基于果蠅優化算法的反饋控制型直流穩壓電源研究

劉韻婷 李紳科 邵志良 方文標 郭 輝

基于果蠅優化算法的反饋控制型直流穩壓電源研究

劉韻婷1李紳科1邵志良2方文標2郭 輝3

（1. 沈陽理工大學自動化與電氣工程學院，沈陽 110000；2. 中策橡膠（建德）有限公司，杭州 311600；3. 沈陽工業大學體育裝備產業技術研究院，沈陽 110000）

針對目前精密直流電源領域存在的調整精度低、結構復雜和輸出直流電不純的問題，本文提出以STM32單片機為核心控制器，最終實現輸出精穩的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，并通過整流橋后經過兩個Buck電路進行斬波；然后使用PID實現對PWM輸出波形狀態的控制，其中PID的各項參數使用果蠅優化算法（FOA）進行優化；最后對傳統的PID算法與果蠅優化算法進行動態特性負載突增和負載突降對比實驗，實驗結果證明了本文所提方法的有效性。

數顯反饋控制；直流穩壓電源；果蠅優化算法；Buck電路

0 引言

作為一種電源技術，數字控制的直流穩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，使用數字信號具有許多優勢[3]。隨著電子設備中數控電源的廣泛使用，很多高精尖產品對電源的精穩性有了更高的要求。通用電源由于系統故障會出現一定的錯誤，影響設備的正常生產運行。如果準確率無法保證，那么在設備運行中不可控事件發生的概率就會大大增加[4]。因此，為保證電源產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過嚴格檢測，必須達到相關標準才可以量產并進入市場[5]。然而，目前市場上的高精度直流電源存在調整精度低、結構復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整精度低的問題進行研究。

1 反饋控制型直流穩壓電源系統原理

數控直流穩壓電源系統框圖如圖1所示。在完成整流濾波的工作后，分別經過兩個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電路中開關管的通斷是由控制器輸出的PWM波形進行控制的。為了使系統能夠完成快速而穩定的調壓降壓工作，系統采用閉環回路控制，通過采集輸出端的輸出電壓，經過A-D轉換操作[7]，將電壓以數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行調節，控制PWM波的發生[8]，從而控制開關管的工作頻率達到期望頻率，最終實現對系統的閉環反饋控制調節。

圖1 數控直流穩壓電源系統框圖

2 系統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]。現階段市面上大部分的降壓電路和開關電源都是采用Buck電路。本文選用PID控制方式完成對Buck電路的控制，通過數學公式的推導對相關的控制參數做數值計算與選擇，完成對Buck電路的分析研究。

圖2 Buck主電路原理

2.2 果蠅優化算法-PID算法實現

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

1）設置果蠅種群規模sizepop。

2）設置果蠅種群的迭代次數maxgen。

3）隨機生成果蠅群的初始位置，進行算法的初始化工作。

4）隨機分配PID參數p、i、d的數值，對應的計算公式為

式中：p1、i1、d1分別為p、i、d的初始值；rand為隨機數；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性能控制指標中，求出該果蠅個體所對應的系統誤差。

6）記錄此時系統誤差最小值所對應的p、i、d值。

7）循環執行4）～5）過程，系統自動進入迭代尋優過程，不斷檢測并更新系統最小誤差值，更換一次就執行6）。迭代結束后，果蠅優化算法也隨之結束。

3 系統仿真實驗

3.1 Buck電路的仿真測驗

利用Simulink軟件搭建Buck電路仿真模型，并進行開環、閉環PID控制器校正的仿真，以仿真輸出波形驗證閉環PID控制的優越性。

首先對Buck電路的可行性進行仿真實驗研究，采用開環仿真模式，用Simulink中的模塊搭建開環Buck電路仿真模型如圖3所示。

設定PWM波形及電源電壓、電感、電容、電阻參數，得到開環Buck電路仿真電壓輸出12V和5V曲線分別如圖4和圖5所示。通過仿真結果可以發現，輸出電壓值在要求范圍內，證明輸入參數的設定取值合理。但是，系統輸出的波形存在較大誤差，且輸出波形的波動頻率較大，這是開環控制的缺陷。如果系統處于開環狀態時存在擾動，則輸出的波形難以調控。因此，本文選用PID閉環反饋的方式對Buck降壓斬波電路進行控制[11]。

