一種可用于航天Boost拓撲電源參數辨識的數字孿生方法

宋相毅，黃宇超，童喬凌，張 僑

(1.武漢理工大學自動化學院，湖北武漢 430070；2.華中科技大學集成電路學院，湖北武漢 430074)

航天器的電源系統需要保持高度穩定，以確保所有設備和儀器的正常運行。航天器可能會面臨來自太陽輻射、宇宙射線等外部干擾，以及內部電路元件老化等因素的影響。通過精確建模，可以分析并預測在不同工作條件下電源系統的穩定性，進而優化設計和配置，使其能夠適應不同的環境和負載。

使用基于數字孿生的技術，可以通過將真實航天電源的實時數據與數學模型進行比較，實時監測航天電源的工作狀態。數字孿生技術能夠模擬電源在不同工況下的運行情況，并通過比對實際數據和模型數據來判斷電源的健康狀況。Boost 電路作為一種航天電源常見的DC-DC 轉換器，具有復雜的非線性特性和多變的工作條件，準確辨識其參數一直是一個具有挑戰性的問題。

傳統的參數辨識方法通常基于數學模型或實驗數據，但這些方法存在著一定的局限性。本文以Boost 電路為例介紹數字孿生技術與禁忌搜索算法在參數辨識中的應用。

禁忌搜索算法是一種元啟發式隨即搜索算法，通過遵循一定的搜索規則和禁忌策略，在辨識過程中通過對參數空間進行搜索和優化，以找到最優的參數組合。該算法具有較強的全局搜索能力和快速收斂性。

本文主要研究了Boost 電路的Simulink 仿真、基于狀態空間的數字孿生模型，并詳細介紹了禁忌搜索算法在Boost 電路數字孿生模型中參數辨識的應用。通過對Boost 電路進行仿真和實驗驗證，結果表明該方法能夠準確地辨識Boost 電路的關鍵參數。研究架構如圖1 所示。

圖1 數字孿生參數辨識架構圖

1 Boost拓撲的數字孿生

1.1 數字孿生概念

數字孿生是一種將現實世界中的物理對象或系統與其數字化模型進行實時同步的技術。它通過使用傳感器、數據模型等技術手段，將實際物體或系統的行為、性能和狀態等信息實時地反映到數字模型中，實現物理世界與數字世界的緊密交互。

數字孿生系統往往含有六個特征：

(1)物理系統：一個真實的物理對象或者過程。

(2)傳感器：用來采集物理系統中的各個數據傳給數字孿生模型進行處理。

(3)數據：采集物理系統的數據用來更新數字孿生模型。

(4)數字孿生模型：這是利用數學模型、物理模型或基于機器學習的模型進行仿真，生成物理系統的數字孿生模型。

(5)分析處理：包括對傳感器采集傳送過來的數據分析處理，以提高數字孿生對物理系統建模的準確性。對模型內部數據的分析處理，用來預測判斷或者指導物理系統，這些往往采用先進的算法。

(6)反饋：通過對數據的分析處理反饋給物理系統信息。運行狀態監測和性能評估，改進物理系統的設計和運行方式。

1.2 Boost 拓撲結構建模

由于Boost 拓撲電路一般具有非線性、時變的特點，建立其準確的數學模型略有難度，采用較為簡便的狀態空間平均法建模[1]。狀態空間平均法實質是根據拓撲結構中的R、L、C線性元件、電源和開關組成的原始網絡，按照Boost 電路的兩種工作模態，以電容電壓和電感電流為狀態變量，通過平均時間，得到一個周期內電路平均狀態變量，從而實現非線性、時變、開關電路的建模轉化為等效的線性、時不變、連續電路建模。

Boost 電路的主拓撲結構由升壓電感L、濾波電容C、負載R、二極管Vd和全控型開關器件D構成，理想情況下不考慮開關管和二極管的寄生參數。連續導電模式(CCM)下Boost 電路在每個開關周期內都有兩種不同的工作狀態，如圖2 和圖3 所示。

圖2 工作模態1：D導通

圖3 工作模態2：D 關斷

Boost 變換器在CCM 下，每一個周期的(0,DTs)時間段內，工作在如圖2 所示工作模態1，開關管D導通，二極管Vd截止，電源給電感L充磁，電容C給負載R供電。此時的電路狀態方程如下所示：

