基于蟻獅算法的整流器高速信號完整性檢測方法*

唐思均李源彬

(1.宜賓職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子信息與人工智能學(xué)院，四川 宜賓 644000；2.四川農(nóng)業(yè)大學(xué)信息工程學(xué)院，四川 雅安 625014)

整流器是一種能夠改變交、直流電的裝置，能夠為電氣電路提供電能和無線電信號的偵測等。因為它被廣泛地應(yīng)用于各種各樣的整流電源內(nèi)，所以需要轉(zhuǎn)變的電壓也從幾十至幾千伏、電流從幾安至幾千安不等。將整流器應(yīng)用在高速電路中時，它的信號完整性非常重要。通過檢測信號傳輸路徑質(zhì)量，能夠確定整流器信號的完整性是否良好。傳輸路徑不僅是電路的連接金屬線，還可以是整體電氣元件，同時也可以是一些其他的媒質(zhì)[1-2]。整流器高速信號的反射、串?dāng)_問題始終影響信號完整性檢測效果，相關(guān)學(xué)者對此問題進行了研究，取得了一定的進展。

陳濤等人[3]提出一種雙重化脈沖整流器多管開路故障快速診斷方法，通過StarSim 軟件獲取整流器電壓變化，利用原型控制器分析門極信號突變情況，實現(xiàn)整流器多管開路故障快速診斷，此方法能夠提升故障定位準(zhǔn)確率，避免負(fù)載擾動影響。王英等人[4]提出基于改進譜峭度與電流均值的牽引整流器開路故障診斷方法，利用IGBT 開路計算電流均值，利用電流突變特征獲取整流器故障類別，依據(jù)改進譜峭度實現(xiàn)整流器開路故障診斷。此方法能夠獲取較高的故障診斷準(zhǔn)確率，但是診斷過程比較復(fù)雜，診斷效果較高。

高速信號如果不完整性，并不是某種單一因素造成的，而是整體系統(tǒng)內(nèi)，通過多種不同因素所導(dǎo)致的。若信號不能正常響應(yīng)，就不能讓系統(tǒng)長期處于穩(wěn)定的狀態(tài)下進行工作，這時會發(fā)生信號完整性缺失問題[2]。而本文提出的基于蟻獅算法的整流器高速信號完整性檢測方法，通過模擬蟻獅生物的行為生態(tài)，計算整流器內(nèi)電阻值，通過置零整流器內(nèi)的串?dāng)_以及反射系數(shù)，得到整流器內(nèi)所接收信號向量的所有分量，從而明確整流器內(nèi)高速信號是否完整。

1 蟻獅算法數(shù)據(jù)分析

整流器高速信號的不完整，會導(dǎo)致整體電路不能穩(wěn)定地工作，而蟻獅算法作為一種啟發(fā)式優(yōu)化方法，極為適用非凸優(yōu)化問題，可不斷迭代搜索整流器內(nèi)各信號信息。蟻獅在沙子表面挖好洞穴以后，坐等獵物出現(xiàn)。制作的陷阱形狀能夠影響到獵物捕捉，使其無法從洞口爬出，同時，便于下次捕捉，計算螞蟻掉落陷阱的過程即計算整流器內(nèi)真實信號和干擾數(shù)據(jù)的過程[3]。

(1)螞蟻的隨機行動分析

具體螞蟻行動建模公式為:

式中:n代表最大迭代的個數(shù)，S代表累積和，t代表迭代的步長，r(t)代表隨機的函數(shù)，具體公式為:

式中:rand 代表服從[0，1]內(nèi)均勻分布的隨機數(shù)。

螞蟻行動位置是隨機的，所以隨機行走要對其歸一化處理，方便搜索空間中尋求最佳解。具體公式為:

式中:ai以及di代表第i個變量最小以及最大隨機的步數(shù)。分別代表第t次迭代的第i個變量最小以及最大值。

(2)螞蟻行動到陷阱

螞蟻隨機行動至陷阱位置，或受到陷阱位置的蟻獅M以及d向量控制，具體公式為:

(3)滿意滑落陷阱[4]

螞蟻一旦滑落陷阱，這時蟻獅會從洞口的中心位置對外拋沙，從而使螞蟻滑至洞底，使螞蟻的隨機行走半徑降低，具體公式為:

式中:t以及T代表目前迭代次數(shù)以及最大的迭代次數(shù)。ω代表與目前迭代次數(shù)所相關(guān)常數(shù)值。

(4)更新陷阱

在蟻獅捕捉獵物后會在沙子下方食用獵物，而適應(yīng)能力較強的蟻獅能夠捕捉的獵物會更多，這就說明蟻獅捕捉完獵物后，要更新下個陷阱，具體公式為:

(5)蟻獅精英的選取

蟻獅精英的定義，是每次更新陷阱在最優(yōu)區(qū)域的蟻獅，就是適應(yīng)蟻獅，在每一次迭代的過程內(nèi)，會影響蟻獅行為，具體公式為:

