基于malab的開關(guān)電源優(yōu)化設(shè)計

基于malab的開關(guān)電源優(yōu)化設(shè)計

1變壓器的結(jié)構(gòu)特點近年來，廣泛應(yīng)用于能源系統(tǒng)、郵政通信、軍事裝備、通信設(shè)施、儀器儀表、工業(yè)設(shè)備和家用電器等領(lǐng)域。這是因為新的電子元器件、新電磁材料、新變換技術(shù)、新控制理論及新的軟件不斷地出現(xiàn)并應(yīng)用到開關(guān)電源上，使開關(guān)電源具有頻率高、效率高、功率密度高、功率因數(shù)高、可靠性高等特點。開關(guān)電源根據(jù)其使用狀況的不同，有不同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，大功率的開關(guān)電源普遍采用全橋變壓器隔離式結(jié)構(gòu)，如圖1所示。這種結(jié)構(gòu)中，開關(guān)元件承受較小的開關(guān)電壓和電流強(qiáng)度，因此廣泛被采用。這種結(jié)構(gòu)原理比較簡單，控制方式多種多樣，關(guān)鍵技術(shù)在于主電路每一個元件參數(shù)都直接影響開關(guān)電源的性能，如電磁兼容性能、電氣性能等。以往在工程設(shè)計中采用的方法是首先用工程估算和Matlab仿真進(jìn)行參數(shù)設(shè)計，再在試驗運行過程進(jìn)行調(diào)試、改變參數(shù)以期達(dá)到某些指標(biāo)。一般情況下，開關(guān)電源設(shè)計的第二個過程較長，有時還需要進(jìn)行拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的調(diào)整，材料的消耗也很大。采用這種設(shè)計方法的根本原因主要在于目前還無合適的理論用于建立開關(guān)電源的準(zhǔn)確模型，僅利用Matlab仿真無法作到電源的優(yōu)化設(shè)計，使得開關(guān)電源在設(shè)計和制造過程中有比較大的不確定性。本文利用實驗數(shù)據(jù)、Matlab仿真數(shù)據(jù)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論對大容量開關(guān)電源建模進(jìn)行了探討和實現(xiàn)，利用建立的開關(guān)電源模型指導(dǎo)110V大功率開關(guān)電源的優(yōu)化設(shè)計和制作。2psb仿真電路設(shè)計由于開關(guān)電源在本質(zhì)上是一個離散的，非線性系統(tǒng)，所以要建立統(tǒng)一的傳函在實現(xiàn)上很困難。Matlab是一個高級的數(shù)學(xué)分析軟件，Simulink是運行在Matlab環(huán)境下，用于建模、仿真和動態(tài)分析系統(tǒng)的軟件包，利用Simulink軟件中的電力系統(tǒng)工具箱對開關(guān)電源進(jìn)行仿真分析是開關(guān)電源設(shè)計過程的一個重要步驟。開關(guān)電源主電路中主要有以下元器件：高頻變壓器、二極管、開關(guān)管、電阻、電容和電感等等，這些元件可以利用PSB中現(xiàn)成的或組合起來的元件進(jìn)行模擬，從而可對開關(guān)電源的工作狀態(tài)進(jìn)行直觀和高效的仿真，仿真模型如圖2所示。在仿真之前需要設(shè)定Simulink的解題器（Solver）的參數(shù)。PSB將仿真計算過程建立在基本的電路原理和微分方程數(shù)值求解的基礎(chǔ)上。PSB針對主回路建立的常微分方程組形式如下其中，Α為m×m矩陣，由于PSB準(zhǔn)確模擬了IGBT和二極管的動態(tài)性能，因此PSB針對開關(guān)電源建立的常微分方程是剛性方程組，即矩陣Α的特征值相差十分大。針對這種情況，仿真算法采用可變階次的數(shù)值微分公式（NDFS），即ode15s算法，該方法適合解決用Runge-Kutta法不能解決的剛性問題。仿真步長選擇變步長方式，可由PSB根據(jù)需要自動調(diào)節(jié)，以保證解的穩(wěn)定性和計算速度。3基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)電源輸出映射關(guān)系的構(gòu)建3.1bp神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型開關(guān)電源工程優(yōu)化設(shè)計就是在一組參數(shù)中尋求一個最優(yōu)解，用這組最優(yōu)解設(shè)計電路，可以使電路的某些性能或技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)達(dá)到最優(yōu)，即滿足某個目標(biāo)函數(shù)。所以在工程優(yōu)化設(shè)計的過程中，開關(guān)電源模型的建立顯得十分重要。