CN102830629B - 电力电子控制系统实验装置及实验方法 - Google Patents

Abstract

本发明一种电力电子控制系统实验装置及实验方法，本发明属于半实物仿真技术和电力电子控制技术领域，该装置包括数据采集卡、PWM波发生电路和数据采集电路，还包括PC机和电力电子电路；其中，所述的PC机内设置有控制器模块、优化算法模块和通信协议；利用PC机内的控制器模块对电力电子电路进行在线调控；本发明采用实际电力电子系统进行实验，可对控制器模块实现在线调试、修改、测评、及优化控制器模块的参数，可以保证控制器模块的实时性与实用性；这种半实物仿真装置，不仅用于高校学生自主学习，及理论应用于实际的学习，也用于技术人员的理论验证研究和实际工程方案的测评，为开发调试控制算法提供了结合实际应用的深度研究的平台。

Description

电力电子控制系统实验装置及实验方法

技术领域

本发明属于半实物仿真技术和电力电子控制技术领域，具体涉及一种电力电子控制系统实验装置及实验方法。

背景技术

传统的控制系统设计一般包括系统建模、算法设计、软件和硬件的设计以及性能测试等步骤，涉及控制理论、机电技术、软件开发、电路设计等多个领域的内容。

首先，传统的设计方式意味着设计人员不仅要擅长软件的编程与查错，还需要精通硬件的设计；对开发单位来说，不但增加了投资成本，还会导致开发周期过长。因为，对于这种开发过程，控制器一般是实际的，如DSP、FPGA等等，一旦所设计的控制器在对实际系统的控制过程中发现任何错误或者达不到期望要求的控制效果，就必须重新进行设计、修改、调试、编译和下载，每一次调试都需要很长时间，效率十分低下，从而延长项目的开发时间，及消耗大量的人力和物力。

半实物仿真技术的发展，为解决上述问题提供了新的途径和良好的发展前景。半实物仿真技术又称硬件在回路仿真，该技术既可以让用户在控制器硬件组装之前，建立控制器系统的实时仿真回路，实现控制算法代码在真实环境（实际系统）中的执行，评估各种控制算法的优劣，并进行实时修改与优化，使实验结果更接近实际情况，从而得到更确切的信息。

目前，电力电子技术已广泛应用于电气传动、电力系统、各类电源、家用电器等领域，它对改造传统产业、发展高新技术产业都起着非常重要的作用。电力电子技术已成为当今高新技术产业不可缺少的关键技术之一，它的应用领域几乎涉及国民经济的各个部门。

然而，目前对电力电子系统的控制方法的研究仍需要完善，主要体现在以下方面：

第一，由于电力电子电路本身具有复杂性（系统模型的非线性、时变性等）及复杂行为（倍周期、分叉、混沌现象等），常规的控制算法具有很大的局限性，目前用于大部分控制对象的常用控制器用在电力电子系统的控制中往往达不到理想的效果，而复杂的电力电子电路本身恰恰需要有效的控制方法来实现对其准确控制的目的。这就需要我们不仅要研究新的控制理论及方法，还需要建立针对实际的电力电子系统进行控制器研究与开发的平台，实现在线调试、修改、测评、及优化控制器的参数，以开发出高效能、高可靠性、高性价比的用于电力电子系统的控制器。

第二，对于各高校中的电力电子课程的实验装置，其控制算法程序直接固化在控制器上，学生只能观看算法的控制结果，无法动手设计控制算法并通过实际系统实验验证，无法利用软件环境进行实验数据的分析和处理，这严重限制了广大高校学生动手能力和创新能力的培养与提高。

对此，在半实物仿真方面虽然已经出现了德国dSPACE公司的dSPACE(digital SignalProcessing And Control Engineering)实时仿真系统，加拿大曼尼托巴RTDS公司开发制造的RTDS（Real Time Digital Simulator）实时数字仿真仪等，但这些成果不是针对电力电子控制系统的，不能用于电力电子控制系统的研究。而已有的报道“基于FPGA的电力电子系统半实物仿真平台”，仅是以FPGA作为控制器对电力电子系统进行控制，未能实现对电力电子系统控制器控制方法的设计、控制器参数的修改、控制器参数的在线寻优、以及几种控制策略的比较等功能。且目前的相关半实物仿真装置的发明均以实际被控对象作为仿真部分，控制器作为实物部分，对电力电子系统控制器的研究仍有很大的局限性。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的是提出一种电力电子控制系统实验装置及实验方法，针对现有控制系统半实物仿真平台设计控制器的局限性与实际电力电子系统的复杂性，提供一种以控制器模块作为仿真部分，实际目标系统作为实物部分的实验装置，以达到对控制器算法及控制器模块参数进行在线设计，调整及优化，提高控制准确度、节省时间、提高效率的目的。

