劉春喜，朱雙蕊，崔 正

（1.遼寧工程技術(shù)大學(xué) 電氣與控制工程學(xué)院，遼寧 125105；2.北京機(jī)械工業(yè)自動(dòng)化研究所，北京 100120）

0 引言

CLLLC諧振變換器因具有功率密度高、可雙向傳輸，易于實(shí)現(xiàn)軟開(kāi)關(guān)等優(yōu)勢(shì)，在車載充電機(jī)、分布式發(fā)電以及燃料電池管理系統(tǒng)等領(lǐng)域獲得了廣泛應(yīng)用[1，2]。這些領(lǐng)域?qū)τ谧儞Q器的動(dòng)態(tài)性能有較高的要求，所以要選取合適的控制策略，以保證系統(tǒng)安全高效運(yùn)行。

CLLLC諧振變換器通常采用PI控制，但由于系統(tǒng)的非線性和時(shí)變性較強(qiáng)，數(shù)學(xué)模型搭建比較困難，無(wú)法精準(zhǔn)獲取PI控制參數(shù)[3]。因此，許多研究學(xué)者開(kāi)始采用智能控制策略，如模糊PI控制[4，5]。文獻(xiàn)[4]非隔離高增益DC-DC變換器利用模糊PID控制使其系統(tǒng)在負(fù)載變化較大的情況下減小了輸出電壓的超調(diào)量。文獻(xiàn)[5]Buck-Boost變換器利用模糊PID控制使其系統(tǒng)在多次擾動(dòng)下，輸出電壓仍能跟蹤參考電壓。但各自都存在一定的缺陷，如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)收斂速度慢；模糊PI控制參數(shù)選取復(fù)雜，若選取不當(dāng)將導(dǎo)致系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度變慢。

果蠅優(yōu)化算法是一種模擬果蠅覓食行為的群體優(yōu)化算法，因具有算法實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、收斂速度快且全局尋優(yōu)能力強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)，在控制參數(shù)優(yōu)化中得到了廣泛應(yīng)用[6，7]。為此，提出了一種果蠅優(yōu)化模糊PI控制的方法，對(duì)模糊PI控制參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。首先分析了CLLLC諧振變換器的基本工作原理，其次介紹了果蠅算法的具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程，然后針對(duì)選取模糊PI控制參數(shù)不當(dāng)導(dǎo)致系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度變慢的問(wèn)題，利用果蠅優(yōu)化算法對(duì)模糊PI控制的量化因子和比例因子進(jìn)行優(yōu)化，以降低模糊PI控制對(duì)參數(shù)選取的敏感性，采用閉環(huán)系統(tǒng)的性能指標(biāo)為果蠅優(yōu)化算法的適應(yīng)度函數(shù)，算法迭代尋優(yōu)找到性能指標(biāo)最小時(shí)模糊PI控制參數(shù)的最優(yōu)解，最后通過(guò)仿真與模糊PI控制進(jìn)行分析比較來(lái)驗(yàn)證所提方法的有效性。

1 CLLLC諧振變換器

圖1為CLLLC諧振變換器主電路拓?fù)洹?/p>

圖1 變換器主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

圖中Vin和Vo為變換器輸入、輸出側(cè)直流電壓，Ci和Co分別為輸入、輸出側(cè)的濾波電容。Q1～Q8為主電路的8個(gè)開(kāi)關(guān)管，D1～D8為其體二極管；Lm為變壓器的勵(lì)磁電感，變壓器變比為n；Lr1和Lr2分別為原邊側(cè)和副邊側(cè)的諧振電感，Cr1和Cr2分別為原邊側(cè)和副邊側(cè)的諧振電容。因其正、反向工作時(shí)特性一致，故該文只針對(duì)其正向進(jìn)行控制研究。

2 果蠅優(yōu)化算法

果蠅優(yōu)化算法是由潘文超博士提出的一種新型的群體智能優(yōu)化算法，該算法源于對(duì)果蠅覓食行為的模擬[8]。果蠅覓食行為的實(shí)質(zhì)就是果蠅從味道濃度小的位置飛向味道濃度大的位置的過(guò)程。果蠅優(yōu)化算法大致分為以下這幾個(gè)步驟：

