[發(fā)明專利]一種用于直流降壓變換器的多目標(biāo)分?jǐn)?shù)階PID控制方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201811243756.3
• 申請日: 2018-10-24
• 公開（公告）號: CN109343337B
• 公開（公告）日: 2021-06-25
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 曾國強(qiáng);董璐;陳碧鵬;王環(huán);戴瑜興;李理敏;吳烈
• 申請（專利權(quán)）人: 溫州大學(xué)
• 主分類號: G05B11/42
• 分類號: G05B11/42
• 代理公司: 杭州求是專利事務(wù)所有限公司 33200
• 代理人: 邱啟旺

1.一種用于直流降壓變換器的多目標(biāo)分?jǐn)?shù)階PID控制方法，其特征在于，采用分?jǐn)?shù)階PID控制方法實(shí)現(xiàn)對直流降壓變換器輸出電壓的反饋控制，分?jǐn)?shù)階PID控制方法中的控制參數(shù)通過多目標(biāo)差分進(jìn)化求解和決策器進(jìn)行優(yōu)化整定，該方法包括以下步驟：

(1)采用MATLAB軟件建立直流降壓變換器輸出電壓分?jǐn)?shù)階PID控制的Simulink仿真模型，主要包括電力系統(tǒng)仿真模塊Powergui、輸入直流電源、MOSFET開關(guān)管、電感、與電感串聯(lián)的電阻、濾波電容、濾波電阻、輸出電阻、輸出電壓的參考值、比較運(yùn)算器、分?jǐn)?shù)階PID控制模塊、脈寬調(diào)制模塊、電流和電壓測量模塊、虛擬示波器；其中，分?jǐn)?shù)階PID控制器的傳遞函數(shù)G_fc(s)如公式(1)所示：

G_fc(s)＝K_P+K_Is^-λ+K_Ds^μ (1)

其中K_P表示比例系數(shù)，K_I表示積分系數(shù)，K_D表示微分系數(shù)，λ表示分?jǐn)?shù)階積分的階次，μ表示分?jǐn)?shù)階微分的階次；

(2)設(shè)置多目標(biāo)差分進(jìn)化求解器的參數(shù)，包括種群規(guī)模NP，變異因子F，交叉概率CR，最大迭代次數(shù)I_max，外部精英存檔EA的最大容量＝NP；

(3)隨機(jī)產(chǎn)生一個(gè)規(guī)模為NP的初始種群P_I＝{P_i,i＝1,2,...,NP}，其中第i個(gè)個(gè)體P_i表示對分?jǐn)?shù)階PID控制器的5個(gè)控制參數(shù)K_P、K_I、K_D、λ、μ進(jìn)行實(shí)數(shù)編碼的實(shí)數(shù)向量，即P_i＝[K_P,K_I,K_D,λ,μ]，具體產(chǎn)生過程為：P_i＝R(C_U－C_L)+C_L，其中C_U與C_L表示K_P、K_I、K_D、λ、μ這5個(gè)控制參數(shù)的上限向量和下限向量，R表示在0到1范圍內(nèi)產(chǎn)生的均勻分布隨機(jī)數(shù)向量，設(shè)置外部精英存檔EA的初始值為空集；

(4)按照公式(2)～(4)對P_I中各個(gè)個(gè)體對應(yīng)的目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行評估；

f₂＝|V_omax-V_r| (3)

f₃＝t_s (4)

其中，f₁、f₂和f₃分別表示第1個(gè)、第2個(gè)和第3個(gè)目標(biāo)函數(shù)，V_o表示直流降壓變換器的實(shí)際輸出電壓，V_r表示直流降壓變換器的參考輸出電壓，V_omax表示實(shí)際輸出電壓的最大值，t_s表示實(shí)際輸出電壓到達(dá)穩(wěn)態(tài)值的穩(wěn)定時(shí)間，t表示直流降壓變換器的仿真運(yùn)行時(shí)間，t_max表示直流降壓變換器仿真運(yùn)行時(shí)間窗的最大時(shí)間值；

(5)使用基于非支配排序的Pareto適應(yīng)度評價(jià)準(zhǔn)則對P_I中各個(gè)個(gè)體進(jìn)行非支配排序，如果只存在一個(gè)非支配個(gè)體，則標(biāo)記該個(gè)體為P_N；如果存在多個(gè)非支配個(gè)體，則按照錦標(biāo)賽策略選擇一個(gè)非支配個(gè)體，將其標(biāo)記為P_N；

(6)更新外部精英存檔EA；

(7)針對每個(gè)個(gè)體P_i，從P_I中隨機(jī)選出三個(gè)不同的個(gè)體P_r1、P_r2和P_r3，按照公式(6)進(jìn)行實(shí)數(shù)變異，從而產(chǎn)生變異后的新個(gè)體P_mi，變異后的種群標(biāo)記為P_m＝{P_mi,i＝1,2,…,NP}；

P_mi＝P_r3+F(P_r1-P_r2),r1≠r2≠r3≠i,i＝1,2,…,NP (6)

其中，F(xiàn)表示變異因子，r1、r2和r3表示隨機(jī)選出三個(gè)不同的個(gè)體在P_I中的序列號；

(8)按照如公式(7)所示的交叉操作，產(chǎn)生交叉操作后的種群P_c＝{P_ci,i＝1,2,…,NP}；

其中，P_ci表示交叉操作后的新個(gè)體，CR表示交叉概率，r_i表示在0到1范圍內(nèi)產(chǎn)生的均勻分布隨機(jī)數(shù)；

(9)判斷當(dāng)前迭代次數(shù)是否小于設(shè)置的最大迭代次數(shù)I_max；若是，則無條件接受P_I＝P_c，返回步驟(4)；否則，進(jìn)入步驟(10)；

(10)將最終的外部精英存檔EA作為最終的Pareto最優(yōu)解集，選擇EA_k(Ω(0.5NP))對應(yīng)的個(gè)體作為分?jǐn)?shù)階PID控制器的最優(yōu)控制參數(shù)K_P、K_I、K_D、λ、μ；

(11)針對步驟(1)所述Simulink仿真模型所對應(yīng)的實(shí)際直流降壓變換器，所述直流降壓變換器硬件部分包括輸入直流電源、MOSFET管、電感、與電感串聯(lián)的電阻、濾波電容、濾波電阻、輸出電阻、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、數(shù)字信號處理器、電流傳感器、電壓傳感器和驅(qū)動電路，采用數(shù)字信號處理器實(shí)現(xiàn)分?jǐn)?shù)階PID控制器，將步驟(10)中獲得的分?jǐn)?shù)階PID控制器最優(yōu)控制參數(shù)K_P、K_I、K_D、λ、μ輸入到數(shù)字信號處理器中，從而實(shí)現(xiàn)對直流降壓變換器輸出電壓的優(yōu)化控制；

(12)采用示波器對直流降壓變換器的輸出電壓實(shí)時(shí)信號進(jìn)行記錄和顯示。