如果能夠利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)能力在要設(shè)計的參數(shù)和最后的目標(biāo)函數(shù)之間建立某種非線性的聯(lián)系，使這種非線性的聯(lián)系通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)以后保存在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)和權(quán)中，就能得到基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的開關(guān)電源工程設(shè)計的模型。Matlab6.1下的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)工具箱提供各種結(jié)構(gòu)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，其中以三層BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型應(yīng)用最為廣泛，如圖3所示，當(dāng)輸入節(jié)點數(shù)為N，則隱含層的節(jié)點數(shù)一般取為2N+1。為提高BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)速度并增加了算法的可靠性，系統(tǒng)采用了BPX算法，BPX算法降低了網(wǎng)絡(luò)對于誤差曲面局部細(xì)節(jié)的敏感性，考慮到以前積累的經(jīng)驗，即以前時刻的梯度方向，有效地抑制網(wǎng)絡(luò)陷于局部極小式中ω(t)為權(quán)值向量；η(t)為t時刻的學(xué)習(xí)率；D(t)為t時刻的負(fù)梯度，其計算公式如下3.2網(wǎng)絡(luò)誤差狀態(tài)當(dāng)多層網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)確定且所需要的訓(xùn)練數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好以后，就可以應(yīng)用BP算法對網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練。在Matlab6.1神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)工具箱中BP訓(xùn)練步驟如下：(1）用小的隨機(jī)數(shù)對每一層的權(quán)值w和偏差b初始化，以保證網(wǎng)絡(luò)不被大的加權(quán)值所飽和；(2）設(shè)定訓(xùn)練參數(shù)值期望誤差最小值、最大循環(huán)次數(shù)、修正權(quán)值的學(xué)習(xí)速率lr;(3）從1開始的循環(huán)訓(xùn)練：forepoch=1：最大循環(huán)次數(shù)；(4）計算網(wǎng)絡(luò)各層輸出矢量A1和A2以及網(wǎng)絡(luò)誤差；(5）計算各層反向傳播的誤差變化D2和D1，并計算各層權(quán)值以及新的權(quán)值；(6）再次計算權(quán)值修正后的誤差平方和；(7）檢查SSE是否小于設(shè)定的期望誤差最小值，若是，訓(xùn)練結(jié)束；如果SSE還沒有小于設(shè)定的期望誤差最小值，則繼續(xù)。3.3bp神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸出在開關(guān)電源的仿真過程中，使用不同的電路參數(shù)組合設(shè)定仿真的參數(shù)，這些電路參數(shù)也同樣是BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入。電路參數(shù)包括：主電路電感L，主電路電容C6，緩沖回路電阻R2，緩沖回路電容C3，交流側(cè)EMI濾波器的Cx、Cy、L1、L2共8個電路參數(shù)。開關(guān)電源的性能指標(biāo)，即BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸出為：輸出電壓波動?Vo,IGBT承受的峰值電壓U，上升時間Tr，調(diào)節(jié)時間Ts，超調(diào)量σ%共5個參數(shù)。BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)采用3層結(jié)構(gòu)，隱含層節(jié)點數(shù)取為20個，設(shè)總的誤差ε為0.01。用Matlab6.1的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)工具箱函數(shù)生成神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，生成的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)用switch命名，采用trainlm算法進(jìn)行訓(xùn)練。訓(xùn)練結(jié)束時網(wǎng)絡(luò)的權(quán)值存儲在switch中。此BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入輸出可表示為輸入為輸出為式中i為訓(xùn)練對，一對輸入對應(yīng)一對輸出。