本发明涉及电力电子变换器领域，具体利用新型二阶滑模的控制方法来提高功率变换器的动态性能和稳态性能，提升系统的鲁棒性，进一步削弱滑模控制中存在的抖振问题。
背景技术：
boost功率变换器是一种dc-dc的开关电源，其拓扑结构简单、元器件少及较好的工作可靠性，在航天、能源、电动汽车和医疗等行业都有比较广泛的应用。现在传统上基本上控制方式都是pi控制，一般通过两种方式来实现，(1)通过电阻、电容、运算放大器和模拟控制芯片等器件组成的模拟pi控制器来实现控制和调节；(2)通过数字芯片(例如：stm32、dsp、fpga等)和编写pi程序代码来实现控制和调节。但是由于boost功率变换器是一种典型的非线性系统，而pi是一种经典的线性系统控制方法。所以当用一种线性控制方法来控制一个非线性系统不是合适的，虽然可以使系统在有限时间内达到稳定，但是其动态性能和稳态性能仍有一定的改善空间。针对这种非线性系统，本发明这里提出的二阶滑模算法是一种不连续的控制方法，该方法不仅考虑了状态空间中误差状态的位置而且还考虑了误差运动的信息，使得误差状态按照指数收敛于滑模面。该方法针对这种非线性系统所设计，对改善其动态性能和稳态性能都有比较好的效果，增强了系统的鲁棒性。
对于滑模算法，从理论上来说需要开关器件的开关速度达到无限的快，但是实际中由于器件等因素却做不到。因此在滑模面切换的过程中会出现抖振现象。因此解决或者减小抖振问题，将成为本领域解决问题的关键。
技术实现要素：
本发明是一种基于新型二阶滑模算法的boost功率变换器控制方法。通过在一阶滑模的输入端加入积分器，将显示实际的控制信号及其导数，并将其导数连续积分从而解决或者减小一阶滑模抖振问题。具体步骤如下：
步骤一：建立boost变换器控制系统的非线性数学模型；
步骤二：分析新型二阶滑模控制器需要满足的条件；
步骤三：建立基于boost变换器的新型二阶滑模控制器。
首先，需建立boost功率变换器控制器系统非线性数学模型，具体如下：
其中，vi是输入电压；vo是输出电压；u是控制器输出，仅有两个状态，即0和1，
接着，基于滑模变量s相对于控制器u的相对程度为2，分析控制器需满足的条件，具体设计为：
滑模面第一阶段导数有：
滑模面的二阶导数有：
其中，
其中，il是电感的电流；
最后，设计基于boost功率变换器的新型二阶滑模控制器：
这里首先定义一个函数：
x是函数的自变量，α是任意数，sign(x)是符号函数；
新型二阶滑模控制器设计为：
其中β1、a、r1、r2是已知常量，需满足β1＞0、a＞r1≥r2＞0、
控制参数需满足以下要求：
设计中间变量：
其中，β1、a、r1、r2、ρ是已知常量，需满足β1＞0、a＞r1≥r2＞0、c1(β1)、c2(β1)是中间变量。
发明的有益效果：
本发明设计的新型二阶滑模控制器，直观上来说：可以提升系统的稳态性能和动态性能；微观上来说：利用改进的加法积分器，从理论上和实验上证明了全局有限时间稳定和收敛，大大改善了一阶滑模出现的抖振问题。
附图说明
图1为boost控制系统框图。
图2为boost功率变换器启动阶段波形。
图3为boost功率变换器突然变载波形。
图4为boost功率变换器突然变压波形。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
以下通过具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可以通过本说明书所揭露的内容轻易实施。
本发明所用的拓扑结构为boost功率变换器，如图1所示，其中包含的器件有：直流电压源vi、开关管vl、二极管d、电感l、输出电容c、负载r。所述二阶滑模控制器，利用滑模面设计控制器。具体参数如下：输入电压vi＝12v，输出电压期望值vo＝24v，电感l＝200μh，输出电容c＝1000μf，负载电阻r＝50ω，系统频率f＝150khz。
一种基于boost变换器新型的二阶滑模控制算法，所述方法的实现过程为：
步骤一：需建立boost功率变换器控制器系统非线性数学模型，具体如下：
其中，vi是输入电压；vo是输出电压；u是控制器输出，仅有两个状态，即0和1，
步骤二：基于滑模变量s相对于控制器u的相对程度为2，分析控制器需满足的条件，具体设计为：
滑模面第一阶段导数有：
滑模面的二阶导数有：
其中，
其中
步骤三：设计基于boost功率变换器的新型二阶滑模控制框图，具体控制方法如图1所示：
这里首先定义一个函数：
x是函数的自变量，sign(x)是符号函数；