Step 1：初始化果蠅群體位置信息，當(dāng)個(gè)體利用嗅覺(jué)搜索食物，個(gè)體i位置更新為：

式(1)中，KPaxis、KIaxis、KEaxis和KECaxis為果蠅群體初始位置，randomvalue為果蠅個(gè)體搜索距離。

Step 2：根據(jù)下式得出當(dāng)前果蠅個(gè)體位置的味道濃度值Ssmelli。

式(2)中，Si為果蠅個(gè)體味道濃度判定值，fitness表示味道濃度判斷函數(shù)，其對(duì)應(yīng)到CLLLC諧振變換器閉環(huán)系統(tǒng)中即為適應(yīng)度函數(shù)，該文選用時(shí)間乘絕對(duì)誤差準(zhǔn)則（ITAE）作為果蠅優(yōu)化算法的適應(yīng)度函數(shù)，公式如下：

Step 3：找出當(dāng)前味道濃度最優(yōu)值bbestSmell以及對(duì)應(yīng)果蠅個(gè)體的位置信息，群體中的其他果蠅均利用視覺(jué)飛向該位置，進(jìn)行位置更新，形成新的果蠅種群中心。

經(jīng)過(guò)不斷迭代尋優(yōu)，判斷當(dāng)前味道濃度最優(yōu)值是否優(yōu)于前一代味道濃度最優(yōu)值，并且當(dāng)前迭代次數(shù)是否達(dá)到最大迭代次數(shù)，是則輸出最優(yōu)參數(shù)，否則執(zhí)行Step 2。

3 基于果蠅優(yōu)化的模糊PI控制

3.1 模糊PI控制

CLLLC諧振變換器采用PI控制時(shí)無(wú)法精準(zhǔn)地獲取其控制參數(shù)，因此很難使整個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)具有較好的控制效果。故而引入模糊PI控制，對(duì)PI控制參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，充分發(fā)揮模糊PI控制對(duì)非線性系統(tǒng)進(jìn)行快速整定的優(yōu)點(diǎn)。

圖2為模糊PI控制的CLLLC諧振變換器閉環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。其中，Vref為CLLLC諧振變換器的參考電壓，Vo為變換器的實(shí)際輸出電壓，e和ec為變換器閉環(huán)系統(tǒng)輸出電壓實(shí)際值與期望值之間的誤差和誤差變化率。ke、kec為量化因子，kp、ki為比例因子，ΔKp和ΔKi為PI控制器比例和積分參數(shù)的修正系數(shù)，vgs為開(kāi)關(guān)管的驅(qū)動(dòng)脈沖信號(hào)。

圖2 系統(tǒng)模糊PI控制結(jié)構(gòu)

模糊PI控制器以CLLLC諧振變換器閉環(huán)系統(tǒng)的誤差e和誤差變化率ec作為模糊PI控制的輸入變量，PI控制器比例和積分參數(shù)的修正系數(shù)ΔKp和ΔKi為輸出變量，將輸入語(yǔ)言變量e、ec和輸出變量ΔKp、ΔKi定義為{NB，NM，NS，Z，PS，PM，PB}這7個(gè)模糊子集。從文獻(xiàn)[9，10]中總結(jié)經(jīng)驗(yàn)制定模糊規(guī)則表，經(jīng)模糊化、模糊推理和反模糊化，輸出參數(shù)ΔKp和ΔKi，重新調(diào)整電壓回路PI參數(shù)，修正為[11]：

3.2 果蠅優(yōu)化模糊PI控制

模糊PI控制在控制參數(shù)選取過(guò)程中若選取不當(dāng)將導(dǎo)致系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度變慢。為此利用果蠅優(yōu)化算法對(duì)模糊PI控制的量化因子和比例因子進(jìn)行優(yōu)化，以改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度。

圖3為果蠅優(yōu)化模糊PI控制結(jié)構(gòu)框圖。

圖3 果蠅優(yōu)化模糊PI控制結(jié)構(gòu)

選取CLLLC諧振變換器閉環(huán)系統(tǒng)的性能指標(biāo)ITAE作為果蠅優(yōu)化算法的適應(yīng)度函數(shù)J，利用果蠅的尋優(yōu)能力，根據(jù)系統(tǒng)反饋信息對(duì)模糊PI控制的量化因子ke、kec和比例因子kp、ki進(jìn)行全局尋優(yōu)，當(dāng)系統(tǒng)的性能指標(biāo)最小時(shí)可得到模糊PI參數(shù)ke、kec、kp和ki的最優(yōu)解，從而提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度，其具體流程如圖4所示。

