，因此，需要使用到宽范围直流变换器^[5][6]。对于燃料电池供电系统来说，由于其具有输出较软的特性，所以其负载上电流的变化对输出电压具有较大的影响，针对这一情况，宽范围直流变换器可以有效地改善其输出电压的波动^[7]。由于永磁发电机系统中的永磁发电机的励磁强度无法人为改变，因此只有通过应用宽范围直流变换器来确保永磁发电机系统输出的电压不会出现明显的波动。一般情况下，飞行器的外部磁场会受到天气以及用电设备的工作状态影响，从而会造成航空发动机电子控制器电源模块中的电路产生过压、欠压以及尖峰电压等现象。为了抑制由于飞行器外部磁场变化而引起电源模块中电路产生过压、欠压以及尖峰电压等现象，需要通过应用宽范围直流变换器来解决^[8]。在上述众多领域中，电力电子装置的运转情况由宽范围直流变换器的性能来决定的，因此宽范围直流变换器在上述众多领域的重要性不言而喻，无论是从推动社会经济发展方面来看还是从提高设备运转效率来看都是如此。除此之外，从宽范围直流变换器应用于新能源发电系统角度来说，其还积极促进了绿色环保的发展。

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