符号:对于一个向量<我nline-formula>
x
,<我nline-formula>
x
表示其通常的欧几里得范数和<我nline-formula>
x
T
表示它的转置;<我nline-formula>
X
表示弗罗贝尼乌斯规范的矩阵<我nline-formula>
X
定义为<我nline-formula>
X
=
Tr
XX
T
1
/
2
,在那里<我nline-formula>
Tr
⋅
表示一个方阵的跟踪;<我nline-formula>
ℝ
+
表示所有非负实数的集合;<我nline-formula>
ℝ
n
表示真正的<我nline-formula>
n
维空间;<我nline-formula>
ℝ
n
×
r
表示真正的<我nline-formula>
n
×
r
矩阵空间;<我nline-formula>
C
我
表示一组连续的所有功能<我nline-formula>
我
th偏导数;<我nline-formula>
AB
表示之间的距离<我nline-formula>
一个
和<我nline-formula>
B
;<我nline-formula>
年代
ABCD
表示一个矩形的面积<我nline-formula>
ABCD
。
年代ec><年代ec id="sec2">
2。问题公式化
考虑到switch-regulated buck变换器电路,如图
1。<我nline-formula>
E
是电源电压的电压参数,<我nline-formula>
R
电阻器的电阻,<我nline-formula>
C
电容器的电容,<我nline-formula>
l
电感器的电感,<我nline-formula>
VD
是二极管,<我nline-formula>
VT
是一种PWM驱动门控制开关。控制变量<我nline-formula>
σ
介绍了开关状态来表示,<我nline-formula>
σ
=
1
当<我nline-formula>
VT
=
在
,<我nline-formula>
σ
=
0
当<我nline-formula>
VT
=
从
。也就是说,这样一个控制输入以离散值集<我nline-formula>
0 1
。假设没有电路中噪声;图
2等效电路的图吗
1。
巴克转换器电路。
等效电路的图
1。
为了建立电路模型与调节开关的位置,我们需要做出一个解释这些物理符号。感应电流<我nline-formula>
问
˙
l
尊重循环电荷的导数<我nline-formula>
问
l
,<我nline-formula>
问
C
是电荷存储在电容器,<我nline-formula>
问
C
/
C
电容电压。给出了switch-regulated buck变换器电路
(1)
问
C
C
=
−
R
问
˙
C
−
问
˙
l
,
l
问
¨
l
=
−
R
问
˙
l
−
问
˙
C
+
σ
E
。
用第二个方程为第一,它可以写成
(2)
问
˙
C
=
问
˙
l
−
问
C
钢筋混凝土
,
问
¨
l
=
−
问
C
信用证
+
E
l
σ
。
让<我nline-formula>
x
1
=
问
C
/
C
,
x
2
=
问
˙
l
;动力学方程的推导
(3)
x
˙
1
=
−
1
钢筋混凝土
x
1
+
1
C
x
2
,
x
˙
2
=
−
1
l
x
1
+
1
l
E
σ
,
在哪里<我nline-formula>
x
1
和<我nline-formula>
x
2
分别代表了电容电压和电感电流,和变量<我nline-formula>
σ
是代表的数字控制伺服放大器产生的时间序列,只有把值从二进制设置吗<我nline-formula>
0 1
。让<我nline-formula>
y
=
x
1
,也就是说,输出电容电压,电阻电压。
给定一个光滑的参考信号<我nline-formula>
y
r
t
∈
C
2
ℝ
,在那里<我nline-formula>
y
r
t
,
y
˙
r
t
,
y
¨
r
t
是有界与已知的常数。本文的目的是设计一个开关信号<我nline-formula>
σ
换了巴克转换器(
3),这样,电容电压<我nline-formula>
