一种基于多模态控制的压电变压器输出脉冲电压控制方法技术

本发明专利技术公开了一种基于多模态控制的压电变压器输出脉冲电压控制方法，包括：根据不同频率电压分量能经等效电路的多个支路传递并升压的特性，通过控制输入到压电变压器的波形调控输入电压的频谱，实现改变压电变压器的输出频谱；其中，多模态控制步骤包括：S1、使用粒子群算法和多起点优化算法生成神经网络的训练集，并基于遗传算法训练神经网络，使神经网络拟合开关角近似解；S2、基于傅里叶变换和等效向量运算方法构建相位变换与等效向量运算数值迭代算法，利用所述相位变换与等效向量运算数值迭代算法，由开关角近似解迭代计算出开关角精确解。关角精确解。关角精确解。

【技术实现步骤摘要】
一种基于多模态控制的压电变压器输出脉冲电压控制方法


[0001]本专利技术涉及电力电子
，尤其涉及一种基于多模态控制的压电变压器输出脉冲电压控制方法。

技术介绍

[0002]脉冲放电等离子体射流具有活性高、处理效果好等优点，是目前的研究热点。但基于脉冲变压器的脉冲电源存在体积大、便携性差、电磁干扰强等缺点，限制了其应用场景。压电变压器具有功率密度高、升压比高、电磁干扰小等优势，常用于产生交流、直流高压，但用于产生脉冲高压的研究较少。
[0003]除工作频率外，压电变压器的输入电压频谱成分也是影响其性能的重要因素。在目前的技术中，最直接而可行的控制输入电压频谱成分的方法就是脉冲宽度调制(PWM)技术。在电力电子领域，通过改变PWM波的开关角从而消除或控制各次谐波的方法被称为SHEPWM(Selective Harmonic Elimination PWM，特定谐波消除脉宽调制)技术或者SHCPWM(Selective Harmonic Control PWM，特定谐波控制脉宽调制)技术，两者的原理都是通过傅里叶变换来计算波形的谐波成分。
[0004]为了更好地进行压电变压器输出脉冲电压的控制，除了要控制基波与谐波的幅值，还需要控制谐波与基波之间的相对相位。这种需要将幅值与相位控制完全解耦的控制方法，本专利技术中将其称为FD
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SHCPWM(Fully Decoupled SHCPWM，全解耦特定谐波控制脉宽调制)。对于FD
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SHCPWM的研究，目前仍然是空白。
[0005]解决SHEPWM问题的方法，其中一种是使用各类优化算法，比如遗传算法、粒子群算法等方法求解SHEPWM方程。这些方法的优点是对初值的选取要求比较低，并且这些优化算法的适用性比较广泛，可以应用于目前广泛使用的多电平变换器；但是缺点是其计算速度很慢且不稳定，不能够实现在单片机中的实时计算。
[0006]代数方法也是解决SHEPWM问题的一种方法，它的优点是不需要进行开关角初始值的选择，并且可以求出所有的解。但是由于FD
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SHCPWM方案引入了相对相位这一新的概念，而传统的代数方法都不能够对相位关系进行表征，这也就决定了目前的代数方法无法解决FD
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SHCPWM方案。
[0007]对于代数方法来说，目前主要的代数方法大都是由梯度下降法和牛顿
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拉夫逊法推导得出，求解过程需要计算正弦和余弦函数的均方根、正弦和余弦商的逆和余弦函数。可见，偏导数的计算极其复杂。目前的数值迭代法的基本原理决定了其在FD
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SHCPWM方案上计算效率较低，计算过程复杂，迭代速度较慢。可见，当前情况下，代数方法解决FD
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SHCPWM方案难度较大。
[0008]可见，以目前的技术，FD
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SHCPWM方案计算难度大、过程复杂并且目前的各种计算方法还都难以较好地解决FD
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SHCPWM方案。为了能够实现对压电变压器的多模态控制，必须提出新的方法和思路来解决FD
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SHCPWM方案，以实现对信号频谱的幅值与相位的全面控制。

