專利名稱：基于解耦技術(shù)和遺傳算法的功率電子電路優(yōu)化方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及人工智能和功率電子技術(shù)兩大領(lǐng)域，主要涉及對(duì)功率電子電路 的優(yōu)化和設(shè)計(jì)。
背景技術(shù)：
在最近三十年里，小信號(hào)模型被廣泛運(yùn)用于功率電子電路的設(shè)計(jì)，其中最 常用的是狀態(tài)空間平均法及其衍化算法。這些方法通過在穩(wěn)定狀態(tài)工作點(diǎn)附近 建立一個(gè)線性時(shí)不變的模型來近似線性時(shí)變的功率電子電路。雖然這種近似方 法在許多運(yùn)用中十分有效，但是它們通常只適用于特殊的電路和控制方法，并 要求對(duì)電路的運(yùn)作有全面的認(rèn)識(shí)。當(dāng)一個(gè)電路被轉(zhuǎn)換為數(shù)學(xué)模型，它的狀態(tài)變 量被平均化，電路設(shè)計(jì)者就不能精確得到有關(guān)響應(yīng)波形的詳細(xì)信息。在這種情 況下，將很難準(zhǔn)確預(yù)測(cè)電路在大信號(hào)擾動(dòng)下的響應(yīng)。隨著功率電子技術(shù)的不斷發(fā)展，對(duì)電路自動(dòng)化生成的需求越來越大，優(yōu)化 電路的元件參數(shù)以達(dá)到指定的規(guī)格。其中涉及一系列的問題如電路復(fù)雜度、靜 態(tài)和動(dòng)態(tài)響應(yīng)、發(fā)熱、電磁兼容性、控制方法和成本等等。大約在二十年前， 模擬電路的自動(dòng)設(shè)計(jì)技術(shù)開始出現(xiàn)。這些方法包括啟發(fā)式算法、知識(shí)庫、模擬 退火和其它優(yōu)化電路的算法。傳統(tǒng)的優(yōu)化方法，如梯度法、爬坡法等也都被運(yùn) 用到電路的設(shè)計(jì)中。但是這些算法容易陷入局部最優(yōu)點(diǎn)，導(dǎo)致次優(yōu)的元件參數(shù)。 于是不適用于優(yōu)化設(shè)計(jì)非線性的功率電子電路。遺傳算法起源于達(dá)爾文的適者生存理論，是一種全局優(yōu)化方法。它通過選 擇、雜交和變異等操作，模擬自然進(jìn)化過程尋找全局最優(yōu)解。遺傳算法的特點(diǎn) 是幾乎不需要所求問題的任何信息而只需要目標(biāo)函數(shù)的信息。它不受搜索空間 限制性假設(shè)的約束，不要求如連續(xù)性、可導(dǎo)性等假設(shè)，能從離散的、多極值的、 含有噪音的高維問題中以很高的概率找到全局最優(yōu)解。因此，以遺傳算法十分 適用于功率電子電路的優(yōu)化。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明將遺傳算法運(yùn)用到功率電子電路的優(yōu)化設(shè)計(jì)中，對(duì)比傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，其優(yōu)點(diǎn)在于l.將人工智能運(yùn)用到功率電子電路的優(yōu)化和設(shè)計(jì)中，計(jì)算機(jī) 自動(dòng)決定電路的參數(shù)取值以達(dá)到要求的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)性能。2.該方法不需要對(duì)整 個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行復(fù)雜的數(shù)學(xué)分析，并且獨(dú)立于電路結(jié)構(gòu)和控制理論。3.遺傳算法有 良好的全局的搜索能力，魯棒性更強(qiáng)，比傳統(tǒng)算法更容易找到全局最優(yōu)的元件參數(shù)。