劉韻婷 李紳科 邵志良 方文標(biāo) 郭 輝

基于果蠅優(yōu)化算法的反饋控制型直流穩(wěn)壓電源研究

劉韻婷1李紳科1邵志良2方文標(biāo)2郭 輝3

（1. 沈陽理工大學(xué)自動化與電氣工程學(xué)院，沈陽 110000；2. 中策橡膠（建德）有限公司，杭州 311600；3. 沈陽工業(yè)大學(xué)體育裝備產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院，沈陽 110000）

針對目前精密直流電源領(lǐng)域存在的調(diào)整精度低、結(jié)構(gòu)復(fù)雜和輸出直流電不純的問題，本文提出以STM32單片機(jī)為核心控制器，最終實(shí)現(xiàn)輸出精穩(wěn)的12V和5V直流電源的方法。該方法首先通過變壓器將220V交流電壓變換到48V，并通過整流橋后經(jīng)過兩個Buck電路進(jìn)行斬波；然后使用PID實(shí)現(xiàn)對PWM輸出波形狀態(tài)的控制，其中PID的各項(xiàng)參數(shù)使用果蠅優(yōu)化算法（FOA）進(jìn)行優(yōu)化；最后對傳統(tǒng)的PID算法與果蠅優(yōu)化算法進(jìn)行動態(tài)特性負(fù)載突增和負(fù)載突降對比實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了本文所提方法的有效性。

數(shù)顯反饋控制；直流穩(wěn)壓電源；果蠅優(yōu)化算法；Buck電路

0 引言

作為一種電源技術(shù)，數(shù)字控制的直流穩(wěn)壓電源是一種較為通用的電子儀器[1-2]，與處理模擬信號相比，使用數(shù)字信號具有許多優(yōu)勢[3]。隨著電子設(shè)備中數(shù)控電源的廣泛使用，很多高精尖產(chǎn)品對電源的精穩(wěn)性有了更高的要求。通用電源由于系統(tǒng)故障會出現(xiàn)一定的錯誤，影響設(shè)備的正常生產(chǎn)運(yùn)行。如果準(zhǔn)確率無法保證，那么在設(shè)備運(yùn)行中不可控事件發(fā)生的概率就會大大增加[4]。因此，為保證電源產(chǎn)品的安全性和可靠性，任何級別的精密電源在出廠前都要經(jīng)過嚴(yán)格檢測，必須達(dá)到相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)才可以量產(chǎn)并進(jìn)入市場[5]。然而，目前市場上的高精度直流電源存在調(diào)整精度低、結(jié)構(gòu)復(fù)雜和輸出直流電不純的問題，本文主要針對高精度直流電源調(diào)整精度低的問題進(jìn)行研究。

1 反饋控制型直流穩(wěn)壓電源系統(tǒng)原理

數(shù)控直流穩(wěn)壓電源系統(tǒng)框圖如圖1所示。在完成整流濾波的工作后，分別經(jīng)過兩個Buck降壓式斬波電路[6]，得到最終所需要的12V和5V的直流電壓。Buck電路中開關(guān)管的通斷是由控制器輸出的PWM波形進(jìn)行控制的。為了使系統(tǒng)能夠完成快速而穩(wěn)定的調(diào)壓降壓工作，系統(tǒng)采用閉環(huán)回路控制，通過采集輸出端的輸出電壓，經(jīng)過A-D轉(zhuǎn)換操作[7]，將電壓以數(shù)字信號的形式傳遞給控制器，控制器將采集到的信號與期望值作差，利用PID算法對得到的差值進(jìn)行調(diào)節(jié)，控制PWM波的發(fā)生[8]，從而控制開關(guān)管的工作頻率達(dá)到期望頻率，最終實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)的閉環(huán)反饋控制調(diào)節(jié)。

圖1 數(shù)控直流穩(wěn)壓電源系統(tǒng)框圖

2 系統(tǒng)電路工作原理及其控制方法

2.1 Buck電路

Buck主電路原理如圖2所示[9]?，F(xiàn)階段市面上大部分的降壓電路和開關(guān)電源都是采用Buck電路。本文選用PID控制方式完成對Buck電路的控制，通過數(shù)學(xué)公式的推導(dǎo)對相關(guān)的控制參數(shù)做數(shù)值計(jì)算與選擇，完成對Buck電路的分析研究。

圖2 Buck主電路原理

2.2 果蠅優(yōu)化算法-PID算法實(shí)現(xiàn)

將果蠅優(yōu)化算法（fruit fly optimization algorithm, FOA）歸納為幾個重要的步驟，以此來進(jìn)行PID參數(shù)的尋優(yōu)工作，具體尋優(yōu)過程如下[10]：

