基于智能控制的可調(diào)間歇性振蕩電源控制系統(tǒng)設(shè)計及仿真研究

姜東東，崔 敏，張海寧，杜延輝，路振宇

（1.許繼集團有限公司，河南 許昌 461000；2.遼寧清河發(fā)電有限責(zé)任公司，遼寧 鐵嶺 112003）

0 引 言

可調(diào)間歇性振蕩電源是一種特殊的開關(guān)電源，具有極小的紋波系數(shù)、較快的動態(tài)響應(yīng)速度及間歇性振蕩的瞬時高壓等優(yōu)點。該電源控制系統(tǒng)采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與PID復(fù)合控制算法控制策略，有利于解決常規(guī)電源動態(tài)響應(yīng)速度慢的問題，實現(xiàn)對可調(diào)間歇性振蕩電源更好的控制效果[1-2]。

1 Boost開關(guān)變換器的數(shù)學(xué)模型建立

本文選用Boost開關(guān)變換器作為研究對象，采用狀態(tài)空間平均法對其進(jìn)行建模與仿真研究。

Boost變換器的電路拓?fù)鋱D如圖1所示。它的主拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)由電感器L、濾波電容器C、開關(guān)管Q、二極管VD和負(fù)載R構(gòu)成。

圖1 Boost開關(guān)變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

當(dāng)t處于0～dTs期間（Ts為開關(guān)周期），開關(guān)管Q處于導(dǎo)通狀態(tài)，二極管VD處于截止?fàn)顟B(tài)，電源電壓Vg為電感L儲存能量，負(fù)載R由電容C放電提供能量。由此，電路的狀態(tài)方程為：

當(dāng)t處于dTs～Ts期間，開關(guān)管Q處于關(guān)斷狀態(tài)，二極管VD因承受正電壓而導(dǎo)通，電感L放電，電源和電感器共同為負(fù)載R供電，并為電容器C充電。狀態(tài)方程如下（其中D'=1-D）：

取式（1）和式（2）平均，可得矩陣方程：

矩陣方程（3）引入小信號干擾后，去除二次項分量和穩(wěn)態(tài)分量，得到交流小信號狀態(tài)方程：

由狀態(tài)方程（4），可以得出Boost變換器的傳遞函數(shù)為：

從而得到由控制到輸出的傳遞函數(shù)為：

開關(guān)管導(dǎo)通時間Ton與開關(guān)周期Ts之比D稱為占空比。因此，調(diào)節(jié)改變占空比D就可調(diào)節(jié)開關(guān)電源的輸出電壓，一般采用脈寬調(diào)制（PWM）方式實現(xiàn)占空比的調(diào)節(jié)。

2 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與PID復(fù)合控制算法實現(xiàn)

本文設(shè)計的BP網(wǎng)絡(luò)與PID復(fù)合控制算法結(jié)構(gòu)框圖及程序流程圖，分別如圖2、圖3所示。該算法是基于Matlab/Simulink的S函數(shù)實現(xiàn)的，本文設(shè)計的S函數(shù)名為“nnbp_pid”。將該S函數(shù)與外圍Simulink模型進(jìn)行連接后，構(gòu)建BP網(wǎng)絡(luò)與PID復(fù)合控制器Simulink模型，如圖4所示[3-5,7-8]。

圖2 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與PID復(fù)合控制結(jié)構(gòu)框圖

圖3 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與PID復(fù)合控制器程序流程圖

3 可調(diào)間歇性振蕩電源模型建立及仿真

3.1 可調(diào)間歇性振蕩電源模型建立

為驗證設(shè)計的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與PID復(fù)合控制算法的可行性，基于Matlab/Simulink環(huán)境下搭建系統(tǒng)的仿真模型進(jìn)行仿真驗證分析[6]。

圖4 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與PID復(fù)合控制器Simulink模型

圖4中的BP網(wǎng)絡(luò)與PID復(fù)合控制器的Simulink模型經(jīng)過封裝、創(chuàng)建子系統(tǒng)等步驟后，得到如圖5所示的“BP_NN_PID”控制器。然后，將此控制器與已經(jīng)建好的Simulink模型相連接，得到如圖5所示的基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與PID復(fù)合控制的開關(guān)電源Simulink模型（rin為參考電壓信號）。