y
=
x
1
可跟踪给定的参考信号来驱动呢<我nline-formula>
y
r
t
在一个有限的时间;同时,所有的信号产生系统的要求几乎限定时间稳定。
研究限定时间跟踪,我们介绍一些基本概念和引理,将作为发展的基础数字开关控制。
<年代t在ement id="deff1">
定义1。
(见[
29日,
28])。考虑一个非线性系统
(4)
x
˙
=
f
x
,
x
0
=
x
0
,
x
∈
D
⊆
ℝ
n
,
在哪里<我nline-formula>
f
:
D
⟶
ℝ
n
是连续的,<我nline-formula>
f
0
=
0
,<我nline-formula>
D
是一个开放的社区的原点。系统的起源
4)是限定时间稳定(FS),如果是李雅普诺夫稳定和限定时间收敛在一个社区<我nline-formula>
D
0
⊆
D
的原点。通过“限定时间收敛,“我们意味着有一个沉淀时间<我nline-formula>
T
∗
∈
0
,
∞
,这样的<我nline-formula>
∀
x
0
∈
D
0
/
0
,<我nline-formula>
x
t
∈
D
0
/
0
为<我nline-formula>
t
∈
0
,
T
∗
,<我nline-formula>
lim
t
⟶
T
∗
x
t
=
0
,也就是说,
(5)
x
t
=
0
,
∀
t
>
T
∗
。
当<我nline-formula>
D
0
=
D
=
ℝ
n
全球,原点是限定时间稳定平衡。
年代t在ement>
定义2。
(见[
30.])。系统的起源
4)据说是实用限定时间稳定(PFS),如果对所有的初始条件<我nline-formula>
x
0
存在一个常数<我nline-formula>
ε
T
>
0
和沉淀时间<我nline-formula>
T
∗
ε
T
,
x
0
<
∞
,这样
(6)
x
t
≤
ε
T
,
∀
t
>
T
∗
。
备注1。
PFS,如果<我nline-formula>
ε
T
取决于<我nline-formula>
T
和<我nline-formula>
T
⟶
0
,<我nline-formula>
ε
T
⟶
0
,然后PFS FS一样的效果。作为<我nline-formula>
T
变小,绑定<我nline-formula>
ε
T
PFS的变得越来越小,甚至趋于0与有界性的
30.]。
年代t在ement>
引理1。
(见[
31日])。对于任何一个实数<我nline-formula>
x
我
,<我nline-formula>
我
=
1
,
…
,
n
,<我nline-formula>
0
<
p
≤
1
,下面的不平等是适用的:
(7)
x
1
+
⋯
+
x
n
p
≤
x
1
p
+
⋯
+
x
n
p
。
引理2。
(见[
28])。对于系统(
4),假设存在常数<我nline-formula>
一个
>
0
,<我nline-formula>
0
<
β
<
1
,一个正定函数<我nline-formula>
V
x
∈
C
1
:
D
¯
⟶
ℝ
(<我nline-formula>
D
¯
⊂
D
⊂
ℝ
n
是一个原点附近),这样吗
(8)
V
˙
x
≤
−
一个
V
β
x
,
∀
x
∈
D
¯
,
然后,系统的起源
4)是限定时间稳定,沉降时间<我nline-formula>
T
∗
满足
(9)
T
∗
≤
1
一个
1
−
β
V
x
0
1
−
β
。
如果<我nline-formula>
D
¯
=
ℝ
n
和<我nline-formula>
V
x
径向无界,起源的系统(
4)是全球限定时间稳定。
年代ec><年代ec id="sec3">
3所示。脉宽调制及其实现
对于一个非线性系统
(10)
x
˙
=
f
x
+
部
,
x
0
=
x
0
,
在哪里<我nline-formula>
x
∈
ℝ
n
,<我nline-formula>
f
∈
ℝ
n
×
1
是一种局部李普希兹连续函数,<我nline-formula>
B
∈
ℝ
n
是一个常数向量,然后呢<我nline-formula>
u
∈
ℝ
