全橋直流變換器的RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)研究

龍 松，沈小芳

全橋直流變換器的RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)研究

龍 松，沈小芳

(武昌首義學(xué)院，武漢 430064)

針對(duì)船舶直流區(qū)域配電系統(tǒng)中全橋直流變換器精確數(shù)學(xué)模型難以建立、經(jīng)典控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)困難的問(wèn)題，提出了全橋直流變換器的RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制的方法和步驟，并建立了仿真模型。仿真結(jié)果表明，在全橋直流變換器輸出電壓的控制方面，RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制與經(jīng)典PID控制相比優(yōu)勢(shì)明顯。最后，提出了進(jìn)一步的研究方向。

直流區(qū)域配電 直流變換器 RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

0 引言

目前，以輻射式配電系統(tǒng)和交流電機(jī)組成的交流電力系統(tǒng)是艦船綜合電力系統(tǒng)的主流[1～2]。區(qū)域配電系統(tǒng)與當(dāng)前采用的輻射式供電有很大不同。組成區(qū)域供電的基本器件是電力傳輸母線(xiàn)和區(qū)域配電中心。區(qū)域配電系統(tǒng)通過(guò)貫穿全船的舷側(cè)電力傳輸干線(xiàn)將電能分配至各供電區(qū)域的負(fù)載中心，這些區(qū)域負(fù)載中心從電力傳輸干線(xiàn)獲得電能，通過(guò)區(qū)域內(nèi)電力變換設(shè)備和配電電纜，向區(qū)域內(nèi)負(fù)載供電，大大減少了穿透隔壁的電纜數(shù)量。通過(guò)減少電力電纜、配電設(shè)備的數(shù)量，區(qū)域供電系統(tǒng)可以簡(jiǎn)化電纜敷設(shè)工作，降低艦船的建造難度和工作量，有利于模塊化建造，減少全壽期費(fèi)用。此外，區(qū)域配電系統(tǒng)便于模塊式建造，可以使區(qū)域內(nèi)的所有用電設(shè)備在建造時(shí)，無(wú)需與艦船上其他區(qū)域相連即可獲得電能，使得設(shè)備的安裝、調(diào)試和試驗(yàn)變得方便[3～4]。

直流變換器是直流區(qū)域配電系統(tǒng)的核心設(shè)備，其將直流母線(xiàn)電壓轉(zhuǎn)換為另一種直流電壓（通常是降壓），給直流配電區(qū)域提供電能。在直流配電區(qū)域內(nèi)，通過(guò)電力電子變換器，直流變換器輸出的直流電可以變換為合適電壓等級(jí)的交流電或直流電，以供各個(gè)設(shè)備使用。作為直流配電區(qū)域的主電源，直流變換器輸出電壓的穩(wěn)定性是其重要的技術(shù)指標(biāo)[5～6]，本文主要研究全橋直流變換器輸出電壓控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

1 全橋直流變換器的控制模型

目前，應(yīng)用較廣泛的是全橋直流變換器，其屬于間接直流變換器，基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。逆變電路由4個(gè)開(kāi)關(guān)組成，將直流電壓逆變成交流電壓，加在變壓器的一次側(cè)。改變開(kāi)關(guān)的占空比，就可以改變整流電壓的平均值，也就改變了輸出電壓；改變開(kāi)關(guān)的頻率，就改變了變壓器一次側(cè)交流電的頻率。

圖1 全橋直流變換器結(jié)構(gòu)圖

當(dāng)濾波電感較大時(shí)，濾波電感電流連續(xù)，電路穩(wěn)定后輸出電壓為：

全橋直流變換器控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 全橋直流變換器控制系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)

式（1）為電路穩(wěn)定時(shí)的直流電壓輸出，而電路的暫態(tài)過(guò)程與全橋變換器的參數(shù)和負(fù)載的參數(shù)均相關(guān)。因?yàn)橹绷髋潆妳^(qū)域內(nèi)負(fù)載的形式多樣，有感性負(fù)載、容性負(fù)載和純電阻負(fù)載，且各設(shè)備的參數(shù)相差很大，同時(shí)也由于全橋直流變換器各組成器件如開(kāi)關(guān)器件、隔離變壓器等運(yùn)行特性的復(fù)雜性，所以從全橋直流變換器控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的角度考慮，無(wú)法建立精確的全橋直流變換器的數(shù)學(xué)模型。