1）設(shè)置果蠅種群規(guī)模sizepop。

2）設(shè)置果蠅種群的迭代次數(shù)maxgen。

3）隨機(jī)生成果蠅群的初始位置，進(jìn)行算法的初始化工作。

4）隨機(jī)分配PID參數(shù)p、i、d的數(shù)值，對應(yīng)的計(jì)算公式為

式中：p1、i1、d1分別為p、i、d的初始值；rand為隨機(jī)數(shù)；取值范圍為1～sizepop。

5）將分配好的p、i、d代入上述選取的最優(yōu)性能控制指標(biāo)中，求出該果蠅個體所對應(yīng)的系統(tǒng)誤差。

6）記錄此時系統(tǒng)誤差最小值所對應(yīng)的p、i、d值。

7）循環(huán)執(zhí)行4）～5）過程，系統(tǒng)自動進(jìn)入迭代尋優(yōu)過程，不斷檢測并更新系統(tǒng)最小誤差值，更換一次就執(zhí)行6）。迭代結(jié)束后，果蠅優(yōu)化算法也隨之結(jié)束。

3 系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)

3.1 Buck電路的仿真測驗(yàn)

利用Simulink軟件搭建Buck電路仿真模型，并進(jìn)行開環(huán)、閉環(huán)PID控制器校正的仿真，以仿真輸出波形驗(yàn)證閉環(huán)PID控制的優(yōu)越性。

首先對Buck電路的可行性進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)研究，采用開環(huán)仿真模式，用Simulink中的模塊搭建開環(huán)Buck電路仿真模型如圖3所示。

設(shè)定PWM波形及電源電壓、電感、電容、電阻參數(shù)，得到開環(huán)Buck電路仿真電壓輸出12V和5V曲線分別如圖4和圖5所示。通過仿真結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，輸出電壓值在要求范圍內(nèi)，證明輸入?yún)?shù)的設(shè)定取值合理。但是，系統(tǒng)輸出的波形存在較大誤差，且輸出波形的波動頻率較大，這是開環(huán)控制的缺陷。如果系統(tǒng)處于開環(huán)狀態(tài)時存在擾動，則輸出的波形難以調(diào)控。因此，本文選用PID閉環(huán)反饋的方式對Buck降壓斬波電路進(jìn)行控制[11]。

通過對開環(huán)Buck電路的仿真分析，加入閉環(huán)反饋調(diào)節(jié)控制能降低系統(tǒng)輸出所帶來的誤差，引入PID控制算法對PWM波形進(jìn)行調(diào)節(jié)，進(jìn)而控制MOS管的導(dǎo)通與關(guān)斷，實(shí)現(xiàn)降壓斬波功能。閉環(huán)Buck電路PID仿真模型如圖6所示。

圖3 開環(huán)Buck電路仿真模型

圖4 開環(huán)Buck電路仿真電壓輸出12V曲線

圖5 開環(huán)Buck電路仿真電壓輸出5V曲線

圖6 閉環(huán)Buck電路PID仿真模型

閉環(huán)Buck電路仿真電壓輸出12V和5V曲線分別如圖7和圖8所示。通過對閉環(huán)PID調(diào)節(jié)的Buck降壓斬波電路仿真可知，在利用PID算法調(diào)節(jié)PWM輸出波形的情況下，輸出電壓能夠快速平穩(wěn)地達(dá)到目標(biāo)值，且有效降低了系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差，由此可以證明，閉環(huán)控制對調(diào)節(jié)系統(tǒng)的性能指標(biāo)起到了極其重要的作用。但對于PID的參數(shù)整定還需要通過優(yōu)化算法來進(jìn)一步優(yōu)化。

圖7 閉環(huán)Buck電路仿真電壓輸出12V曲線

圖8 閉環(huán)Buck電路仿真電壓輸出5V曲線

3.2 FOA對PID的參數(shù)整定

通過對Buck降壓斬波電路的仿真可以證明，閉環(huán)電路的輸出特性要優(yōu)于開環(huán)電路的輸出特性，故本文以時間乘誤差絕對值積分（integrated time absolute error, ITAE）指標(biāo)所反饋的系統(tǒng)誤差值來判定參數(shù)優(yōu)化的效果，將求得的ITAE誤差最小值對應(yīng)的p、i作為PID最終的優(yōu)化值。FOA程序初始化參數(shù)設(shè)定見表1。圖9為FOA-PID仿真模型。經(jīng)過仿真后，圖10和圖11為輸出電壓為12V的參數(shù)尋優(yōu)曲線和輸出電壓波形，圖12和圖13為輸出電壓為5V的參數(shù)尋優(yōu)曲線和輸出電壓波形。