訓(xùn)練數(shù)據(jù)的輸入矩陣p500×8，行數(shù)代表訓(xùn)練對數(shù)，每一行即代表一個p；輸入數(shù)據(jù)是計算出的電路可行設(shè)計參數(shù)的附近利用Matlab的隨機(jī)函數(shù)產(chǎn)生的。訓(xùn)練數(shù)據(jù)的輸出矩陣y500×5，行數(shù)代表訓(xùn)練對數(shù)，每一行即代表一個y；訓(xùn)練數(shù)據(jù)的輸出通過Simulink仿真得到。p和y一一對映。輸入輸出數(shù)據(jù)之中蘊涵內(nèi)在的聯(lián)系，利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的目的就在于學(xué)習(xí)這種內(nèi)在的聯(lián)系。4魯棒性和全局尋優(yōu)能力的基本保障遺傳算法在非線性的尋優(yōu)問題中使用廣泛，其特點是具有極強(qiáng)的魯棒性和全局尋優(yōu)能力，它還具有隱含的并行性?；贛atlab的遺傳算法工具箱能使在計算機(jī)上方便的實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)遺傳算法。利用工具箱編寫的解決開關(guān)電源優(yōu)化設(shè)計問題的關(guān)鍵代碼見附錄。5變壓器的最優(yōu)仿真模型經(jīng)過Matlab的Simulink軟件中的電力系統(tǒng)工具箱、實驗數(shù)據(jù)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)工具箱和遺傳算法工具箱，建立了開關(guān)電源的最優(yōu)仿真模型。利用這個模型進(jìn)行仿真研究，指導(dǎo)開關(guān)電源參數(shù)設(shè)計，使開關(guān)電源的性能指標(biāo)滿足相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)。開關(guān)電源的試驗包括電磁兼容試驗和型式試驗兩大項共14子項，文中僅列出型式試驗中動態(tài)性能試驗和靜態(tài)性能試驗一個子項的仿真及試驗結(jié)果，所有試驗數(shù)據(jù)都由國家變流技術(shù)工程中心提供。(1）可行性設(shè)計及仿真國家標(biāo)準(zhǔn)（直流110V機(jī)車控制電源柜技術(shù)條件）規(guī)定，負(fù)載電流由5.5A上升至50A，超調(diào)量≤10%、超調(diào)時間≤0.1s。圖4為可行性設(shè)計和最優(yōu)設(shè)計仿真啟動及輸出電壓波形。利用最優(yōu)設(shè)計指導(dǎo)制造的開關(guān)電源在型式試驗中的實際波形如圖5示。(2）負(fù)載突變開關(guān)輸出電壓國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，負(fù)載電流由50A突變至5.5A或相反，超調(diào)量≤10%、超調(diào)時間≤0.1s。圖6為可行性設(shè)計和最優(yōu)設(shè)計仿真負(fù)載突變開關(guān)電源輸出電壓波形。圖7為型式試驗中負(fù)載突變時開關(guān)電源的輸出電壓波形。國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，網(wǎng)壓由277V突增至396V及495V突降至396V，超調(diào)量≤10%、超調(diào)時間≤0.1s。圖8為型式試驗網(wǎng)壓突變時開關(guān)電源輸出電壓波形。(4）靜態(tài)試驗類型試驗表1為開關(guān)電源靜態(tài)試驗數(shù)據(jù)。6實驗優(yōu)化模型的建立從國家標(biāo)準(zhǔn)可以看出，機(jī)車用開關(guān)電源使用環(huán)境相當(dāng)惡劣，沒有優(yōu)化模型的指導(dǎo)，僅通過不斷實驗調(diào)試，設(shè)計和制造周期將是漫長的。在系統(tǒng)設(shè)計過程中，課題組首先設(shè)計和制造了一臺樣機(jī)，同時建立Matlab模型，通過樣機(jī)的實驗數(shù)據(jù)和Matlab模型仿真數(shù)據(jù)對神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行訓(xùn)練，建立針對開關(guān)電源的某些具體動態(tài)、靜態(tài)性能參數(shù)的遺傳算法優(yōu)化模型，利用優(yōu)化所得到的結(jié)果，指導(dǎo)樣機(jī)參數(shù)的修改。采用這樣的設(shè)計方法，雖然在設(shè)計和制造過程中增加了建立神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型和優(yōu)化模型的過程，但大量地節(jié)約了系統(tǒng)調(diào)試時間和設(shè)計過程的反復(fù)，同時也節(jié)約了調(diào)試和試驗成本，達(dá)到了事半工倍的效果。樣機(jī)一次通過了國家變流技術(shù)工程中心組織的電