新型二阶滑模控制器设计为：
其中β1、a、r1、r2是已知常量，需满足β1＞0、a＞r1≥r2＞0、
设计中间变量：
其中，新型二阶滑模参数可取ρ＝4.0、a＝4.0、r1＝2.0、r2＝1.0、β＝1.5满足β1＞0、a＞r1≥r2＞0。
实施例：通过以下仿真结果来对设计进行验证：
下面给出了三种情况的对比，系统启动时刻即系统开始响应至系统稳态，对比pid算法，一阶滑模算法，新型二阶滑模算法的输出波形；系统突然改变负载，比较pid算法，一阶滑模算法，新型二阶滑模算法的输出波形；系统突然改变电压，比较pid算法，一阶滑模算法，新型二阶滑模算法的输出波形。
情况1：boost功率变换器启动阶段波形
如图2：在给定电压为12v，输出电压为24v情况下，给出本文发明的新型二阶滑模控制器与一阶滑模控制器和pid滑模控制器所产生输出进行对比，对比系统的响应速度、系统超调、达到稳态时间。从仿真结果可以得出：无论是从超调，还是响应时间等动态指标和稳态指标来看，新型二阶滑模都要好于一阶滑模和pid算法。
情况2：boost功率变换器突然变载波形
如图3：如图3所示在给定电压为12v，输出电压为24v情况下，将负载电阻由50ω突然改变为100ω，观察其变载瞬间输出电压变化。从仿真图来看，一阶滑模和pid算法存在抖动现象，而新型二阶滑模则很好消除了该缺点；一阶滑模和pid存在一定稳态误差，而新型二阶滑模几乎没有。从仿真结果来说：新型二阶滑模要好于一阶滑模和pid滑模。
情况3：boost功率变换器突然变压波形
如图4：如图4所示在给定电压为12v，输出电压为24v情况下，输入电压由12v突然改变为18v，观察其变载瞬间输出电压变化。从仿真结果来看，在变压瞬间，新型二阶滑模出现了一个冲高电压，但是接下来仍旧可以跟踪上目标电压。这个冲高电压都要高于一阶滑模和pid滑模，但是其输出电压的跟踪效果来看要好于一阶滑模和pid。从仿真效果来看，新型二阶滑模与一阶滑模和pid各具有自己优势。
上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施方式的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施方式或变更均应包含在本发明的保护范围之内。
1.一种基于新型二阶滑模算法的boost功率变换器控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一：建立boost变换器控制系统的非线性数学模型；
步骤二：分析新型二阶滑模控制器需要满足的条件；
步骤三：建立基于boost变换器的新型二阶滑模控制器。
2.根据权利要求1所述的一种基于新型二阶滑模算法的boost功率变换器控制方法，其特征在于，所涉及boost功率变换器控制系统非线性数学模型为：
其中，vi是输入电压；vo是输出电压；u是控制器输出，仅有两个状态，即0和1，
3.根据权利要求2所述的一种基于新型二阶滑模算法的boost功率变换器控制方法，其特征在于，滑模变量s是相对于控制器u自由度为2的二阶滑模，二阶滑模控制器需要满足的条件：
其中，il是电感的电流；
4.根据权利要求3所述的一种基于新型二阶滑模算法的boost功率变换器控制方法，其特征在于，新型滑模控制器设计为：
其中，β1、a、r1、r2是已知常量，需满足β1＞0、a＞r1≥r2＞0；
5.根据权利要求4所述的一种基于新型二阶滑模算法的boost功率变换器控制方法，其特征在于，所述新型滑模控制器参数需要满足以下要求：
x是函数的自变量，α是任意数，sign(x)是符号函数；
设计中间变量：
其中，β1、a、r1、r2、ρ是已知常量，需满足β1＞0、a＞r1≥r2＞0、c1(β1)、c2(β1)是中间变量，β2 和β2-是与输出变量相关的函数。
6.根据权利要求5所述的一种基于新型二阶滑模算法的boost功率变换器控制方法，其特征在于，
7.根据权利要求5所述的一种基于新型二阶滑模算法的boost功率变换器控制方法，其特征在于，
8.根据权利要求1-7任一项所述的一种基于新型二阶滑模算法的boost功率变换器控制方法所应用的一种boost功率变换器，其特征在于，包括：直流电压源vi、开关管vl、二极管d、电感l、输出电容c、负载r；具体参数如下：输入电压vi＝12v，输出电压期望值vo＝24v，电感l＝200μh，输出电容c＝1000μf，负载电阻r＝50ω，系统频率f＝150khz。
技术总结