Boost 變換器在CCM 下，每一周期的(DTs,Ts)時間段內，工作在如圖3 所示工作模態2，開關管D關斷，二極管Vd導通，電感L釋放磁場能，電源和電感共同給負載R供電，并給電容C充電[2]。此時的電路狀態方程如下所示：

由以上兩種工作模態的分析，可以得到Boost 電路在一個工作周期內狀態平均模型表達式為：

其中開關器件D的表達式為：

式中：T為開關器件D的開關周期；d為占空比。

1.3 龍格-庫塔求解

龍格-庫塔法(Runge-Kutta method)是一種常用于數值求解常微分方程(ODE)的數值方法。龍格庫塔法通過將微分方程離散化，將連續的求解問題轉化為離散的步進問題。該方法通過將時間或自變量分割成多個小步(也稱為時間步長或步點)，然后在每個步長內計算變量的變化量。這些變化量按照一定的權重加權平均，從而得到下一個時間步的近似解。該方法具有高精度、穩定性強和適用范圍廣等優點[3]。

本文采用四階的龍格-庫塔對微分方程進行線性化來計算得到第n+1 步的IL和Uo，且認為這種方法的誤差可以忽略。簡化分析過程，可將式()5 寫為式(8)：

采用四階龍格-庫塔方法，則IL,n+1和Uo,n+1可按式(9)表示：

式中：ka1～ka4和kb1～kb4是用來計算第n步和第n+1 步之間的平均變化率，其公式如下：

式中：h為第n步與第n+1 步之間的計算步長。把式(8)代入到式(10)，式(10)代入到式(9)，式(9)代入到式(5)便可以得到最終表達式為：

式中：a、b、c系數由7 個參數(L,C,R,Vin,Uo,IL,D)組成，較為復雜，因為從公式之間不斷嵌套，其中L、R、C為未知參數；D為給定的開關器件參數；Vin為由傳感器測出的輸入電壓。因此，利用第n步的電感電流和電容電壓可以測算出第n+1 步的輸出電壓。

2 禁忌搜索算法參數尋優

前文利用式(5)～(11)建立起Boost 拓撲電路的數字孿生數學模型和數值求解方法。但是由于含有三個未知變量均為高度非線性函數，通過傳統的算法難以實現參數辨識。禁忌搜索算法是一種經典的優化算法，通過使用一個禁忌表來記錄搜索過程中的禁忌動作，避免重復搜索相同的解空間，從而提高搜索效率，克服局部最優解。該算法在本文中應用流程如圖4 所示步驟。

圖4 禁忌搜索算法參數辨識步驟

算法的目標函數在本文中構造如下：

式中：N為采集數據的總量個數；IL,j和Uo,j為數字孿生Boost 拓撲模型根據數據計算出的電感電流和電容電壓；ILm,j和Uom,j為Boost 仿真電路中測量得到的電感電流和電容電壓。

首先在Boost 電路仿真模型中設定好輸入電壓、R、L、C、D等各個參數的值，將輸入電壓采集輸送到數字孿生模型中，將采集到的仿真電路中的電感電流和電容電壓輸送到禁忌搜索算法中。數字孿生模型通過計算得到的相應電感電流和電容電壓也輸送到禁忌搜索算法中，算法通過隨機生成初始解，按照圖4 所示步驟[4]，把每一個解的數據代入到目標函數中，求取目標函數最優的那組解就是所需要辨識參數L、R、C的結果。

在搜索過程中維護一個禁忌表來記錄已經搜索過的解，并對當前搜索的解進行限制和調整，以避免陷入局部最優解。禁忌表的作用在于幫助算法避免重復搜索已經探索過的解空間，從而增加了搜索的廣度和多樣性。禁忌表通常存儲了歷史搜索過程中的一些關鍵信息，比如已訪問的解、移動操作等[5]。它在禁忌搜索算法中扮演了兩個重要角色：

(1)防止回溯：禁忌表可以記錄已經搜索過的解，從而防止算法重復回溯到之前搜索過的解，避免陷入循環或浪費無效的搜索時間。

(2)引導搜索：禁忌表可以通過存儲搜索過程中的優秀解，提供給算法參考，從而引導搜索方向。通過記憶搜索過程中的良好解決方案，禁忌表幫助算法避免選擇相似的路徑，從而有助于跳出局部最優解，朝著全局最優解的方向搜索。