因此，采用以精確的數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ)的傳統(tǒng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法進(jìn)行全橋直流變換器控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，只能應(yīng)用簡(jiǎn)化的全橋直流變換器數(shù)學(xué)模型，并對(duì)負(fù)載進(jìn)行估計(jì)，應(yīng)用試湊法對(duì)控制器進(jìn)行設(shè)計(jì)。顯然，這種控制系統(tǒng)的控制效果并不理想。

2 全橋直流變換器的RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制

RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一種隱層節(jié)點(diǎn)由徑向基函數(shù)所構(gòu)成的三層前向神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，與BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相比，其收斂速度快、泛化能力強(qiáng)。

基于RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的全橋直流變換器的控制器結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器結(jié)構(gòu)

圖3中，輸入層節(jié)點(diǎn)數(shù)根據(jù)影響全橋直流變換器輸出電壓準(zhǔn)確性的因素確定，本文取輸出電壓誤差和誤差變化率；輸出層節(jié)點(diǎn)數(shù)顯然只有一個(gè)，即逆變器開(kāi)關(guān)的占空比；隱層節(jié)點(diǎn)的數(shù)目沒(méi)有固定的計(jì)算公式,但其數(shù)目的多少對(duì)網(wǎng)絡(luò)的性能都會(huì)產(chǎn)生不同影響，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)有如下公式[7]：

根據(jù)式（2）及經(jīng)驗(yàn)，本文中隱層選取5個(gè)節(jié)點(diǎn)，因此建立的RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器為2個(gè)輸入節(jié)點(diǎn)、5個(gè)隱含節(jié)點(diǎn)、1個(gè)輸出節(jié)點(diǎn)的2-5-1型 RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器的結(jié)構(gòu)確定后，即可通過(guò)訓(xùn)練樣本對(duì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練，直至神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)收斂。

3 仿真驗(yàn)證

圖4 全橋直流變換器仿真模型

建立仿真模型，對(duì)全橋直流變換器及其控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真驗(yàn)證。

首先，建立全橋直流變換器仿真模型，如圖4所示，模型主要參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 全橋直流變換器仿真模型參數(shù)

全橋直流變換器開(kāi)環(huán)控制，逆變開(kāi)關(guān)占空比取40%，輸出電壓曲線(xiàn)如圖5所示（先加載R1，0.01 s穩(wěn)定后再加載R2）。

圖5 全橋直流變換器輸出電壓曲線(xiàn)（開(kāi)環(huán)控制）

4 結(jié)語(yǔ)

RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器的準(zhǔn)確性與訓(xùn)練樣本有較大關(guān)系，若訓(xùn)練樣本較全面、合理，則訓(xùn)練出的RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器具有較高準(zhǔn)確性；若訓(xùn)練樣本片面或不合理，則訓(xùn)練出的RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器的準(zhǔn)確性不高。即RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器的準(zhǔn)確性依賴(lài)于訓(xùn)練樣本，這是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器的主要缺點(diǎn)，與其他人工智能技術(shù)結(jié)合可克服該缺點(diǎn)，如模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器等，這是需要進(jìn)一步研究的內(nèi)容。

圖6 帶有RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器的全橋直流變換器仿真模型

圖7 全橋直流變換器輸出電壓曲線(xiàn)（神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與PID控制）

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Research on the RBF Neural Network Control of a Full Bridge DC Converter

Long Song, Shen Xiaofang

（Wuchang Shouyi University, Wuhan 430064, China）

TM46

A

1003-4862（2021）08-0001-03

2021-01-25

龍松(1978-)，男，副教授。研究方向：數(shù)學(xué)與應(yīng)用數(shù)學(xué)、控制論。E-mail: 278131722@qq.com