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一种基于升压变换器反对称结构的扰动控制方法

2025-9-4 12:00

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本次分享“Perturbation control based on the antisymmetric structure of boost converters (一种基于升压变换器反对称结构的扰动控制方法)”。

升压变换器 (Boost Converter)，又称升压电路，是一种DC-DC转换器，用于将较低的输入电压提升到较高的输出电压，拥有十分广泛应用，包括便携式电子设备、汽车电子、工业与医疗设备等诸多领域。然而，如何有效地控制这种转换过程以实现快速响应和高精度是一个十分具有研究价值和挑战性的问题。扰动控制(perturbation control)是一类主动应对干扰的技术，旨在维持系统稳定性、精度与性能。其核心原理是通过反馈机制或前馈补偿，实时检测扰动并动态调整控制输入，以抵消扰动影响。当前，尽管已有诸多将扰动控制技术用于实现升压变换器的特定输出的研究工作，但这些结论在某种程度上忽略了构成该输出的反对称结构。本文将试图克服这一不足之处。

Perturbation control based on the antisymmetric structure of boost converters (一种基于升压变换器反对称结构的扰动控制方法)

作者：Francisco Javier Rosas 1, José de Jesús Rubio 1, Manuel Olan 1, Eduardo Orozco 1, Ricardo Balcazar 1, Jesus Alberto Meda-Campaña 2, Carlos Aguilar-Ibañez 3, Santos Miguel Orozco 4

机构：1 墨西哥国家理工学院Esime阿兹卡波察尔科校区研究生与研究部；2 墨西哥国家理工学院Esime扎卡特科校区研究生与研究部；3 墨西哥国家理工学院计算研究中心；4 墨西哥城自治大学Cuautepec校区科学与技术学院

引用此文：Rosas, F.J., Rubio, J.d.J., Olan, M.et al. Perturbation control based on the antisymmetric structure of boost converters. Control Theory Technol. (2025).https://doi.org/10.1007/s11768-025-00259-5

全文链接：https://rdcu.be/etYKT

摘要

双线性结构在升压变换器中十分常见，尽管其表现出一定的复杂性，但在某些限制条件下，一些控制方法给出了通用的解决方案。其中，对于特定输出结构，包含升压转换器误差动态的无源控制是值得关注的。尽管基于无源性的无源控制表现出足够的性能，本文提出了一种基于升压变换器反对称结构的扰动控制，以在收敛速度和均方误差方面实现更好的性能。此外，扰动控制需要较少的误差信息来构建控制信号，因为它不需要来自所有状态或整个无源输出的信息。扰动控制利用升压变换器的无源性来确保其稳定性。最后，将微扰控制与升压转换器中的无源控制进行了比较。

引言

在工程领域中，存在一些具有特殊性质的系统，它们能够接收某一特定输入信号，并对其进行变换后输出。例如升压变换器，这类装置可以将直流信号转换为交流信号，或根据需要将交流信号转换为直流信号。关于升压变换器已有大量研究，这充分体现了其重要性。这类系统也广泛存在于其他应用中，例如汽车变速器中的无级变速器和发电机，后者通常将机械能转换为电能。因此，研究这些系统具有重要的工程价值。

升压变换器的数学模型可以用双线性模型来表示。这种双线性结构使得研究人员能够开发出利用无源性特性的控制方法，例如无源控制和比例积分无源控制。研究表明，对于这类双线性系统，在给定某种输出结构的前提下，可以观察到其无源性，并据此设计无源控制器和PI无源控制器。本文目标是利用与升压变换器无源输出相关的能量特性，提出一种基于反对称结构的扰动控制方法，以提高收敛速度和降低均方误差方面，并通过仿真验证其在控制性能方面的优势。在构建控制信号时，扰动控制并未采用需要所有状态误差信息的无源输出形式，而是使用了一种仅需不直接关联能量耗散状态误差信息的结构。这些状态通过互连矩阵与具有直接耗散的状态相连接，从而实现控制目标。本文的扰动控制方法使用升压变换器的无源性来确保系统的稳定性。