通過合理調整禁忌表的大小和更新策略，禁忌搜索算法能夠在解空間中靈活探索，有效地平衡探索廣度和深度，提高問題求解的效率和質量。禁忌表的使用對于禁忌搜索算法的穩定性和收斂性具有重要意義，可以幫助算法更好地克服局部最優解的困擾，找到更優的解決方案。

3 結果顯示

使用Boost 拓撲仿真電路建模，在給定初始值的情況下采集輸出的電容電壓，與相同初始值條件下數字孿生數學模型計算得出的電容電壓作對比，得到結果如圖5 所示。對Boost 電路的仿真模型采集電感電流與數字孿生計算出的電感電流對比得到結果如圖6 所示。可以看出數字孿生模型很好地跟蹤了仿真電路輸出結果，證明了數字孿生模型的可行性與準確性。

圖5 Boost電路與數字孿生輸出電壓對比

圖6 Boost電路與數字孿生電感電流對比

通過Boost 變換器的數字孿生建模能夠很好地跟蹤電路輸出情況，其精確性可以很好地保證對航天電源實時監控的穩定性。可以用數字孿生技術對航天電源的拓撲電路進行實時監控，獲取電源的工作參數信息，這些參數可以用于判斷電源性能的良好與否，包括輸出電壓、電流波形、溫度等指標。通過對電源的各個組件進行可靠性評估，包括研究其故障率、平均壽命、失效模式等指標。通過這些評估，可以得出電源的整體可靠性水平，并有針對性地改進設計和制造工藝。

綜合數字孿生模型、仿真電路和禁忌搜索算法后，使禁忌搜索算法在一定的范圍內隨機選取初始解R、L、C的值，再進行回代計算出最優的目標函數。禁忌表的大小設定和生成鄰域解的數量設定以及迭代次數影響著算法的收斂性和準確性。

其中禁忌表大小設定為10，取鄰域解個數為10，得到目標函數收斂結果和各參數辨識過程如圖7～10所示。

圖7 目標函數收斂顯示

圖8 參數R的辨識過程

圖9 參數L的辨識過程

圖10 參數C的辨識過程

如表1 所示，分別設置100、500、1 000 的迭代次數對結果和誤差進行對比，可以看出，禁忌搜索算法在參數辨識中的應用整體上誤差較小，可以很好地滿足要求，隨著迭代次數的增加，得到的最優解誤差也越來越小。

表1 不同迭代次數的不同結果

不難看出，隨著迭代次數的增加，目標函數逐漸收斂，得出最優解。通過增加迭代次數來增強禁忌搜索算法的全局搜索能力，禁忌搜索算法通過在每次迭代中禁忌一定范圍內的解，可以跳出局部最優解，然后繼續搜索其他可能更優的解。增加迭代次數可以增加搜索的深度和廣度，提高算法的全局搜索能力，有助于找到更好的解，同時也能提高算法的收斂性，更充分地探索解空間得到更優質的最優解。

4 結論

航天領域對電源系統的穩定性和可靠性有較高的要求。通過精確建模和參數辨識技術，可以滿足這些要求。在設計航天器時，必須充分考慮各個系統的可靠性，并進行相關的模型構建和參數辨識。通過基于禁忌搜索的數字孿生技術參數辨識方法，可以精確地建立航天電源系統的模型，并對其進行實時監控和參數辨識。這樣可以提高航天電源的工作可靠性，保證任務的成功完成。

首先建立了Boost 拓撲電路的狀態空間方程，基于這一方程與龍格-庫塔數值求解方法建立起Boost拓撲電路的數字孿生模型。搭建Boost 電路的仿真模型，根據其輸入與輸出數據，驗證數字孿生模型跟蹤的精確性，結果也很好地驗證了本文的數字孿生模型搭建正確，可以確保對航天電源實時監控的穩定性。創造性地提出使用禁忌搜索算法結合數字孿生技術，實現Boost 拓撲電路的參數識別技術。與傳統的數字孿生辨識方法相比，本文基于禁忌搜索算法的禁忌表與鄰域解特性，很好地避免了陷入局部最優解的問題，使得參數辨識結果快速而精確，誤差均在可以接受的范圍內，隨著禁忌搜索算法迭代次數的增加，辨識精度也隨著提升。