伺服放大器产生的数字控制;它只能从二进制值集<我nline-formula>
0 1
。
为了设计这样的数字控制,我们首先给先验假设系统(
10)。
<年代t在ement id="assump1">
假设1。
存在一个连续的静态控制
(11)
u
=
μ
x
∈
0 1
,
这样的起源闭环系统(
10)和连续静态控制(
11)是限定时间稳定。
实现数字化,有关<我nline-formula>
μ
t
:
=
μ
x
t
责任比例,从数学的角度,PWM控制策略定义为(
32]
(12)
u
=
σ
¯
T
t
=
1
,
t
k
≤
t
<
t
k
+
μ
t
k
T
,
0
,
t
k
+
μ
t
k
T
≤
t
<
t
k
+
T
,
t
k
+
1
=
t
k
+
T
,
t
0
=
0
,
k
=
0、1、2
,
…
,
在哪里<我nline-formula>
t
k
是一个采样时刻<我nline-formula>
T
代表了采样周期,<我t一个lic>
T我t一个lic>是参数。然而,很难实现PWM控制(
12)。一个是如何获得准确<我nline-formula>
μ
t
k
在<我nline-formula>
t
k
与变步决议,另一个来自这样一个事实:PWM控制应该是一个物理伺服电路产生的信号,而不是直接数字信号。
年代t在ement>
备注2。
由(
1),系统(
10)和(
11)的平均模型PWM控制系统(
10)和(
12)。作为<我nline-formula>
T
⟶
0
,这个责任比<我nline-formula>
μ
t
等效控制取代了PWM控制<我nline-formula>
σ
¯
T
t
在(
12)。责任比例<我nline-formula>
μ
t
可能是设计状态反馈函数的形式,因此很容易实现闭环PWM开关系统的一些性能指标。在实践中,作为离散生成PWM控制选通脉冲信号(
33),比较理想的模拟控制信号频坡道。
一个近似实现PWM控制(
12)提出了
(13)
u
=
σ
T
t
=
1
,
μ
t
>
u
0
t
,
0
,
μ
t
<
u
0
t
,
在哪里<我nline-formula>
μ
t
是函数(
11),<我nline-formula>
u
0
t
和大小是一个三角波吗<我nline-formula>
一个
=
1
与同一时期<我nline-formula>
T
(
12)(见图
3)。
如果连续控制(
11)改变PWM实现(
13),系统的稳定性分析(
10)将获得如下。
对PWM实现(
13),我们将讨论之间的关系<我nline-formula>
σ
T
t
和<我nline-formula>
μ
t
的时间间隔<我nline-formula>
0
,
t
。
(14)
∫
0
T
/
2
μ
年代
d
年代
=
年代
OFGE
=
在
2
=
的
办公自动化
T
2
=
哦
OC
T
2
=
OD
OE
年代
OACE
=
年代
OABD
=
∫
0
T
/
2
σ
T
年代
d
年代
。
例(1):<我nline-formula>
∃
n
∈
ℕ
+
,<我nline-formula>
t
=
n
T
;从(
14),
(15)
∫
0
t
σ
T
年代
d
年代
=
∫
0
n
T
σ
T
年代
d
年代
=
∫
0
n
T
μ
年代
d
年代
=
∫
0
t
μ
年代
d
年代
。
例(2):<我nline-formula>
∃
n
∈
ℕ
+
,<我nline-formula>
t
∈
n
T
,
n
+
1
T
;从(
15)和的值<我nline-formula>
μ
t
和<我nline-formula>
σ
T
t
,
(16)
lim
T
⟶
0
∫
0
t
σ
T
年代
d
年代
=
lim
T
⟶
0
∫
0
t
μ
年代
d
年代
−
lim
T
⟶
0
∫
nT
t
μ
年代
d
年代
+
lim
T
⟶
0
∫
nT
t
σ
T
年代
d
年代
=
∫
0
t
μ
年代
d
年代
。
从上面两种情况,如果<我nline-formula>
μ
t
=
一个
一个人,
(17)
lim
T
⟶
0
∫
0
t
σ
T
年代
d
年代
=
∫
0
t
μ
年代
d
