H∞ Suboptimal Tracking Control for Bilinear Power Converter Systems with Dynamic Feedback - Theory and Experiment

Schmidt, Bernd GND

In this thesis, bilinear power converters are considered that arise for state-averaged models in continuous conduction mode. Since such power converters are often not feedback linearizable with respect to the output to be controlled,they are an interesting and demanding class of control systems. One control objective for the considered system class is to include trajectory tracking in the system equations. With a state and input transformation into the so called error system representation, where the error between real variables and reference variables is considered, the error system equations show to be time-varying. Another objective is to cope with disturbances, noise, parameter uncertainties, etc. Therefore, integral feedback is included in the feedback strategy, which leads to input-affine systems with a special structure due to the originally bilinear system equations. A slightly different strategy is a disturbance feedback approach. It addresses the same control objectives, is structurally similar to integral feedback and allows for more freedom in choice of feedback design parameters. However, it is less general and requires online-replanning of the reference trajectory. For state feedback design, we choose H∞ control with a quadratic performance functional since we want to have low control effort and want to keep the error of the output to be controlled small in case of appearing disturbances. Finally, so as to address stability properties in the closed-loop, integral Input-to-State Stability (iISS) theory is a good choice to cope with nonzero disturbances. In order to guarantee stability for the closed-loop system in the presence of disturbances, we link the solution of the nonlinear H control problem with iISS. It is possible to derive conditions, when the suboptimal state feedback H∞ control problem for the bilinear power converter systems with integral feedback / disturbance feedback and trajectory tracking can be solved. At the same time, it can be shown that the closed-loop systems is iISS. To underline the generality of the approach, the obtained theory for bilinear power converter systems is extended to general bilinear systems and it is even possible to discuss the more demanding multiple-input case. Equipped with the required theory to solve the posed control problem, we address the experimental setup of a boost converter / DC motor system. Here, the control task is to track the angular velocity of the motor shaft and attenuate appearing load disturbances. Therefore, we implement disturbance feedback and proof boundedness of trajectories for the online-replanning of the approximate trajectory generation method. Various experiments are presented in order to investigate the applicability of the approach.

In der vorliegenden Dissertation werden bilineare Leistungskonvertersysteme untersucht, wie sie für Modellgleichungen mit gemittelten Zuständen im kontinuierlichen Betrieb (engl. "continuous conduction mode")auftreten. Da eine große Zahl dieser Leistungskonverter nicht eingangs-zustandslinearisierbar hinsichtlich des Regelausgangs und dann oft sogar nicht-minimalphasig sind, zählen sie zur Klasse der schwierig zu regelnden Systeme. Ein Regelungsziel für die betrachtete Systemklasse ist die Berücksichtigung von Referenztrajektorien für einen Wunschausgang des Systemmodells. Dazu wird ein sogenanntes Fehlersystem eingeführt, das die Differenz zwischen tatsächlichen Größen und Referenzgrößen widerspiegelt. Aufgrund der Bilinearität der ursprünglichen Modellgleichung ist dieses Fehlersystem dann zeitvariant. Ein weiteres Ziel ist das Ausregeln von auftretenden Störungen, Messrauschen, Modellunsicherheiten, usw., was üblicherweise anhand eines Integratoranteils (kurz: I-Anteils) im Regelgesetz berücksichtigt wird. Ein I-Anteil ist eine dynamische Erweiterung der Zustandsgleichungen und führt zu einem zusätzlichen Zustand. Damit die zusätzliche Differentialgleichung nicht entkoppelt vorliegt, muss mit einer geeigneten Eingangstransformation dafür gesorgt werden, dass der Integriererzustand im Regelgesetz vorkommt. Dadurch wird jedoch die ursprüngliche Bilinearität der Gleichungen zerstört, so dass am Ende ein eingangsaffines System vorliegt, das aber natürlich aufgrund der Bilinearität der ursprünglichen Systemgleichungen eine spezifische Struktur aufweist. Eine ähnliche Herangehensweise wie beim I-Anteil ermöglicht die Schätzung und Rückführung der Störung, womit dieselben Regelungsziele verfolgt werden wie bei der Variante mit dem I-Anteil. Hier führt die dynamische Erweiterung mit dem Schätzer im Gegensatz zum I-Anteil allerdings wieder auf eine bilineare Systemgleichung. Allerdings ist dieser Ansatz weniger allgemein und erfordert eine Neuplanung der Referenztrajektorien in Echtzeit, birgt aber mehr Freiheiten in der Wahl der Reglerparameter für den geschlossenen Regelkreis. Als Rückführstrategie wird eine H∞-Zustandsregelung gewählt, um auftretenden Störungen mit möglichst minimalem Stellaufwand auszuregeln. Außerdem soll gleichzeitig der Fehler des Regelausgangs klein gehalten werden. Um schließlich die Stabilität des geschlossenen Regelkreises für nichtverschwindende Störungen untersuchen zu können, wird die sogenannten integral Input-to-State Stability (iISS) verwendet. Als Ergebnis der Arbeit können Bedingungen formuliert werden, wann eine suboptimale H∞-Zustandsregelung gefunden werden kann. Unter Annahme dieser Bedingungen folgt dann sofort die iISS-Eigenschaft des geschlossenen Regelkreises. Die Allgemeinheit des Verfahrens zeigt sich dadurch, dass es sogar möglich ist, den vorgestellten Ansatz auf allgemeine bilineare Systeme mit mehreren Eingängen zu erweitern. Das experimentelle Beispiel eines Hochsetzstellers in Kombination mit einem Gleichstrommotor wird dann zum Testen des Regelentwurfsverfahrens herangezogen. Dabei ist die Regelungsaufgabe, die Winkelgeschwindigkeit der Motorwelle einer vorgegeben Referenztrajektorie nachfahren zu lassen und auftretende Laststörungenauszuregeln. Dazu wurde die Variante der dynamischen Erweiterung anhand der Rückführung der Störung mit Trajektorienneuplanung verwendet. Mit einer suboptimalen H∞-Zustandsregelung wird der Regelkreis geschlossen, so dass iISS gewährleistet werden kann. Für die Echtzeitgenerierung der durch ein Approximationsverfahren ermöglichten Trajektorienneuplanung wird außerdem Beschränktheit gezeigt. Eine Vielzahl von Experimenten dient der genaueren Untersuchung des Verfahrens.

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Schmidt, Bernd: H∞ Suboptimal Tracking Control for Bilinear Power Converter Systems with Dynamic Feedback - Theory and Experiment. 2011.

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