结论

本文研究了一种功率转换系统，其特征在于控制信号不直接耦合到输入端，而是通过动态系统的互连起作用。如文中所述，已有无源控制与这些升压转换器充分配合使用的结论。尽管这些无源控制考虑了升压转换器可能针对特定输出呈现的无源结构，但它们不知何故忽略了形成该输出的矩阵的反对称结构。本文所提出的扰动控制方法基于这种反对称结构工作，并利用它来实现更好的系统性能，扰动控制利用升压转换器的无源性来确保其稳定性。此外，本文给出了现有结论的控制增益的局限性，并且在所述示例中不需要同时感测两个信号，从而降低了实施成本。所提出的扰动控制仅通过状态1中的误差反馈来实现其控制目标，这与通常用于这种升压变换器的无源和PI无源控制策略不同，后者需要测量两种状态的误差。本文是一项独立的研究。未来工作中，这种扰动控制方法将被推广并应用于其他类型的系统中。

作者介绍

Francisco Javier Rosas，墨西哥国家理工学院阿兹卡波察尔科校区研究生与研究部的在读博士生。他已在国际期刊上发表6篇论文。他的研究兴趣为机器人系统、控制论与智能系统。

José de Jesús Rubio，墨西哥国家理工学院阿兹卡波察尔科校区研究生与研究部的教授。他在国际期刊上发表了超过183篇论文，被Scopus数据库引用4137次。他曾担任IEEE Transactions on Neural Networks and Learning Systems的资深编委，并曾担任以下期刊的副主编：IEEE Transactions on Fuzzy Systems,Neural Networks, Neural Computing & Applications, Frontiers in Neurorobotics, 他还曾担任以下期刊的客座编辑：Neurocomputing, Applied Soft Computing, Journal of Supercomputing, Mathematics, Sensors, Machines, Computational Intelligence and Neuroscience, Frontiers in Psychology, Journal of Real-time Image Processing, Computer Science and Information Systems, 此外，他指导过4位博士后、27名博士生、49名硕士生、4名学士研究员和17名本科生。

Manuel Olan，墨西哥国家理工学院阿兹卡波察尔科校区研究生与研究部的在读博士生。他已在国际期刊上发表2篇论文。他的研究兴趣为机器人系统、控制理论与智能系统。

Eduardo Orozco，是墨西哥国家理工学院阿兹卡波察尔科校区研究生与研究部的在读博士生。他已在国际期刊上发表9篇论文。他的研究兴趣为机器人系统、控制理论与智能系统。

Ricardo Balcazar，曾是墨西哥国家理工学院阿兹卡波察尔科校区研究生与研究部的博士生。他在国际期刊上发表了18篇论文。他的研究兴趣为机器人系统、控制理论与智能系统。

Jesus Alberto Meda-Campaña，墨西哥国家理工学院扎卡特科校区研究生与研究部的教授。他目前担任IEEE Transactions on Fuzzy Systems的副主编。他在国际期刊上发表了66篇论文。他的研究兴趣为机器人系统、控制理论与智能系统。

Carlos Aguilar-Ibañez，墨西哥国家理工学院计算研究中心的教授。他在国际期刊上发表了98篇论文。他的研究兴趣为机器人系统、控制理论与智能系统。

Santos Miguel Orozco，墨西哥城自治大学Cuautepec 校区科学与技术学院的专职教授。他在国际期刊上发表了七篇论文。他的研究兴趣为机器人系统、控制理论与智能系统。

期刊简介

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Control Theory and Technology (CTT), 中文名《控制理论与技术》, 创刊于2003年，原刊名为Journal of Control Theory and Applications，2014年刊名更改为Control Theory and Technology。由华南理工大学与中国科学院数学与系统科学研究院联合主办，主要报道系统控制科学中具有新观念、新思想的理论研究成果及其在各个领域中的应用。目前被 ESCI (JIF 1.5)、EI、Scopus (CiteScore 3.2)、CSCD、INSPEC、ACM 等众多数据库收录, 并于2013–2018年获得两期中国科技期刊国际影响力提升计划项目资助。2017–2021年连续获得“中国最具国际影响力学术期刊”和“中国国际影响力优秀学术期刊”称号，获得广东省高水平科技期刊建设项目(2021-2024年)，2022-2024年进入中国科协自动化学科领域高质量科技期刊目录。

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