年代
,
∀
t
≥
0。
如果<我nline-formula>
μ
t
是一个连续函数,存在简单的函数系列<我nline-formula>
∑
我
=
1
n
一个
我
我
E
我
t
,这样
(18)
μ
t
=
lim
n
⟶
∞
∑
我
=
1
n
一个
我
我
E
我
t
,
在哪里<我nline-formula>
E
1
,
…
,
E
n
是<我nline-formula>
n
不相交的封闭集的<我nline-formula>
0
,
∞
。我们的长度<我nline-formula>
E
我
不到的<我nline-formula>
T
;然后,<我nline-formula>
T
⟶
0
导致<我nline-formula>
n
⟶
∞
。
(19)
∫
0
t
μ
年代
d
年代
=
lim
n
⟶
∞
∑
我
=
1
n
∫
0
t
一个
我
我
E
我
年代
d
年代
=
lim
n
⟶
∞
∑
我
=
1
n
lim
T
⟶
0
∫
0
t
σ
T
年代
我
E
我
年代
d
年代
=
lim
T
⟶
0
∫
0
t
σ
T
年代
d
年代
,
∀
t
≥
0。
系统的解决方案(
10)和(
11)表示为<我nline-formula>
x
μ
和系统的解决方案(
10)和PWM实现(
13)表示为<我nline-formula>
x
σ
T
;由公式(
19),下面的关系
(20)
lim
T
⟶
0
x
σ
T
t
=
x
0
+
∫
0
t
f
x
年代
d
年代
+
B
lim
T
⟶
0
∫
0
t
σ
T
年代
d
年代
=
x
0
+
∫
0
t
f
x
年代
d
年代
+
B
∫
0
t
μ
年代
d
年代
=
x
μ
t
,
∀
t
≥
0。
这意味着
(21)
x
σ
T
t
=
x
μ
t
+
D
T
,
lim
T
⟶
0
D
T
=
0
,
∀
t
≥
0。
根据假设
1系统的起源(
10)和(
11)是限定时间稳定。通过定义
1存在一个解决时间<我nline-formula>
T
∗
∈
0
,
∞
,这样
(22)
x
μ
t
=
0
,
∀
t
>
T
∗
。
从(
22),
21日,我们有
(23)
x
σ
T
t
≤
D
T
,
lim
T
⟶
0
D
T
=
0
,
∀
t
≥
0。
因此,存在<我nline-formula>
e
T
,这样<我nline-formula>
D
T
≤
e
T
,
(24)
x
σ
T
t
≤
e
T
,
lim
T
⟶
0
e
T
=
0
,
∀
t
≥
0。
根据定义
2闭环数字系统的起源(
10)和(
13)几乎是限定时间稳定。
从上面的分析,我们可以得到结果。
年代t在ement>
使用比较器产生脉冲。
产生的脉冲比较<我nline-formula>
μ
=
一个
三角波。
定理1。
对于系统(
10)假设
1如果连续静态控制<我nline-formula>
μ
t
(
11)取而代之的PWM控制<我nline-formula>
σ
T
t
(
13),然后闭环数字系统的起源(
10)和(
13)几乎是限定时间稳定。
年代t在ement>
备注3。
根据定理
1系统(
10)和(
13)几乎是限定时间稳定。从(
24),如<我nline-formula>
T
⟶
0
,<我nline-formula>
e
T
⟶
0
。这意味着采样周期<我nline-formula>
T
可以调小,系统(
10)和(
13)更接近于限定时间稳定。此外,所有的信号都可以任意小足够小<我nline-formula>
T
。
年代t在ement>
4所示。PWM-Based限定时间跟踪
换了巴克转换器(
3),以达到跟踪目标,给出了设计思想如下:
设计逐步退焊法的等效连续控制方法
使用等效连续控制的数字控制生产基于PWM技术
4.1。限定时间状态反馈控制器的设计
系统(
3与等效连续控制)<我nline-formula>
μ
提出了为
(25)
x
˙
1
=
−
1
钢筋混凝土
x
1
+
1
C
x
2
,
x
˙
2
=
−
1
l
x
1
+
1
l
E
μ
。
连续系统(
25),采用推方法设计一个限定时间状态反馈控制器<我nline-formula>