4.運(yùn)用解耦技術(shù)將功率電子電路解耦為功率傳輸和反饋網(wǎng)絡(luò)兩個(gè)部分分別優(yōu)化，降低整體的運(yùn)算量，提高了算法優(yōu)化電路的性能。運(yùn)用遺傳算法優(yōu)化設(shè)計(jì)功率電子電路的具體步驟包括1) 對(duì)功率電子電路進(jìn)行解耦，如圖1所示，將功率電子電路解耦為功率傳 輸和反饋網(wǎng)絡(luò)兩部分。其中功率傳輸部分包含/p個(gè)電阻(R),力個(gè)電感(L) 和i^個(gè)電容(C);反饋網(wǎng)絡(luò)部分包含斗個(gè)電阻，々個(gè)電感和i^個(gè)電容。2) 構(gòu)造染色體C戶和CF分別表示功率傳輸和反饋網(wǎng)絡(luò)中的元件參數(shù)C尸,i 2 I A丄2 ..人I C, C2…、]i 2…i^ I丄，Z2…、I CC2…C^J其中，C戶和CF中的每個(gè)元件的取值都被限制在一個(gè)給定的范圍以內(nèi)。3) 為功率傳輸部分隨機(jī)初始化i^個(gè)染色體，CS， CP2，……，CT^。將每個(gè)染色體代入電路中進(jìn)行仿真，計(jì)算出其輸出的波形，并根據(jù)給定的適應(yīng)值函數(shù)ov計(jì)算每一個(gè)染色體相對(duì)應(yīng)的適應(yīng)值a^(c尸n)。0尸(")=￡ ￡[(^(A，^C尸")+ C^(A,v,"，C尸")其中，v,力和A分別為輸入電壓和負(fù)載值，4,，和4，^為輸入電壓的最大和最小值，A，，和A，min為負(fù)載的最大和最小值，^V,"和^&分別為改變輸入電壓和負(fù)載的步長(zhǎng)。o巧用于評(píng)估輸出電壓的穩(wěn)定狀態(tài)誤差，o巧用于評(píng)估電路工作的—約束條件，O巧用于計(jì)算輸出電壓上的穩(wěn)定狀態(tài)紋波電壓，O巧用于評(píng)估元件的 固有性質(zhì)，如總體價(jià)格，物理大小等。4) 對(duì)染色體執(zhí)行一個(gè)基于賭盤規(guī)則的選擇方法。在每一代的染色體CP"中，計(jì)算每個(gè)染色體的相對(duì)適應(yīng)值a)jc《]和累計(jì)適應(yīng)值o&[a^]，<formula>formula see original document page 6</formula>生成 一 個(gè)隨機(jī)數(shù)pe[o,i〗，并與①"(ao " = i...tvp比較。如果 ①/v(c尸:—,;xp〈o"(c^)， cc就被選為下一代的成員。這個(gè)選擇過程不斷重復(fù)直到為卜一代選擇了 A^個(gè)成員。5) 將新的染色體用交叉和變異算子進(jìn)行復(fù)制。為每一個(gè)染色體產(chǎn)生一個(gè)隨 機(jī)數(shù)字pe[O,l]，當(dāng)p小于指定的交叉概率A時(shí)，染色體會(huì)被選擇參加交叉。交 叉算子如圖2所示，在染色體中隨機(jī)選擇一個(gè)交叉點(diǎn)。在交叉點(diǎn)后的基因會(huì)被 交換從而形成新的兩個(gè)染色體。操作不斷重復(fù)直到種群中所有成員都,皮考慮。 變異算子，如圖3，也是從為每個(gè)染色體產(chǎn)生隨機(jī)數(shù)開始。如果產(chǎn)生的隨機(jī)數(shù)字 pe