圖4 果蠅尋優(yōu)流程

4 仿真實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證果蠅優(yōu)化模糊PI控制的CLLLC諧振變換器閉環(huán)控制系統(tǒng)具有動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)，本文分別采用模糊PI控制和果蠅優(yōu)化模糊PI控制方式，在相同的CLLLC諧振變換器外部參數(shù)條件下，在以下三種工況下進(jìn)行仿真分析：

1）輸入電壓恒定、負(fù)載不變，系統(tǒng)啟動(dòng)；

2）輸入電壓恒定，改變負(fù)載；

3）負(fù)載恒定，改變輸入電壓。

4.1 仿真條件設(shè)置

CLLLC諧振變換器主要參數(shù)如下：輸入側(cè)額定電壓為400V，輸出側(cè)額定電壓為48V，額定功率為1000W，諧振頻率為100kHz，開(kāi)關(guān)頻率為50kHz～120kHz，其諧振回路參數(shù)如表1所示。模糊PI控制的量化因子和比例因子分別為0.1、0.63和0.9、0.09，設(shè)置果蠅優(yōu)化算法的果蠅初始種群數(shù)量為30，最大迭代次數(shù)為20。

表1 諧振回路參數(shù)

4.2 仿真結(jié)果及分析

圖6為輸入電壓400V滿載啟動(dòng)時(shí)兩種控制方式作用下的輸出電壓波形。

圖6 系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)輸出電壓波形對(duì)比

圖中虛線為模糊PI控制方式作用下的輸出電壓波形，實(shí)線為果蠅優(yōu)化模糊PI控制方式作用下的輸出電壓波形?？梢钥闯?，虛線的輸出電壓最大值為49.47V，達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)大概需要1.83ms；而實(shí)線輸出電壓最大值為48.05V，達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)大概需要0.68ms。由此可見(jiàn)，果蠅優(yōu)化模糊PI控制方式下系統(tǒng)的超調(diào)更小，啟動(dòng)時(shí)間更快并且達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)的時(shí)間更短。

圖7為系統(tǒng)輸入電壓400V，0.003s和0.004s處負(fù)載調(diào)整率分別為-50%和+50%時(shí)，兩種控制方式下的輸出電壓。

圖7 負(fù)載突變動(dòng)態(tài)響應(yīng)對(duì)比

從圖中可以看出，當(dāng)負(fù)載突變時(shí)，果蠅優(yōu)化模糊PI控制系統(tǒng)輸出電壓的動(dòng)態(tài)壓降更小，恢復(fù)時(shí)間也更短。由此可見(jiàn)，果蠅優(yōu)化模糊PI控制方式下系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度更快。

圖8為負(fù)載為2.304ù，0.04s和0.07s處電壓調(diào)整率分別為-50%和+50%時(shí)，兩種控制方式下的輸出電壓。

圖8 輸入電壓波動(dòng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)對(duì)比

從圖中可以看出，當(dāng)輸入電壓波動(dòng)時(shí)，果蠅優(yōu)化模糊PI控制系統(tǒng)輸出電壓的動(dòng)態(tài)壓降、超調(diào)尖峰更小，恢復(fù)時(shí)間也更短。由此可見(jiàn)，果蠅優(yōu)化模糊PI控制方式下系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度更快。

5 結(jié)語(yǔ)

本文提出了一種果蠅優(yōu)化模糊PI控制方法，仿真結(jié)果表明，提出的果蠅優(yōu)化模糊PI控制在CLLLC諧振變換器控制中得到了較好的性能，具體表現(xiàn)如下：

1）在不同工況下，解決了模糊PI控制參數(shù)選取不當(dāng)導(dǎo)致系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度變慢的問(wèn)題。

2）當(dāng)系統(tǒng)滿載啟動(dòng)時(shí)，系統(tǒng)的超調(diào)量減小了96.59%，達(dá)到穩(wěn)態(tài)的時(shí)間縮短了62.84%。

3）當(dāng)負(fù)載突變時(shí)，系統(tǒng)輸出電壓的動(dòng)態(tài)壓降減小了66.03%，恢復(fù)時(shí)間縮短了14.79%，動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度更快了；輸入電壓波動(dòng)時(shí)，系統(tǒng)輸出電壓的動(dòng)態(tài)壓降減小了51.19%，恢復(fù)時(shí)間縮短了72.14%，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度更快了。

另外，該方法可用于電力電子其它變換器中，如DC-DC變換器。