一种电力电子控制系统实验装置，该装置包括数据采集卡、PWM波发生电路和数据采集电路，还包括PC机和电力电子电路；其中，所述的PC机内设置有控制器模块、优化算法模块和通信协议；利用PC机内的控制器模块对电力电子电路进行在线调控；

所述的控制器模块用于产生控制电力电子电路的控制信号；所述的优化算法模块用于对控制器模块参数进行寻优；所述的通信协议用于实现控制器模块与数据采集卡的实时通讯；所述的电力电子电路作为电力电子控制系统实验装置的被控对象。

一种电力电子控制系统实验方法，该方法采用电力电子控制系统实验装置，按以下步骤进行：

步骤1、对PC机内控制器模块进行设置；

步骤1-1、选择一种用于调节控制器模块参数的优化算法，并选择一种用于优化算法的适应度函数；

步骤1-2、将控制器模块中待优化的参数设置成变量；

步骤1-3、设置优化算法的最大迭代次数，并将该值作为PC机控制器模块的调控次数；设置适应度函数的期望值，作为被控电力电子电路输出电压是否达到期望值的判断依据；

步骤1-4、利用优化算法随机产生若干组控制器模块的初始参数，并将上述初始参数逐一赋值给控制器模块的参数变量；

步骤2、运行控制器模块，将其输出的控制信号通过数据采集卡实时送至外部硬件电路中，对外部电力电子电路进行控制；

步骤3、对反馈回PC机中的电力电子电路的输出电压信号进行判断，若未达到适应度函数的期望值，且未达到设定的调控次数，则执行步骤4；否则，执行步骤5；

步骤4、根据所采用的优化算法更新PC机内控制器模块的参数，并返回步骤2再次运行；

步骤5、寻优过程结束并得出控制器模块的最优参数，将控制器模块的最优参数赋值给PC机内的控制器模块，PC机通过数据采集卡输出最优控制信号至外部硬件电路，从而实现对实际电力电子电路的最优控制。

本发明优点：本发明是一种电力电子控制系统实验装置及实验方法，采用实际电力电子系统进行实验，可对控制器模块实现在线调试、修改、测评、及优化控制器模块的参数，可以保证控制器模块的实时性与实用性。这种半实物仿真装置，不仅可以用于广大高校学生自主学习，及理论应用于实际的学习，及创新研究试验，而且也可以用于广大理论研究人员和工程技术人员的理论验证研究和实际工程方案的测评，为开发、调试新的或更加复杂的控制算法提供了结合实际应用的深度研究的平台。

附图说明

图1为本发明一种实施例电力电子控制系统实验装置结构示意图；

图2为本发明一种实施例对PID控制器模块参数在线寻优的控制器模块部分仿真框图；

图3为本发明一种实施例计算机接口示意图；

图4为本发明一种实施例PWM波发生电路部分电路图；

图5为本发明一种实施例实际电力电子电路原理图；

图6为本发明一种实施例对实际电力电子电路（太阳能发电系统）进行控制的系统结构图；

图7为本发明一种实施例对控制器模块参数进行在线寻优方法的流程图；

图8为本发明一种实施例对实际电力电子电路（Boost电路）的PID控制器模块参数寻优前的控制电压波形图；

图9为本发明一种实施例对实际电力电子电路（Boost电路）的PID控制器模块参数寻优前的输出电压波形图；

图10为本发明一种实施例对实际电力电子电路（Boost电路）的PID控制器模块参数寻优后的控制电压波形图；

图11为本发明一种实施例对实际电力电子电路（Boost电路）的PID控制器模块参数寻优后的输出电压波形图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明实施例做进一步说明。