μ
这样,电容电压<我nline-formula>
x
1
跟踪给定的参考电压<我nline-formula>
y
r
t
在一个有限的时间。
介绍了跟踪误差
(26)
z
1
=
x
1
−
y
r
。
步骤1。
从(
25)和(
26),的导数<我nline-formula>
z
1
关于时间证明
(27)
z
˙
1
=
−
1
钢筋混凝土
x
1
+
1
C
x
2
−
y
˙
r
。
选择李雅普诺夫函数<我nline-formula>
V
1
=
1
/
2
z
1
2
的导数,<我nline-formula>
V
1
在系统(
27)是由
(28)
V
˙
1
=
z
1
−
1
钢筋混凝土
x
1
+
1
C
x
2
−
y
˙
r
。
作为<我nline-formula>
1
/
C
x
2
仅仅是一个变量,而不是一个有效的控制输入,(
27)不能被强制执行<我nline-formula>
t
≥
0
。然而,它显示了所需的变量的值<我nline-formula>
1
/
C
x
2
是
(29)
α
1
=
−
c
1
z
1
2
β
−
1
+
1
R
C
x
1
+
y
˙
r
,
在哪里<我nline-formula>
c
1
>
0
和<我nline-formula>
β
∈
1
/
2
,
1
设计参数。用(
29日)(
28),我们有
(30)
V
˙
1
=
−
c
1
z
1
2
β
+
z
1
1
C
x
2
−
α
1
。
步骤2。
事实上,设计错误
(31)
z
2
=
1
C
x
2
−
α
1
。
从(
25)和(
31日),推导<我nline-formula>
z
2
关于时间的收益率
(32)
z
˙
2
=
−
1
信用证
x
1
+
1
信用证
E
μ
−
α
˙
1
。
第二Lyapunov-like函数<我nline-formula>
V
=
V
2
=
V
1
+
1
/
2
z
2
2
的导数,<我nline-formula>
V
在系统(
32)满足
(33)
V
˙
=
−
c
1
z
1
2
β
+
z
1
z
2
+
z
1
z
˙
2
=
−
c
1
z
1
2
β
−
c
2
z
2
2
β
+
z
2
c
2
z
2
2
β
−
1
+
z
1
−
1
l
C
x
1
+
1
l
C
E
μ
−
α
˙
1
,
在哪里<我nline-formula>
c
2
>
0
是一个设计参数。限定时间的状态反馈控制器的设计
(34)
μ
=
信用证
E
−
z
1
−
c
2
z
2
2
β
−
1
+
1
信用证
x
1
+
α
˙
1
。
用(
34)(
33)的结果
(35)
V
˙
=
−
c
1
z
1
2
β
−
c
2
z
2
2
β
。
通过定义<我nline-formula>
z
=
z
1
T
,
z
2
T
T
和<我nline-formula>
V
z
=
1
/
2
z
1
2
+
1
/
2
z
2
2
,<我nline-formula>
V
z
是一个正定函数。从(
35)和引理
1,
(37)
V
˙
=
−
c
1
z
1
2
β
−
c
2
z
2
2
β
≤
−
2
c
1
z
1
2
2
β
−
2
c
2
z
2
2
2
β
≤
−
c
1
2
z
1
2
+
1
2
z
2
2
β
≤
−
c
V
β
,
在哪里<我nline-formula>
c
=
最小值
2
c
1
,
2
c
2
和<我nline-formula>
β
∈
1
/
2
,
1
。根据引理
2闭环误差系统限定时间稳定。此外,基于定义
1,我们可以获得
(38)
z
t
=
0
,
∀
t
≥
T
∗
与
T
∗
≤
1
c
1
−
β
V
1
−
β
z
0
,
z
t
=
0
,
∀
t
≥
T
∗
。
的定义<我nline-formula>
z
,
(39)
x
1
−
y
r
=
0
,
∀
t
>
T
∗
,
也就是说,跟踪误差在有限时间内收敛到原点。此外,从(
38),这意味着<我nline-formula>
z
是有界的。的有界性<我nline-formula>
y
r
,
y