圖5 基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與PID復(fù)合控制的開關(guān)電源Simulink模型

3.2 可調(diào)間歇性振蕩電源振蕩特性仿真及分析

本可調(diào)間歇性振蕩電源用于生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的單細(xì)胞生化分析。生化分析即生物化學(xué)成分的分析。要想分析生物化學(xué)成分，必須采用電擊法或者化學(xué)法將細(xì)胞膜破裂。

本文設(shè)計的脈沖振蕩電壓等級為-700 V到+700 V，如圖6所示。

圖6 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID和傳統(tǒng)PID的階躍響應(yīng)仿真波形對比

3.3 可調(diào)間歇性振蕩電源在負(fù)載和輸入電壓突變時仿真及分析

基于Matlab/Simulink分別對傳統(tǒng)PID控制策略、BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID復(fù)合控制策略兩種控制策略進(jìn)行仿真對比、分析。

圖6是考慮紋波電壓情形下的可調(diào)間歇性振蕩電源兩種控制策略模型的動態(tài)響應(yīng)仿真波形。結(jié)果表明：BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與PID復(fù)合控制在響應(yīng)速度明顯比常規(guī)PID控制策略要快；與常規(guī)PID控制策略對比，具有較小超調(diào)量、較短超調(diào)時間的優(yōu)點。

由于輸入的直流電壓含有頻率為100 Hz、峰峰值為20 V的交流成分，圖7中的仿真波形表明：BPPID控制后的紋波峰峰值為4 V，傳統(tǒng)PID控制后的紋波峰峰值為7 V，從而得出BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與PID復(fù)合控制下的輸出電壓的紋波系數(shù)小，具有良好的紋波抑制效果。

圖7 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID和傳統(tǒng)PID的紋波電壓對比

如圖8所示，在2.5 s時，對本振蕩電源系統(tǒng)加入一個320 V的擾動信號，改變電源系統(tǒng)的輸入電壓。仿真結(jié)果顯示，基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID復(fù)合控制的電源系統(tǒng)的恢復(fù)時間約為0.01 s，基于常規(guī)PID控制策略的電源系統(tǒng)的恢復(fù)時間約為0.04 s。仿真表明：基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與PID復(fù)合控制的可調(diào)間歇性振蕩電源系統(tǒng)，在抵御外界擾動的能力上具有動態(tài)響應(yīng)速度快且震蕩幅度小的特點，滿足可調(diào)間歇性振蕩電源系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)速度快的性能要求。

圖8 輸入電壓突變動態(tài)響應(yīng)仿真波形

如圖9所示，在t=2 s時改變負(fù)載大小到原來的82%。仿真結(jié)果顯示：基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID復(fù)合控制的振蕩電源系統(tǒng)的恢復(fù)時間約為0.01 s，基于常規(guī)PID控制策略的振蕩電源系統(tǒng)的恢復(fù)時間約為0.04 s。仿真表明：基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與PID復(fù)合控制的可調(diào)間歇性振蕩電源系統(tǒng)，在抵御負(fù)載突變的能力上具有動態(tài)響應(yīng)速度快且震蕩小，滿足可調(diào)間歇性振蕩電源系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)速度快的性能要求。

通過對以上BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與PID復(fù)合控制和傳統(tǒng)的PID控制策略的仿真結(jié)果對比，基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與PID復(fù)合控制策略的振蕩電源系統(tǒng)具有動態(tài)響應(yīng)速度快、超調(diào)量小、調(diào)節(jié)時間短、紋波系數(shù)小和抗干擾能力強等優(yōu)點[6]。

圖9 負(fù)載突變動態(tài)響應(yīng)仿真波形

4 結(jié) 論

本文提出的基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與PID復(fù)合控制的可調(diào)間歇性振蕩電源仿真系統(tǒng)，具有動態(tài)響應(yīng)速度快、抗干擾能力強、紋波系數(shù)小、可產(chǎn)生可調(diào)間歇性振蕩的瞬時高壓等優(yōu)點。通過MATLAB仿真分析，驗證了BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與PID復(fù)合控制策略的可行性。