如图1所示，一种电力电子控制系统实验装置，本装置由非实物系统部分和实物系统部分组成，实物系统部分包括PC机1、数据采集卡2、PWM波发生电路3、电力电子电路4和数据采集电路5；非实物系统部分，即所述的PC机1内设置有控制器模块、优化算法模块和通信协议；本发明实施例中PC机1中采用MATLAB/Simulink软件仿真环境及其与数据采集卡2的接口程序和通信协议。

所述的PC机1中控制器模块发出控制信号，上述控制信号通过数据采集卡2的D/A转换器将其转换为模拟控制信号，并将上述模拟控制信号发送至PWM波发生电路3的输入端；PWM波发生电路3产生PWM波，所述PWM波驱动控制被控对象电力电子电路4中的开关器件场效应管；电力电子电路4输出电压信号或电流信号至数据采集电路5进行实时采集，数据采集电路5发送的电压信号或电流信号通过数据采集卡2进行A/D转换，得到数字信号反馈给PC机1中的控制器模块，生成下一次的控制信号，形成闭环控制。

在PC机1中，利用MATLAB/Simulink软件仿真环境搭建系统控制器模块的仿真框图，如图2所示，其中AD模块为MATLAB软件与PCI-1711数据采集卡2的接口模块，内含接口程序S函数，负责控制信号与采集信号的传输。用MATLAB语言编写优化算法程序，由控制算法根据给定值和实际系统反馈值计算出相应的控制信号，即构成本平台的仿真部分，也是控制器模块部分。用这种方法搭建出的控制器模块，既可以根据控制结果的好坏随时修改控制器模块参数，又可以根据控制对象选择不同的算法来搭建控制器模块，较传统固化的控制器模块更为灵活、方便，有利于系统的实时调试以及控制算法的开发。

计算机仿真部分与电力电子电路实物部分在数据通信时，需要经过信号采集、数模转换D/A、模数转换A/D和数据存储。本发明实施例采用PCI-1711型数据采集卡2，既可以实现计算机与被控电路间的数据通信工作，又可以通过用MATLAB/C++混合编写的通信协议与MATLAB/Simulink软件实现无缝连接。

本发明实施例中的PCI-1711数据采集卡2设置于计算机机箱内，并通过PCL-10168屏蔽电缆与NMCL-38计算机接口板相连，通过NMCL-38计算机接口板实现与PWM波形发生电路3和数据采集电路5的连接，NMCL-38计算机接口板的接口如图3所示。其中PORT端口三个插针分别接+15V，0，-15V；GAND口接地，A/D1口连接数据采集电路5的电压信号输出端，A/D2口接数据采集电路5的电流信号输出端，本发明实施例的数据采集电路5采用CE-IZ06-33ES3-1.0型号的电流隔离传感器接电力电子电路4中的OUT端，采集实际电力电子电路中的信号，为实现闭环控制提供通路；D/A口连接PWM波发生电路3的输入端a。

本发明实施例的PWM波形发生电路3采用PWM波形发生器KA3525为核心芯片，如图4所示，其中-IN口与COMP口相连，+IN口连接一10kΩ电阻R3作为控制信号输入端，CT、DISCHG、RT口组成振荡电路，如图4所示的参数连接可产生9.183kHz的PWM波，SS口接一1μF软启动电容C1，VREF口接一5.1V校准电压，VC口通过一1kΩ上拉电阻R4作为PWM波输出端。本发明实施例中该电路能够产生幅值为15V的PWM波，无需放大器即可驱动开关器件MOSFET管，控制其导通关断时间，从而控制实际电力电子电路4。但其输出PWM波形与实际反相，本发明实施例在KA3525后接入CD4069反相器芯片对上述信号进行校正使用。PWM波发生电路3的输出端b连接电力电子电路4中的IN端，即MOSFET管的门极。

实际的电力电子电路4是本半实物仿真装置要控制的对象，即实物部分，如图5所示。本发明实施例采用实际太阳能发电系统升压直流斩波电路（Boost）作为被控电路。

对于本半实物仿真装置，首先要实现装置软硬件的性能，及装置的数据传输通道的实时性能，然后要设计控制算法，并调试运行。本发明实施例主要有控制参数的在线调整功能与不同控制算法的调试功能。