是大于設(shè)定的變異概率;^，染色體會(huì)經(jīng)歷變異。在圖中以CS為例，隨 機(jī)選擇其中個(gè)基因，生成一個(gè)在元件上下限之內(nèi)的隨機(jī)數(shù)字以代替被選擇的 基因。操作不斷重復(fù)直到種群中所有成員都被考慮。6) 將新的一代染色體中的每一個(gè)個(gè)體代入電路中進(jìn)行仿真，計(jì)算出其輸出 的波形，并根據(jù)0^計(jì)算每一個(gè)染色體相對(duì)應(yīng)的適應(yīng)值Of(CP")。7) 當(dāng)完成了每個(gè)染色體的復(fù)制和適應(yīng)值的計(jì)算后，確定適應(yīng)值最高的最優(yōu) 染色體C^和適應(yīng)值最低的最差染色體C&。 C/^將會(huì)和上一代的最優(yōu)染色體相 比較。如果CA的適應(yīng)度小于上一代最優(yōu)個(gè)體，則上一代最優(yōu)染色體的內(nèi)容將代 替染色體CT^。8) 如果達(dá)到了終止條件，則保存功率傳輸部分最佳元件參數(shù)取值，否則回 到步驟4)。9) 為反饋網(wǎng)絡(luò)部分隨機(jī)初始化A^個(gè)染色體，C巧，CF2，……，C7;?；?于以上求得的功率傳輸部分元件取值，將每個(gè)反饋網(wǎng)絡(luò)的染色體代入電路中進(jìn) 行仿真，計(jì)算出其輸出的波形，并根據(jù)給定的適應(yīng)值函數(shù)^V計(jì)算每一個(gè)染色體 相對(duì)應(yīng)的適應(yīng)值OVCCF")。其中，o巧用于評(píng)估在輸出電壓的穩(wěn)定狀態(tài)誤差，o巧用于評(píng)估最大的過沖和下 沖，以及在啟動(dòng)期間輸出電壓的建立時(shí)間，o巧用評(píng)估輸出電壓上的穩(wěn)定波紋電壓，OF8用于評(píng)估電路在輸入電壓和輸出電阻擾動(dòng)時(shí)的動(dòng)態(tài)性能。10) 與功率傳輸部分類似，同樣對(duì)反饋網(wǎng)絡(luò)中的染色體進(jìn)行選擇、交叉和 變異，根據(jù)OV計(jì)算每個(gè)染色體的適應(yīng)值并保留最優(yōu)的染色體，從而產(chǎn)生新的一 代染色體。11) 如果達(dá)到Z終止條件，則輸出整個(gè)功率電子電路的最佳元件參數(shù)取 值，否則回到步驟IO)。該方法的流程圖如圖4所示。


圖1功率電子電路的解耦原理2交叉操作示意3變異操作示意4方法流程5典型的vj向應(yīng)圖
具體實(shí)施例方式
具體實(shí)施方式
一功率傳輸部分的適應(yīng)值函數(shù)巾p中，OF" OF2， OF3， OF4，分別如下設(shè)計(jì)。 1. Oi^:定義一個(gè)方差累積方程￡2 ，用以評(píng)估v。與IV在況個(gè)仿真點(diǎn)的接近程度<formula>formula see original document page 7</formula>附=1如果A的取值較小，則穩(wěn)定狀態(tài)誤差小，c"會(huì)較大。公式o巧的定義如下其中，^是o巧能達(dá)到的最大值，尺2用以調(diào)整0巧對(duì)￡2的敏感度。在穩(wěn)定狀態(tài)條件下， 一些波形會(huì)受到約束條件的控制。假設(shè)&，是量&在 第附個(gè)約束條件下的極限，則0尸2定義為輸出內(nèi)容與N乂寸應(yīng)的專用翁:l居庫腳本 處理又可以包括下列步驟1 、提取使用標(biāo)記語言編寫的數(shù)據(jù)庫腳本文本內(nèi)容到內(nèi)存緩沖區(qū)。2、 按照語法標(biāo)記^是取所有語法標(biāo)記以及標(biāo)記屬性值，并將其 映射成對(duì)應(yīng)的語法標(biāo)記結(jié)構(gòu)鏈表。3、 處理標(biāo)記結(jié)構(gòu)鏈表，對(duì)語法標(biāo)記進(jìn)行解析翻譯。對(duì)不同數(shù) 據(jù)庫系統(tǒng)要編寫不同的專用的語法標(biāo)記解析方法。在標(biāo)記解析方法 中結(jié)合標(biāo)記屬性值采用替換、4并4妄等方法完成專用數(shù)據(jù)庫腳本的生 成。