论文导读：本文介绍了自抗扰控制技术在PWM型DC-DC开关变换器中的应用。最后以其中的Buck变换器的电路为例，并对电路进行了建模、仿真和实验。
关键词：DC-DC变换器，自抗扰控制，Buck变换器
0. 引言
DC-DC变换器有两种类型，为开关变换器和线性变换器。多年来，PWM型DC-DC开关变换器因具有灵活的负极性和多种拓扑结构升降压方式的特点以及工作效率高，操作简单，所以在工业控制上受到了人们的青睐和广泛的应用。但是开关变换器是一个强非线性动态系统，无论是基于线性反馈控制或是现有的PID等常规控制方法都无法对DC-DC开关变换器取得满意的效果。随着非线性控制理论和数字控制技术的不断发展和日趋完善，将非线性控制理论引入到DC-DC开关变换器的控制策略中，对提高变换器的鲁棒性，更快的动态响应以及对输入和输出电源和负载扰动的良好抑制能力有着理论和实际的意义。多年来电力电子学界的国内外专家学者一直在研究控制开关变换器的非线性控制策略，并取得了一定的成果[1]，其中由北京前沿科学研究所韩京清研究员首次提出的一种非线性鲁棒控制技术[2],也就是自抗扰技术，具有算法简单、系统响应快、适应范围广等特点，已引起国内外控制工程界专家学者的广泛关注和高度好评。国内很多高校和研究所正在大力研究它在军工和民用等诸多领域的应用。
本文介绍了自抗扰控制技术在PWM型DC-DC开关变换器中的应用。这种控制方法可以消除由于大信号或是小信号的输入电压和负载扰动而引起的输出电压的变化。最后以其中的Buck变换器的电路为例，并对电路进行了建模、仿真和实验。结果表明，该自抗扰策略具有很强的鲁棒性、动态响应快等优点。
1.自抗扰控制器
经典PID控制器是用参考输入和被控量的误差及其微分﹑积分的线性组合来产生控制信号的，然而在实际运用中，参考输入 经常不可微，甚至不连续，而输出信号 的测量又经常被噪声污染，因此误差信号 按经典意义经常在不可微或其微分信号被噪音的导数淹没。在实际电路中，一般采用差分或是超前网络近似实现微分信号，该方法对噪音有很强大的放大作用，使微分信号失真而不能用，而“线性组合”常引起快速性和超调量之间的矛盾。自抗扰控制通过引入积分串联型跟踪微分器来提取合理的微分信号，并使用合适的非线性组合，以改进经典PID控制，提高自身的适应性和鲁棒性。自抗扰控制主要针对如下一类对象： y(n) = f (y ,  ,?, y (n- 1) , t) ，其中f为未知模型摄动及扰动的作用量。自抗扰控制器由跟踪—微分器（TD），扩张状态观测器（ESO），非线性状态误差的反馈控制率（NLSEF）构成，整个控制器仅需要系统的输入量和输出量作为信息来源。自抗扰控制器的实质是由扩张状态观测器产生不确定模型f对输出作用的补偿量，以使对象的不确定性在反馈中加以抵消，从而达到重新构造对象的目的，所以说扩张状态观测器是整个自抗扰控制的关键。以二阶受控对象为例 ,自抗扰控制器的结构如图1所示。非线性跟踪-微分器的参考输入产生2个输出 和 ,其中为参考输入的跟踪信号,是根据对象能力与控制需要安排的光滑过渡过程 ,而跟踪的微分。科技论文。实际上是的“广义微分”，是一种“品质”很好的微分 。TD除了跟踪参考输入信号 ，安排预期过程外，其主要作用还在于柔化 的变化以减少控制过程中的超调量。扩张状态观测器由系统输出产生3个信号: 、 、 ,其中为的跟踪信号, 为的微分信号,为对系统模型和外扰动的估计。科技论文。非线性组合器由偏差 和微分偏差 产生基本非线性控制量 , 然后用补偿总扰动而产生最终控制量 。
2. Buck开关变换器的建模
PWM型DC-DC开关变换器是一非线性和不连续的系统，这使得对它建模成为一个十分困难的问题。从目前的研究情况来看，借助现代控制论的系统建模方法，对电力电子拓扑网络建模是一条有效途径 。从微分几何的角度来考虑这个问题，本文以Buck开关变换器为研究对象，其电路拓扑如图2所示。
图 2 Buck电路拓扑结构
为简单起见，假定开关是理想的和同时认为状态转换是瞬间完成，本文仅研究电感电流连续工作的状态(CCM)下运行的buck变换器，即输出电感T的电流在整个开关管S关断周期中都存在。从以上的图中的拓扑电路中，可以分别写出Buck变换器导通和关断2个阶段的状态方程。在1个开关周期内利用状态空间平均法对Buck电路建模可以得到1个关于输出电压和开关频率的非线性状态方程。PWM控制中的占空比与自抗扰控制中的控制量是等价的。描述DC-DC开关变换器的微分方程一般可设为：
S导通时的状态方程为：
  +  (1)
S关断时的状态方程为：
+ (2)
对式(1)和式(2)用时间平均得到Buck变换器的状态平均方程如下：
+ (3)
在式(3)中, 代表输出电压,D代表占空比; 代表电感电流;代表输入电压。科技论文。当然在实际的系统中，对Buck变换器建模时，还应该考虑器件的寄生元件，包括电感电阻和电容电阻等。在式(3)中并没有这些寄生参数，如电容寄生电阻和电感寄生电阻等，可以把他们看成是系统的内扰，同时将电源和电压的波动看成是系统的外扰。自抗扰控制的优势就是不用考虑内外扰的影响，利用由扩张状态观测器产生不确定模型f对输出作用的补偿量，以使对象的不确定性在反馈中加以抵消，从而达到重新构造对象的目的。
3.自抗扰控制器数字仿真
为了验证自抗扰控制器的可行性，采用MATLAB中的Simulink对上述的控制方法进行仿真。电路仿真的参数设定为:L=270mH;C=10uF;额定负载R=5 ;额定输入电压为8V;参考输出电压为4V，其仿真结果表明，自抗扰控制策略对电源输入和负载电流干扰具有很强的抑制能力，动态响应快；虽然输入电压和负载变化时的输出电压有波动，但是很微小，并且能在极短的时间内恢复。
4. 结论
本文应用自抗扰控制器,实现了PWM型DC-DC开关变换器对输入电压和负载变化具有良好的抑制能力，即输出电压只同给定参考输出有关。具有较强的鲁棒性，而且可以克服高频抖振现象，总谐波失真小，是一种可行的适应性好的非线性控制方案。
参考文献
[1] 林维明，黄是鹏.PWMDC-DC开关变换器非线性闭环控制策略的研究[J].中国电机工程学报，2001，（3）:19-22.
[2] 韩京清.自抗扰控制器及其应用[J].控制与决策，1998；13(1):19-23.
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