技术实现思路

[0009]本专利技术的主要目的在于针对FD
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SHCPWM方案计算难度大、过程复杂并且目前的各种计算方法还都难以较好地解决FD
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SHCPWM方案的问题，提出一种基于多模态控制的压电变压器输出脉冲电压控制方法，以解决FD
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SHCPWM问题，实现对信号频谱的幅值与相位的全面控制。
[0010]为达上述目的，本专利技术提出以下技术方案：
[0011]一种基于多模态控制的压电变压器输出脉冲电压控制方法，包括：根据不同频率电压分量能经等效电路的多个支路传递并升压的特性，通过控制输入到压电变压器的波形调控输入电压的频谱，实现改变压电变压器的输出频谱；其中，所述多模态控制包括如下步骤：S1、使用粒子群算法和多起点优化算法生成神经网络的训练集，并基于遗传算法训练神经网络，使神经网络拟合开关角近似解；S2、基于傅里叶变换和等效向量运算方法构建相位变换与等效向量运算数值迭代算法，利用所述相位变换与等效向量运算数值迭代算法，由开关角近似解迭代计算出开关角精确解。
[0012]本专利技术另还提出一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时能实现前述的压电变压器输出脉冲电压控制方法的步骤。
[0013]本专利技术的有益效果在于：本专利技术提出的基于多模态控制的压电变压器输出脉冲电压控制方法，通过对输入压电变压器的基波与谐波电压幅值和相位进行解耦控制，实现输出准脉冲高电压；本专利技术的多模态控制，通过基于傅里叶变换和等效向量运算方法构建的相位变换与等效向量运算数值迭代算法，计算开关角的精确解，不仅仅可以定量控制基波与谐波幅值的大小，而且可以定量控制各谐波与基波之间的相对相位，相比与现有的数值方法，计算速度加快了几十倍，并且可以在单片机实现毫秒级运算，有利于实现脉冲电源的小型化和便携化。
附图说明
[0014]图1是本专利技术实施例多模态控制的流程图。
[0015]图2是本专利技术实施例基于粒子群算法和多起点优化算法生成神经网络训练集的流程图。
[0016]图3是本专利技术实施例神经网络训练结果图。
[0017]图4是本专利技术实施例相位变换与等效向量运算数值迭代算法的向量等效图。
具体实施方式
[0018]下面结合附图和具体的实施方式对本专利技术作进一步说明。
[0019]本专利技术的具体实施方式提供一种基于多模态控制的压电变压器输出脉冲电压控制方法，根据不同频率电压分量可经等效电路的多个支路传递并升压的特性，通过控制输入到压电变压器的波形调控输入电压的频谱，实现改变压电变压器的输出频谱。其中，主要分两步实现多模态控制方法：第一步是使用粒子群算法和多起点优化算法生成神经网络的训练集，并基于遗传算法训练神经网络，使神经网络拟合开关角近似解；第二步是基于傅里叶变换和等效向量运算方法，构建了相位变换与等效向量运算数值迭代算法，并利用该算法，由开关角近似解迭代计算出开关角精确解。这种算法与其他现有的数值方法相比，计算
速度加快了几十倍，并且可以在单片机实现毫秒级运算。
[0020]FD
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SHCPWM方法可以通过改变开关角度的大小来调整输入电压分量的幅值和相位。FD
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SHCPWM技术的整体架构：FD
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SHCPWM通过控制PWM波的开关角大小来控制PWM信号的基波和谐波分量，在本专利技术的
技术介绍
中已经详细阐述了其基本原理和目前存在的问题，本专利技术实施例的主要目的是阐述一种新的能够进行单片机实时运算的FD
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SHCPWM算法，其特点是不仅仅可以定量控制基波与谐波幅值的大小，而且可以定量控制各谐波与基波之间的相对相位。
[0021]本专利技术实施例提出的多模态本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于多模态控制的压电变压器输出脉冲电压控制方法，其特征在于，包括：根据不同频率电压分量能经等效电路的多个支路传递并升压的特性，通过控制输入到压电变压器的波形调控输入电压的频谱，实现改变压电变压器的输出频谱；其中，所述多模态控制包括如下步骤：S1、使用粒子群算法和多起点优化算法生成神经网络的训练集，并基于遗传算法训练神经网络，使神经网络拟合开关角近似解；S2、基于傅里叶变换和等效向量运算方法构建相位变换与等效向量运算数值迭代算法，利用所述相位变换与等效向量运算数值迭代算法，由开关角近似解迭代计算出开关角精确解。2.如权利要求1所述的压电变压器输出脉冲电压控制方法，其特征在于，步骤S1中，所述训练集包括：2n
‑
1个自变量和2n
‑
1个因变量，n为谐波次数；所述2n
‑
1个自变量包括：基波幅值M1、二次谐波幅值M2、三次谐波幅值M3、
……
、n次谐波幅值M
n
，以及，二次谐波与基波的相对相位三次谐波与基波的相对相位三次谐波与基波的相对相位次谐波与基波的相对相位所述2n
‑
1个因变量为2n
‑
1个开关角。3.如权利要求2所述的压电变压器输出脉冲电压控制方法，其特征在于，步骤S1中，使用粒子群算法和多起点优化算法生成神经网络的训练集的步骤包括：S11、输入所述2n
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1个自变量；S12、利用所述2n
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1个自变量和所述2n
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1个因变量构建非线性高次超越方程组，并使用粒子群算法寻找所述方程组的近似解；S13、使用多起点优化算法从所述近似解中进一步寻找所述方程组的精确解；S14、排除所述精确解中的不合理选项；S15、输出训练集。4.如权利要求3所述的压电变压器输出脉冲电压控制方法，其特征在于，步骤S12使用粒子群算法寻找所述方程组的近似解，包括：首先，给空间中的所有粒子分配初始随机位置和初始随机速度；然后，根据每个粒子的速度、问题空间中已知的最优全局位置和粒子已知的最优位置依次推进每个粒子的位置；随着计算的推移，通过探索和利用搜索...

【专利技术属性】
技术研发人员：张若兵，庄力，赵子新，王竞泽，
申请(专利权)人：清华大学深圳国际研究生院，
类型：发明
国别省市：