為了更好理解本發(fā)明方法核心思路，下面結(jié)合圖3對(duì)數(shù)據(jù)庫存 儲(chǔ)過程中"取數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)當(dāng)前時(shí)間"語法進(jìn)行標(biāo)記設(shè)計(jì)以下語句是Oracle、 Sqlserver、 Mysql三種數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)對(duì)于獲 取數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)當(dāng)前時(shí)間的不同處理。Selectsysdate into Operate—Time fi:om dual: SelectSOpeirate—Titne getdate () set(^Operate Tiitie now (),'對(duì)以上語句進(jìn)^亍分析后，^由耳又出一個(gè)語法屬性"VarName":時(shí) 間值變量名。以下語句為i殳計(jì)完成的語法標(biāo)記。<<SYSTIME VarName- />:■-OF5 =(97^ 二《e-W 在啟動(dòng)或外部擾動(dòng)期間，將會(huì)出現(xiàn)一個(gè)瞬時(shí)響應(yīng)^，其中一個(gè)典型的^響應(yīng)如圖5所示。0尸6和(9巧用以評(píng)估^，包括l)最大過沖，2) 最大下沖，3)在啟動(dòng)或擾動(dòng)期間，響應(yīng)的建立時(shí)間。(9《和C巧的基本形式可 以表示如下<formula>formula see original document page 9</formula>其中a^是在性能測(cè)試中輸入和負(fù)載擾動(dòng)的次數(shù)。在以上的公式中，OK， f/K和Sr是最小化最大過沖，最大下沖和v^建立時(shí) 間的目標(biāo)函數(shù)。它們?nèi)缦露x(<formula>formula see original document page 9</formula>
其中^。是這個(gè)目標(biāo)函數(shù)可以達(dá)到的最大值，Mp。是最大過沖，Mp是實(shí)際的過 沖，《,是通帶常數(shù)。<formula>formula see original document page 9</formula>其中^2是這個(gè)目標(biāo)函數(shù)可以達(dá)到的最大值，My。是最大下沖，My是實(shí)際的下沖，《3是通帶常數(shù)。<formula>formula see original document page 9</formula>其中《14是這個(gè)目標(biāo)函數(shù)可以達(dá)到的最大值，7;。是一個(gè)常數(shù)，7;是實(shí)際的建立時(shí) 間，《15用于調(diào)整敏感度。7;定義為iv落入"士or。通帶中的建立時(shí)間。也就是，OF7與功率傳輸部分中的設(shè)計(jì)方法相同，計(jì)算V。超出\exp ± △、的仿真點(diǎn)個(gè)數(shù)。OF,定義如下<formula>formula see original document page 10</formula>
權(quán)利要求