控制器模块参数在线寻优方法实施例：

本范例利用MATLAB软件编写了基于粒子群优化算法的控制器模块参数寻优方法，并开发了与Simulink的接口程序及相关变量设置命令，实现了本装置的在线自动寻优功能。

该电路原理图如图6所示，被控对象电力电子电路4采用典型的升压直流斩波电路（Boost）对太阳能电池进行升压控制，其中，太阳能电池的输出电压，即被控电力电子电路4的输入电压U_in=4V，被控电力电子电路4的期望输出电压U_ref=8V，负载R_L=30Ω，开关频率f_s=9.183kHz，电感L=450μH，电容C=517μF，如图5所示。

本实施例采用的时间乘以误差绝对值积分ITAE（Integrated Time and Absolute Error）意义下的最优控制，是使性能指标J_ITAE最小，

$J_{\mathrm{ITAE}}={\∫}_0^{\∞}t\left|e\left(t\right)\right|\mathrm{dt}---\left(1\right)$

其中，|e(t)|为系统误差绝对值；

t为时间；

J_ITAE为ITAE性能指标值。

PID（Proportion Integration Differentiation.比例-积分-微分）控制的基本控制规律可描述为：

$G_c\left(s\right)=K_p+\frac{K_i}{s}+K_{d}s---\left(2\right)$

其中：G_c(s)为控制率，K_p为比例系数，K_i为积分系数，K_d为微分系数。

对于实际电力电子电路（Boost电路），设计一个最优PID控制，也就是寻找合适的K_p、K_i、K_d三个参数，以使闭环系统达到良好的输出效果。

一种电力电子控制系统实验方法，该方法采用电力电子控制系统实验装置，如图7所示，具体包括以下步骤：

步骤1、对PC机内控制器模块进行设置；

步骤1-1、选择一种用于调节控制器模块参数的优化算法，并选择一种用于优化算法的适应度函数；

利用PC机中MATLAB/Simulink软件仿真环境搭建PID控制器模块，采用粒子群优化算法建立优化算法文件和优化算法的适应度函数；搭建Simulink寻优模块的仿真框图，在MATLAB中编写粒子群优化算法程序M文件；将被控电力电子电路输出电压的时间乘以误差绝对值积分ITAE指标作为优化算法的适应度函数；

步骤1-2、将控制器模块中待优化的参数设置成变量；

打开在MATLAB/Simulink软件仿真环境中搭建的PID控制器模块，将控制器模块中需要优化的两个参数改写为K_p、K_i两个未知变量，K_d设为0。

步骤1-3、设置优化算法的最大迭代次数，并将该值作为PC机控制器模块的调控次数；设置适应度函数的期望值，作为被控电力电子电路输出电压是否达到期望值的判断依据；

本实施例中设置寻优算法的终止条件最大迭代次数为100代，设置适应度函数的期望值为负的无穷大。

步骤1-4、利用优化算法随机产生若干组控制器模块的初始参数，并将上述初始参数逐一赋值给控制器模块参数变量；

设置K_p的范围为[0,0.05]，K_i的范围为[0,5]，设置种群规模为20。运行粒子群优化算法程序M文件，优化算法首先初始化粒子群，包括随机产生20组粒子的位置x_t与速度v_t，并确定粒子搜索到的最优位置P_t和整个粒子群搜索到的最优位置G_t；将这20组粒子依次赋值给Simulink中PID控制器模块待优化的参数K_p和K_i。

步骤2、运行控制器模块，将控制信号通过数据采集卡实时送至外部硬件电路中，对外部电力电子电路进行控制；

步骤3、对反馈回PC机中的电力电子电路的输出电压信号进行判断，若未达到适应度函数的期望值，且未达到设定的调控次数，则执行步骤4；否则，执行步骤5；

步骤4、根据所采用的优化算法更新PC机内控制器模块的参数，并返回步骤2再次运行；

根据以下公式（3）与公式（4）更新粒子的速度和位置，从而更新粒子群，并返回步骤2再次运行；

v_t+1=ωv_t+c₁r₁(P_t-x_t)+c₂r₂(G_t-x_t)    （3）

x_t+1=x_t+v_t+1                         （4）

其中，粒子的速度v的最大值为1，最小值为-1；惯性因子ω为0.8；加速常数c₁、c₂均为2；r₁、r₂为[0,1]区间的随机数。

步骤5、寻优过程结束并得出控制器模块的最优参数K_p、K_i和K_d，将最优控制器模块参数K_p、K_i和K_d赋值给PC机内的PID控制器模块，PC机通过数据采集卡输出最优控制信号至外部硬件电路，从而实现对实际电力电子电路的最优控制。

