学术简报︱Buck变换器的鲁棒离散积分滑模控制
中国石油大学（华东）信息与控制工程学院、青岛黄海学院智能制造学院的研究人员郑长明、张加胜、许睿、张国程，在2019年第20期《电工技术学报》上撰文指出，Buck变换器在受到参数摄动和外部负载扰动时，传统电压PI控制无法获得满意的动态响应和抗扰性，且传统滑模控制多基于连续时间域和电压单闭环设计，不仅在离散实现时存在稳定性问题，而且电压动态特性较双闭环控制差得多。为此，提出Buck变换器的一种鲁棒离散积分滑模（DISM）电压控制策略。
首先，在保留传统双闭环控制电流内环的基础上，重建含集中扰动的离散电压模型，设计全局鲁棒性DISM电压控制器，提高了输出电压的动态品质和抗扰性。其次，利用“延迟扰动估计”策略对集中扰动进行在线估计和补偿，使得控制器可工程实现并抑制滑模抖振。最后，给出所提出控制器的稳定性分析和参数设计准则，并与传统电压PI控制进行仿真和实验对比，验证了所提控制器优越性。
Buck变换器是现代电力电子技术的重要组成部分之一，目前在航空航天、直流电机驱动、LED驱动、电动汽车充电和新能源发电等工业领域得到广泛应用。
传统Buck变换器电压控制常采用线性比例-积分（Proportional-Integral, PI）控制，但因其无法完全适应Buck变换器的模型非线性及各种扰动等原因，而无法满足高性能控制的要求。近年来，非线性控制策略在DC-DC变换器中的应用日益广泛，旨在进一步优化输出电压的动态品质和控制精度。其中，滑模控制以其形式简单、动态性能优良和对系统不确定扰动具有强鲁棒性的优点，在Buck变换器高性能控制领域取得了诸多成果。
有学者基于输出电压误差及其一阶导数设计了传统单环线性滑模控制器，电压鲁棒性较传统PI控制得到了一定改善，但其引入了电压微分且采用滞环变频控制，对系统噪声较敏感。
有学者提出了基于脉宽调制（Pulse Width Modulation, PWM）的PI型电压单环滑模控制器，揭示了等效控制与占空比间的本质联系，实现了定频控制。
但以上滑模控制策略均基于电压单闭环设计，其输出电压动态响应相比双闭环控制要差得多，且未考虑不确定性扰动对输出电压的影响。
有学者将电压前馈策略应用于Buck-Boost变换器双闭环控制中，有效提高了输出电压对扰动的抑制能力。
有学者考虑了Boost变换器输入电压和负载扰动的影响，设计了基于状态观测器的自适应滑模电压控制器，增强了系统鲁棒性。
有学者针对Buck变换器存在的非匹配扰动，分别构造了传统扰动观测器和扩张扰动观测器，实现了对非匹配扰动的在线观测和补偿，提升了系统的负载适应力，但引入了较多待设计参数。
有学者设计了Buck变换器的双闭环有限时间收敛终端滑模控制策略，仿真结果表明其可提高系统暂态、稳态品质，但设计相对复杂，且未给出实验验证。
此外，上述文献中的滑模控制律均基于连续时间域滑模理论及其稳定性判据设计，并进行数字实现。而数字计算机和DSP控制器在本质上属于离散系统，其控制信号在每个采样时刻仅更新一次，使得连续时间域滑模理论中的理想滑动模态无法直接实现，而只能够到达其邻域附近的准滑动模态（Quasi Sliding Mode, QSM）。
因此，离散滑模的稳定性判据与连续滑模也有很大不同。如果不考虑此影响，而将连续时间域滑模控制律直接在离散系统中实施，则可能引起系统抖振或失稳等不良后果。因此，研究Buck变换器的离散滑模控制是必要的：①其设计步骤不会受到采样时间的影响；②因其能达到准滑动模态，故通过合理措施能够消除其抖振问题。
国内外关于Buck变换器离散滑模控制的报道并不多；有学者分别针对Buck变换器的电压、电流环设计了全数字离散滑模控制器，改善了系统输出电压、电流品质；有学者提出了一种Buck变换器单环定频离散滑模电压控制策略，拓宽了其工作范围和带载能力。
针对上述问题，本文提出了一种Buck变换器的鲁棒离散积分滑模（Discrete Integral Sliding Mode, DISM）电压控制策略。其核心思想是：基于传统的双闭环控制架构，结合扰动估计补偿技术，设计出一种动态性能更优、鲁棒性更强的电压外环离散滑模控制器。控制器采用全数字化实现，降低了传统模拟电路实现的复杂度，提高了工程应用通用性。最后，仿真和实验验证了所提控制策略的优越性。
图4 Buck变换器实验样机
1）针对Buck变换器存在集中扰动时，传统线性PI控制和连续时域滑模控制存在的不足，构建了一种基于鲁棒离散积分滑模的电压外环控制策略，提高了输出电压的动态品质和抗扰性。
2）引入了一种简单的“延迟扰动估计”策略，实现了对系统集中扰动的在线估计，并将估计集成到鲁棒DISM控制器中形成补偿，既使得控制器可以工程实现，又进一步增强了系统输出电压对负载变化的抗扰性，并削弱了抖振。
3）给出了鲁棒DISM电压控制器的稳定性证明和参数选取准则。仿真和实验结果表明，采用本文所提控制策略下的系统动态响应和抗扰性能均比传统PI控制更优。