基于规范驱动的整数阶与分数阶超前-滞后校正器级联控制Boost DC-DC变换器集成化设计方法与实现

《Electronics》：Integrated Analytical Design of Boost DC–DC Converters and Cascade Current-Mode Control Using Integer- and Fractional-Order Lead–Lag Compensators

　　

摘要

本文提出了一种基于规范驱动的集成化分析方法，用于级联控制的Boost DC–DC变换器的设计及其实际实现，该方法采用整数阶和分数阶超前-滞后校正器。与经验调参和优化方法不同，所提出的框架从规定的暂态和稳态性能要求中解析地推导出控制器参数，并且对于分数阶超前-滞后（FO–LL）控制器，显式地将控制努力水平作为额外的设计规格加以纳入。该方法将变换器规格确定、平均小信号建模、控制器综合、分数阶动力学的有理近似、电子实现以及基于软件辅助的验证整合到一个可复现的工作流中，该工作流在MATLAB、Simulink和Simscape中实现。该方法首先通过一个数值评估案例进行验证，该案例考察了对分数近似阶数、偏离标称工作点运行、变换器参数变化、控制器元件容差以及负载扰动的敏感性。随后，通过一个基于第二个采用混合整数阶超前-滞后（IO–LL）/分数阶超前-滞后（FO–LL）级联配置的Boost变换器的独立实验实现案例来展示其实用可行性，并通过三个验证层级进行评估——模块级仿真、开关电路级仿真和实验评估。电路级和实验评估在各自的测试条件下表现出一致的暂态行为，代表性过冲量分别为和，而实验样机的稳态误差约为，转换效率约为。总体而言，结果表明所提出的方法提供了一条从性能规范到控制器实际实现的系统且可复现的路径，同时在所评估的建模、运行和硬件变化条件下保持了稳定的运行以及面向实现的合理控制努力水平。