本实施例的最优参数及控制结果由表1所示：

表1对实际电力电子电路（Boost电路）在线寻优前与寻优后PID控制器模块的控制结果比较

寻优前PID控制器模块的参数为K_p=0.02、K_i=2、K_d=0，此时控制器模块输出的控制信号波形和实际电力电子电路的输出电压波形如图8和图9所示。经过在线寻优，得到的控制器模块最优参数为K_p=0.014、K_i=4.67、K_d=0，此时控制器模块输出的控制信号波形和实际电力电子电路的输出电压波形如图10与图11所示。由在线寻优前与寻优后的控制结果可以看出，寻优前的输出电压在0.173s时达到稳态值。经半实物仿真装置在线优化后，动态响应过程较快且平滑无超调，输出电压在0.039s时即达到了稳态值，比寻优前缩短了0.134s，即调节时间缩短了77.5%。

由于基于半实物仿真平台在线寻优的最优参数是基于实际电力电子电路设计的，所以寻到的最优参数具有实际应用价值。

Claims (2)

1.一种电力电子控制系统实验装置，该装置包括数据采集卡(2)、PWM波发生电路(3)和数据采集电路(5)，其特征在于：还包括PC机(1)和电力电子电路(4)；其中，所述的PC机(1)内设置有控制器模块、优化算法模块和通信协议；利用PC机(1)内的控制器模块对电力电子电路(4)进行在线调控；

所述的控制器模块用于产生控制电力电子电路的控制信号；所述的优化算法模块用于对控制器模块参数进行寻优；所述的通信协议用于实现控制器模块与数据采集卡(2)的实时通讯；所述的电力电子电路(4)作为电力电子控制系统实验装置的被控对象；

所述的PC机(1)中控制器模块发出控制信号，上述控制信号通过数据采集卡(2)的D/A转换器将其转换为模拟控制信号，并将上述模拟控制信号发送至PWM波发生电路(3)的输入端；PWM波发生电路(3)产生PWM波，所述PWM波驱动控制被控对象电力电子电路(4)中的开关器件场效应管；电力电子电路(4)输出电压信号或电流信号至数据采集电路(5)进行实时采集，数据采集电路(5)发送的电压信号或电流信号通过数据采集卡(2)进行A/D转换，得到数字信号反馈给PC机(1)中的控制器模块，生成下一次的控制信号，形成闭环控制。

2.一种电力电子控制系统实验方法，其特征在于：采用权利要求1所述的电力电子控制系统实验装置，按以下步骤进行：

步骤1、对PC机内控制器模块进行设置；

步骤1-1、选择一种用于调节控制器模块参数的优化算法，并选择一种用于优化算法的适应度函数；

步骤1-2、将控制器模块中待优化的参数设置成变量；

步骤1-3、设置优化算法的最大迭代次数，并将该最大迭代次数作为PC机控制器模块的调控次数；设置适应度函数的期望值，作为被控电力电子电路输出电压是否达到期望值的判断依据；

步骤1-4、利用优化算法随机产生若干组控制器模块的初始参数，并将上述初始参数逐一赋值给控制器模块的参数变量；

步骤2、运行控制器模块，将其输出的控制信号通过数据采集卡实时送至外部硬件电路中，对外部电力电子电路进行控制；

步骤3、对反馈回PC机中的电力电子电路的输出电压信号进行判断，若未达到适应度函数的期望值，且未达到设定的调控次数，则执行步骤4；否则，执行步骤5；

步骤4、根据所采用的优化算法更新PC机内控制器模块的参数，并返回步骤2再次运行；

步骤5、寻优过程结束并得出控制器模块的最优参数，将控制器模块的最优参数赋值给PC机内的控制器模块，PC机通过数据采集卡输出最优控制信号至外部硬件电路，从而实现对实际电力电子电路的最优控制。