2 整流器高速信號的完整性檢測

2.1 整流器的高速信號傳輸線分析

將整流器內(nèi)各參數(shù)代入蟻獅算法中，計算整流器內(nèi)電阻值，從而獲得整流器內(nèi)真實的特征阻抗Z0，設(shè)置點P作為整流器中任意的一個點。C1、L1、R1分別代表等效電容、電感、電阻。R2代表漏電流所體現(xiàn)出電阻，該阻值接近無限大。而傳輸線的靜態(tài)電阻R1非常小，基本忽略不計，具體公式為:

該情況的特征阻抗是無損阻抗。某個信號10%～90%上升以及下降的時間是Tr，那么此信號在整流器內(nèi)的走線延遲是D，此信號的有效長度是L，具體公式為:

信號處于導(dǎo)線上的傳輸端比L/6 大時，要采用傳輸線理論。這就說明在傳輸距離至一定程度時，才能夠采用傳輸線理論，反之，認(rèn)定此段線路上僅為一個點，將該信號當(dāng)成普通信號進行處理[6]。

2.2 高速信號的完整性分析

高速信號的完整性，是作為整體系統(tǒng)的可靠性保障，因為高速信號內(nèi)含有較高的頻率，系統(tǒng)電氣參數(shù)變化較大，出現(xiàn)許多高速信號的特有狀況，其中包含:串?dāng)_、發(fā)射等[7]。

2.2.1 發(fā)射產(chǎn)生機制

實際傳輸線驅(qū)動器的輸出阻抗并不是0，互連線傳輸與阻抗會形成分壓器，而在互連線上的入射波，是驅(qū)動器電壓的部分，具體公式為:

式中:Vinc代表入射電壓，Vs代表驅(qū)動器內(nèi)的電壓，Rs代表驅(qū)動器的內(nèi)阻，z0代表互連線的阻抗[8]。

在高速信號能夠傳輸至負(fù)載端上或是任意阻抗的突變區(qū)域時，分界面的電流以及電壓會以連續(xù)的形式構(gòu)成。而對于阻抗分界面的兩側(cè)，存在V1=V2，I1=I2，且V1/I1=Z1，V2/I2=Z2，因此在阻抗產(chǎn)生突變時，就是Z1≠Z2時，那么5 個等式不會同時成立，而為了令系統(tǒng)保持整體平衡，要在分界面位置生成反射回源端電壓[9]。

在入射電壓Vinc通過互連線進行傳輸，直到負(fù)載端時，由于阻抗突變情況，會生成反射電壓Vrefl，這時的傳輸電壓Vtrans則會繼續(xù)向前傳播，而分界面的兩側(cè)電壓則要滿足公式為:

相同的是，分界面兩側(cè)的電流要滿足條件具體公式為:

分界面兩側(cè)的電壓以及電流，需要滿足的關(guān)系公式，分別為:

把式(16)、式(17)以及式(18)代入式(15)內(nèi)，具體可以得到公式為:

將(14)代入式(19)內(nèi)，取消Vtrans且進行整理獲得公式為:

可將入射電壓和發(fā)射電壓比，定義成反射系數(shù)，這時就能夠求出傳輸系數(shù)，具體公式為:

2.2.2 串?dāng)_產(chǎn)生機制

2.2.2.1 容性串?dāng)_

設(shè)置cm代表單位長度互容，是沿著兩條傳輸線進行分布的，在兩條導(dǎo)線距離足夠近的時候，電容會變得非常大，且令攻擊線的耦合能量影響到受害線[10]。

在傳輸線中間截取一段Δx，而高速信號的上升沿在經(jīng)過該段時，將位移電流注入受害線內(nèi)。能夠獲得公式為:

式中:Δx代表驅(qū)動波形的幅度，Tr代表波形上升的時間，通過電壓連續(xù)性可以獲得Vb=Vf，具體公式為:

因為前向串?dāng)_傳播的方向以及速度和信號自身的相同，在受害線中的所有點前向串?dāng)_相加，而且要在相同的時間內(nèi)抵達遠端。通過式(23)能夠獲得，長度是VFE傳輸線，處于遠端總噪聲公式為:

信號上升時間是Tr一半。式(23)內(nèi)距離為Δx=，Vp代表相速度，將其代入至式(23)，獲得近端的噪聲公式為:

根據(jù)上述過程可知，信號串?dāng)_能夠影響電容值與脈沖信號時寬，而且遠端以及近端脈沖的極性全是正向的。

2.2.2.2 感性串?dāng)_

截取傳輸線中的一段，這時攻擊線經(jīng)過電流，互感線路會感受到串聯(lián)電壓，獲得串聯(lián)電壓的計算公式為:

上述兩種串?dāng)_的推導(dǎo)方法基本相同，其中，感性耦合能夠隨攻擊信號上升沿持續(xù)傳播，而在相同的時間內(nèi)會抵達至遠端，此時攻擊信號傳播的方向則會與反向串?dāng)_位于相反狀態(tài)，進而生成積累噪聲的幅度，具體公式為:

感性串?dāng)_處于近端以及遠端的波形上，與容性串?dāng)_的機制類似。

2.2.2.3 總串?dāng)_

通常情況下，感性串?dāng)_和容性串?dāng)_在同一時間出現(xiàn)，將式(26)和式(31)相加，能夠獲得近端串?dāng)_公式:

將式(24)和式(30)相加，能夠獲得遠端串?dāng)_公式:

通過上述公式能夠看出，近端串?dāng)_是一直存在的，無法清除。而遠端串?dāng)_，由于二者的串?dāng)_極性相反，所以會相互抵消一部分，而當(dāng)時，則會全部抵消，而實際的整流器，不會存在理想狀態(tài)，所以遠端串?dāng)_無法清除[11]。

2.3 信號檢測方法

通過強制將整流器信道串?dāng)_以及反射進行干擾置零。通過迫零矩陣實現(xiàn)線性加權(quán)，處理高速信號的向量，再對加權(quán)后接受信號向量所有分量進行檢測，獲取發(fā)射符號的向量。

利用最小二乘法準(zhǔn)則，對噪聲誤差e2定義，具體可得到公式為:

求導(dǎo)上式，令一階導(dǎo)數(shù)是0，二階導(dǎo)數(shù)比0 大，以此能夠獲得e2極小值估計，從而獲得高速信號迫零矩陣公式為:

式中:H+代表已知信道矩陣H廣義的逆矩陣。

利用F左乘接收信號的向量y，能夠獲得利用此迫零方法估計接收高速信號的向量，具體公式為:

利用式(34)確認(rèn)估計矩陣F，能夠完全去掉內(nèi)發(fā)射向量的所有分量間互相干擾。以此可以完成高速信號的完整性檢測[12]。

3 實驗仿真證明

3.1 實驗1

實驗環(huán)境選擇CPU 為2.3GHz、內(nèi)存為4GB、操作系統(tǒng)為Window10，直流母線的電壓是220 V、幀數(shù)為2 000 幀、發(fā)射功率為1、開關(guān)的頻率是1.75 kHz的三相量電平的PWM(Pulse width modulation)整流器系統(tǒng)進行實驗，該整流器的高速信號為周期性的，在脈沖為線性的調(diào)頻信號。具體整流器的高速信號幅值變化曲線如圖1 所示。

圖1 整流器高速信號幅值變化檢測

從圖1 能夠看出，在一定時間內(nèi)，整流器的高速信號幅值呈周期變化。本文方法與實際信號幅值變化情況基本一致，而雙重化脈沖方法的整流器高速信號幅值變化明顯落后于實際情況，表明本文方法進行整流器高速信號完整性檢測時的實時性更好。這是因為引入蟻獅算法，確定傳輸線間的能量耦合串?dāng)_，獲得加權(quán)接收信號向量的所有分量，使得檢測過程中即使出現(xiàn)冗余干擾也能不斷迭代搜索最優(yōu)解，可靠性高。

3.2 實驗2

為了進一步證明本文檢測方法的效果，將該信號通過人為的方式進行外界干擾，使其發(fā)生輕微故障，然后采用本文方法，對其進行檢測，驗證高速信號是否完整。具體如圖2 所示:

圖2 不同方法下檢測高速信號完整度

通過觀察圖2 能夠看出，隨著運行時間的增加，不同方法下高速信號完整度隨之變化。當(dāng)運行時間為2 s 時，雙重化脈沖方法的高速信號完整度為79%，改進譜峭度的高速信號完整度為73%，本文方法的高速信號完整度為97%。當(dāng)運行時間為8 s 時，雙重化脈沖方法的高速信號完整度為73%，改進譜峭度的高速信號完整度為74%，本文方法的高速信號完整度為98%，說明本文方法能夠獲得完整的高速信號。這是因為本文引入了蟻獅算法分析相鄰傳輸線接近時磁場邊緣與信號電場的相互影響，準(zhǔn)確計算整流器內(nèi)的電阻值以獲取特征阻抗，實現(xiàn)不同頻域的干擾信號對消，減少了高速信號傳輸完整性檢測干擾因素，使得高速信號的完整度得到提升。

4 結(jié)論

本文提出基于蟻獅算法的整流器高速信號完整性檢測方法，通過置零反射系數(shù)以及串?dāng)_系數(shù)，使用迫零矩陣完成線性加權(quán)，處理高速信號的向量，通過加權(quán)后接受信號向量的所有分量，實現(xiàn)信號檢測，不過由于整流器造成信號不完整的方式有很多，所以本文還需要進一步努力，研究其他造成信號不完整的原因，從而完成檢測。