[发明专利]一种用于直流降压变换器的多目标分数阶PID控制方法

摘要

本发明公开一种用于直流降压变换器的多目标分数阶PID控制方法，本发明首先将直流降压变换器实际输出电压与参考电压之间误差的时间乘绝对误差积分、实际输出电压超调量和稳定时间作为三个优化目标函数，设计一种高效的多目标差分进化求解器离线获得分数阶PID控制方法的最优控制参数，然后将最优控制参数输入到实际的数字处理信号处理器中，从而实现对实际直流降压变换器输出电压的实时控制。相比现有技术，本发明借助计算机辅助设计技术可自动获取直流降压变换器最优控制参数，且直流降压变换器的实际输出电压具有更小的超调量和纹波、更快的稳定速度以及更优良的鲁棒性能。

主权项

1.一种用于直流降压变换器的多目标分数阶PID控制方法，其特征在于，采用分数阶PID控制方法实现对直流降压变换器输出电压的反馈控制，分数阶PID控制方法中的控制参数通过多目标差分进化求解和决策器进行优化整定，该方法可以包括以下步骤：(1)采用MATLAB软件建立直流降压变换器输出电压分数阶PID控制的Simulink仿真模型，主要包括电力系统仿真模块Powergui、输入直流电源、MOSFET开关管、电感、与电感串联的电阻、滤波电容、滤波电阻、输出电阻、输出电压的参考值、比较运算器、分数阶PID控制模块、脉宽调制模块、电流和电压测量模块、虚拟示波器等；其中，分数阶PID控制器的传递函数Gfc(s)如公式(1)所示：Gfc(s)＝KP+KIs‑λ+KDsμ   (1)其中KP表示比例系数，KI表示积分系数，KD表示微分系数，λ表示分数阶积分的阶次，μ表示分数阶微分的阶次。(2)设置多目标差分进化求解器的参数，包括种群规模NP，变异因子F，交叉概率CR，最大迭代次数Imax，外部精英存档EA的最大容量＝NP。(3)随机产生一个规模为NP的初始种群PI＝{Pi,i＝1,2,...,NP}，其中第i个个体Pi表示对分数阶PID控制器的5个控制参数KP、KI、KD、λ、μ进行实数编码的实数向量，即Pi＝[KP,KI,KD,λ,μ]，具体产生过程为：Pi＝R(CU－CL)+CL，其中CU与CL表示KP、KI、KD、λ、μ这5个控制参数的上限向量和下限向量，R表示在0到1范围内产生的均匀分布随机数向量，设置外部精英存档EA的初始值为空集。(4)按照公式(2)～(4)对PI中各个个体对应的目标函数进行评估；f2＝|Vomax‑Vr|   (3)f3＝ts   (4)其中，f1、f2和f3分别表示第1个、第2个和第3个目标函数，Vo表示直流降压变换器的实际输出电压，Vr表示直流降压变换器的参考输出电压，Vomax表示实际输出电压的最大值，ts表示实际输出电压到达稳态值的稳定时间，t表示直流降压变换器的仿真运行时间，tmax表示直流降压变换器仿真运行时间窗的最大时间值。(5)使用基于非支配排序的Pareto适应度评价准则对PI中各个个体进行非支配排序，如果只存在一个非支配个体，则标记该个体为PN；如果存在多个非支配个体，则按照锦标赛策略选择一个非支配个体，将其标记为PN。(6)更新外部精英存档EA。(7)针对每个个体Pi，从PI中随机选出三个不同的个体Pr1、Pr2和Pr3，按照公式(6)进行实数变异，从而产生变异后的新个体Pmi，变异后的种群标记为Pm＝{Pmi,i＝1,2,…,NP}；Pmi＝Pr3+F(Pr1‑Pr2),r1≠r2≠r3≠i,i＝1,2,…,NP   (6)其中，F表示变异因子，r1、r2和r3表示随机选出三个不同的个体在PI中的序列号；(8)按照如公式(7)所示的交叉操作，产生交叉操作后的种群Pc＝{Pci,i＝1,2,…,NP}；其中，Pci表示交叉操作后的新个体，CR表示交叉概率，ri表示在0到1范围内产生的均匀分布随机数；(9)判断当前迭代次数是否小于设置的最大迭代次数Imax；若是，则无条件接受PI＝Pc，返回步骤(4)；否则，进入步骤(10)；(10)将最终的外部精英存档EA作为最终的Pareto最优解集，选择EAk(Ω(0.5NP))对应的个体作为分数阶PID控制器的最优控制参数KP、KI、KD、λ、μ；(11)针对步骤(1)所述Simulink仿真模型所对应的实际直流降压变换器，所述直流降压变换器硬件部分包括输入直流电源、MOSFET管、电感、与电感串联的电阻、滤波电容、滤波电阻、输出电阻、模数转换器、数字信号处理器、电流传感器、电压传感器和驱动电路，采用数字信号处理器实现分数阶PID控制器等，将步骤(10)中获得的分数阶PID控制器最优控制参数KP、KI、KD、λ、μ输入到数字信号处理器中，从而实现对直流降压变换器输出电压的优化控制。(12)采用示波器对直流降压变换器的输出电压实时信号进行记录和显示。