˙
r
,<我nline-formula>
y
¨
r
,它可以获得<我nline-formula>
α
1
和州<我nline-formula>
x
1
,
x
2
是有界的。在那之后,<我nline-formula>
ν
t
:
=
信用证
−
z
1
−
c
2
z
2
2
β
−
1
+
1
/
信用证
x
1
+
α
˙
1
是有界的,存在一个正的常数<我nline-formula>
E
>
0
,这样<我nline-formula>
ν
t
≤
E
。然后,<我nline-formula>
μ
=
ν
t
/
E
∈
−
1,- 1
。我们的开始值电感电流<我nline-formula>
x
1
和电容电压<我nline-formula>
x
2
电路是零,选择设计参数<我nline-formula>
c
1
,
c
2
适当地;我们可以得到<我nline-formula>
μ
t
∈
0 1
,
t
≥
0
。
年代t在ement>
4.2。PWM-Based限定时间跟踪控制器的设计
换了巴克转换器(
3),存在一个等效连续限定时间状态反馈控制(
34),也就是说,
(40)
μ
=
信用证
E
−
z
1
−
c
2
z
2
2
β
−
1
+
1
信用证
x
1
+
α
˙
1
∈
0 1
,
t
≥
0
,
通过选择积极的参数<我nline-formula>
E
,
c
1
,
c
2
适当。基于PWM的实现(
13)和连续信号(
40),二进制PWM控制设计
(41)
σ
=
σ
T
t
=
1
,
μ
t
>
u
0
t
,
0
,
μ
t
<
u
0
t
,
在哪里<我nline-formula>
σ
巴克转换器的数字开关(
3),<我nline-formula>
u
0
t
的三角波周期<我nline-formula>
T
。
为了更清楚地表明该PWM-based限定时间跟踪控制方法,控制框图如图
5,开关信号<我nline-formula>
σ
t
是由PWM技术比较等效连续控制<我nline-formula>
μ
t
通过比较器与固定频率三角波。
此外,<我nline-formula>
z
1
=
x
1
−
y
r
是一个组件的状态吗<我nline-formula>
z
闭环误差系统;基于的话
3,当<我nline-formula>
T
足够小,跟踪误差<我nline-formula>
x
1
−
y
r
可以任意小。
年代t在ement>
备注4。
限定时间点监管问题探讨了连续平均模型(
25- - - - - -
27)与连续控制作为控制输入。相比之下,(
25- - - - - -
27),PWM控制输入(即基于等效控制。,这个责任比funct我on) is considered for finite-time trajectory tracking of switched power converters in this paper, and here the digital control is the system input.
年代t在ement>
5。仿真结果
例1。
调查提出的控制方法的有效性,给出了仿真结果如下。
相应的闭环系统被认为是两种不同的情况:
连续模型(
25基于限定时间状态反馈控制器(
40)
换了巴克转换器(
3基于PWM-based限定时间跟踪(
41)
在仿真中,假设输出参考电压跟踪<我nline-formula>
y
r
t
=
2
+
罪
t
;电路参数<我nline-formula>
E
=
8
V,<我nline-formula>
l
=
0.2
H
,<我nline-formula>
C
=
0.001
F,<我nline-formula>
R
=
5
Ω
;初始值<我nline-formula>
x
1
0
=
问
C
0
/
C
=
0
和
x
2
0
=
问
˙
l
0
=
0
;和设计参数<我nline-formula>
c
1
=
80年
,<我nline-formula>
c
2
=
80年
,<我nline-formula>
β
=
99年
/
101年
,<我nline-formula>
T
=
0.001
。