通過對開環Buck電路的仿真分析，加入閉環反饋調節控制能降低系統輸出所帶來的誤差，引入PID控制算法對PWM波形進行調節，進而控制MOS管的導通與關斷，實現降壓斬波功能。閉環Buck電路PID仿真模型如圖6所示。

圖3 開環Buck電路仿真模型

圖4 開環Buck電路仿真電壓輸出12V曲線

圖5 開環Buck電路仿真電壓輸出5V曲線

圖6 閉環Buck電路PID仿真模型

閉環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PID調節的Buck降壓斬波電路仿真可知，在利用PID算法調節PWM輸出波形的情況下，輸出電壓能夠快速平穩地達到目標值，且有效降低了系統的穩態誤差，由此可以證明，閉環控制對調節系統的性能指標起到了極其重要的作用。但對于PID的參數整定還需要通過優化算法來進一步優化。

圖7 閉環Buck電路仿真電壓輸出12V曲線

圖8 閉環Buck電路仿真電壓輸出5V曲線

3.2 FOA對PID的參數整定

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

表1 FOA參數設定

圖9 FOA-PID仿真模型

圖10 輸出電壓為12V的相關參數尋優曲線

圖11 經過算法尋優后的12V輸出電壓波形

圖12 輸出電壓為5V的相關參數尋優曲線

從圖7、圖8與圖11、圖13的對比可以看出，經過FOA優化PID參數后所輸出的電壓波形明顯優于手動調節PID參數所輸出的波形。經過優化后的PID參數取值更為精確，系統的穩態誤差得到明顯改善，系統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參數調節的可行性與有效性。

圖13 經過算法尋優后的5V輸出電壓波形

為進一步驗證FOA對PID參數調節的有效性，以閉環Buck電路輸出電壓為5V的情況為例，增加負載突增和負載突降實驗進行仿真研究，仿真輸出波形如圖14～圖17所示。

圖14 閉環Buck電路負載突增5V輸出電壓波形

圖15 經過算法尋優后的負載突增5V輸出電壓波形

圖16 閉環Buck電路負載突降5V輸出電壓波形

圖17 經過算法尋優后的負載突降5V輸出電壓波形

由圖14可知，閉環Buck電路負載突增時，輸出電壓在0.2ms時間內產生-2V左右的波動，然后迅速恢復到5V，該誤差較大；由圖15可知，經過算法尋優后，負載突增時，輸出電壓在0.2ms時間內產生-0.8V左右的波動，然后迅速恢復到5V，該誤差在可接受范圍內。

由圖16可知，閉環Buck電路負載突降時，輸出電壓在0.2ms時間內產生2V左右的波動，然后迅速恢復到5V，該誤差較大；由圖17可知，經過算法尋優后，負載突降時，輸出電壓在0.2ms時間內產生0.8V左右的波動，然后迅速恢復到5V，該誤差在可接受范圍內。

4 結論

本文首先闡述了數顯反饋控制型直流穩壓電源的工作原理，并利用Buck降壓斬波電路獲得系統所需的電壓。結合FOA對閉環控制回路的PID控制器相關參數進行了優化整定，以ITAE性能指標來判定FOA對PID參數優化的效果。最后利用Simulink軟件進行仿真研究，通過對比輸出電壓波形證明了閉環控制PID調節能夠優化系統的輸出，仿真結果達到了系統所要求的各項性能指標。

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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、數據分析和傳感器網絡研究工作。

遼寧省教育廳項目（LJGD2020019）