表1 FOA參數(shù)設(shè)定

圖9 FOA-PID仿真模型

圖10 輸出電壓為12V的相關(guān)參數(shù)尋優(yōu)曲線

圖11 經(jīng)過算法尋優(yōu)后的12V輸出電壓波形

圖12 輸出電壓為5V的相關(guān)參數(shù)尋優(yōu)曲線

從圖7、圖8與圖11、圖13的對比可以看出，經(jīng)過FOA優(yōu)化PID參數(shù)后所輸出的電壓波形明顯優(yōu)于手動調(diào)節(jié)PID參數(shù)所輸出的波形。經(jīng)過優(yōu)化后的PID參數(shù)取值更為精確，系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差得到明顯改善，系統(tǒng)輸出電壓的脈動頻率與幅值也大大降低，由此證明了FOA對PID參數(shù)調(diào)節(jié)的可行性與有效性。

圖13 經(jīng)過算法尋優(yōu)后的5V輸出電壓波形

為進(jìn)一步驗(yàn)證FOA對PID參數(shù)調(diào)節(jié)的有效性，以閉環(huán)Buck電路輸出電壓為5V的情況為例，增加負(fù)載突增和負(fù)載突降實(shí)驗(yàn)進(jìn)行仿真研究，仿真輸出波形如圖14～圖17所示。

圖14 閉環(huán)Buck電路負(fù)載突增5V輸出電壓波形

圖15 經(jīng)過算法尋優(yōu)后的負(fù)載突增5V輸出電壓波形

圖16 閉環(huán)Buck電路負(fù)載突降5V輸出電壓波形

圖17 經(jīng)過算法尋優(yōu)后的負(fù)載突降5V輸出電壓波形

由圖14可知，閉環(huán)Buck電路負(fù)載突增時，輸出電壓在0.2ms時間內(nèi)產(chǎn)生-2V左右的波動，然后迅速恢復(fù)到5V，該誤差較大；由圖15可知，經(jīng)過算法尋優(yōu)后，負(fù)載突增時，輸出電壓在0.2ms時間內(nèi)產(chǎn)生-0.8V左右的波動，然后迅速恢復(fù)到5V，該誤差在可接受范圍內(nèi)。

由圖16可知，閉環(huán)Buck電路負(fù)載突降時，輸出電壓在0.2ms時間內(nèi)產(chǎn)生2V左右的波動，然后迅速恢復(fù)到5V，該誤差較大；由圖17可知，經(jīng)過算法尋優(yōu)后，負(fù)載突降時，輸出電壓在0.2ms時間內(nèi)產(chǎn)生0.8V左右的波動，然后迅速恢復(fù)到5V，該誤差在可接受范圍內(nèi)。

4 結(jié)論

本文首先闡述了數(shù)顯反饋控制型直流穩(wěn)壓電源的工作原理，并利用Buck降壓斬波電路獲得系統(tǒng)所需的電壓。結(jié)合FOA對閉環(huán)控制回路的PID控制器相關(guān)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化整定，以ITAE性能指標(biāo)來判定FOA對PID參數(shù)優(yōu)化的效果。最后利用Simulink軟件進(jìn)行仿真研究，通過對比輸出電壓波形證明了閉環(huán)控制PID調(diào)節(jié)能夠優(yōu)化系統(tǒng)的輸出，仿真結(jié)果達(dá)到了系統(tǒng)所要求的各項(xiàng)性能指標(biāo)。

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Research on feedback control DC regulated power supply based on fruit fly optimization algorithm

LIU Yunting1LI Shenke1SHAO Zhiliang2FANG Wenbiao2GUO Hui3

(1. School of Automation and Electrical Engineering, Shenyang Ligong University, Shenyang 110000;2. Zhongce Rubber (Jiande) Co., Ltd, Hangzhou 311600;3. Sports Equipment Industry Technology Research Institute, Shenyang University of Technology, Shenyang 110000)

Aiming at the problems of low adjustment accuracy, complex structure and impure output DC power in the field of precision DC power supply, this paper proposes a method to achieve precise and stable 12V and 5V DC power supply with STM32 microcontroller as the core controller. In this method, the 220V AC voltage is first transformed to 48V through a transformer, and then chopped by two Buck circuits after passing through the rectifier bridge. The control of the PWM output waveform state is realized through PID, in which the parameters of the PID are optimized by the fruit fly optimization algorithm (FOA). By comparing the traditional PID algorithm and the fruit fly optimization algorithm, the effectiveness of the method proposed in this paper is proved by the dynamic characteristic load surge and load dump experiments of the output load.

digital display feedback control; DC regulated power supply; fruit fly optimization algorithm; Buck circuit

2022-04-11

2022-05-26

劉韻婷（1983—），女，博士，副教授，主要從事人工智能、數(shù)據(jù)分析和傳感器網(wǎng)絡(luò)研究工作。

遼寧省教育廳項(xiàng)目（LJGD2020019）