1. 一種基于解耦技術(shù)和遺傳算法的功率電子電路優(yōu)化方法，其特征在于，該方法包括以下步驟1)對(duì)功率電子電路進(jìn)行解耦，將功率電子電路解耦為功率傳輸和反饋網(wǎng)絡(luò)兩部分。2)為功率傳輸部分隨機(jī)初始化染色體群體。將每個(gè)染色體代入電路中進(jìn)行仿真，得到其輸出的波形，并計(jì)算其適應(yīng)值。3)對(duì)染色體執(zhí)行選擇、交叉和變異產(chǎn)生下一代染色體。4)將新的一代染色體群體中的每一個(gè)個(gè)體代入電路中進(jìn)行仿真，計(jì)算出其適應(yīng)值。5)對(duì)每一代最優(yōu)的染色體進(jìn)行保留。6)如果達(dá)到了終止條件，則保存功率傳輸部分最佳元件參數(shù)取值，否則回到步驟3)。7)為反饋網(wǎng)絡(luò)部分隨機(jī)初始化染色體群體?；谝陨锨蟮玫墓β蕚鬏敳糠衷≈担瑢⒚總€(gè)反饋網(wǎng)絡(luò)的染色體代入電路中進(jìn)行仿真，計(jì)算出其輸出的波形，并根據(jù)適應(yīng)值函數(shù)計(jì)算每一個(gè)染色體的適應(yīng)值。8)對(duì)反饋網(wǎng)絡(luò)中的染色體進(jìn)行選擇、交叉和變異，從而產(chǎn)生新的一代染色體。9)計(jì)算每個(gè)染色體的適應(yīng)值，并保留最優(yōu)染色體。10)如果達(dá)到了終止條件，則輸出整個(gè)功率電子電路的最佳元件參數(shù)取值，否則回到步驟8)。
2、 基于權(quán)利要求1所述的一種基于解耦技術(shù)和遺傳算法的功率電子電路優(yōu) 化方法，其特征在于，運(yùn)用解耦技術(shù)將功率電子電路解耦為功率傳輸和反饋網(wǎng) 絡(luò)兩部分，分別進(jìn)行優(yōu)化。功率傳輸部分的元件參數(shù)以滿足功率電子電路的靜 態(tài)特性要求進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。反饋網(wǎng)絡(luò)的元件參數(shù)根據(jù)整個(gè)功率電子電路要求的 靜態(tài)和動(dòng)態(tài)性能進(jìn)行優(yōu)化。
3、 基于權(quán)利要求1所述的一種基于解耦技術(shù)和遺傳算法的功率電子電路優(yōu) 化技術(shù)，其特征在于，功率傳輸部分的適應(yīng)值函數(shù)O)p如下設(shè)計(jì)+<9F3, v, ， C尸")+ 6>F4, v, , C尸")]其中，C《為功率傳輸部分的染色體，、和^分別為輸入電壓和負(fù)載值，Kwmax和^一為輸入電壓的最大和最小值，^,m^和^，，為負(fù)載的最大和最小值， 和^^分別為改變輸入電壓和負(fù)載的步長(zhǎng)。O巧用于評(píng)估輸出電壓的穩(wěn)定狀態(tài)誤差，o巧用于評(píng)估電路工作的約束條件，c巧用于計(jì)算輸出電壓上的穩(wěn)定狀態(tài)紋 波電壓，o巧用于評(píng)估元件的固有性質(zhì)，如總體價(jià)格，物理大小等。
4、基于權(quán)利要求1所述的一種基于解耦技術(shù)和遺傳算法的萄率電子電路優(yōu)化技術(shù)，其特征在于，反饋網(wǎng)絡(luò)部分的適應(yīng)值函數(shù)ov如下設(shè)計(jì)。 2 ￡ [C^，Vw，CF )+C^，V, ,CF )min風(fēng) " 《，A +(9，^, 巧+ (9諷," 巧]其中，CF"為反饋網(wǎng)絡(luò)部分的染色體。O巧用于評(píng)估輸出電壓的穩(wěn)定狀態(tài)誤差， 0尸6用于評(píng)估最大的過沖和下沖，以及在啟動(dòng)期間輸出電壓的建立時(shí)間，O巧用 于評(píng)估輸出電壓上的穩(wěn)定狀態(tài)波紋電壓，<9巧用于評(píng)估電路在輸入電壓和輸出電 阻擾動(dòng)時(shí)的動(dòng)態(tài)性能。
全文摘要
本發(fā)明公開了一個(gè)基于解耦技術(shù)和遺傳算法優(yōu)化設(shè)計(jì)功率電子電路的方法。運(yùn)用遺傳算法對(duì)功率電子電路的元件參數(shù)進(jìn)行選擇以滿足動(dòng)態(tài)和靜態(tài)的性能要求。該方法不需要對(duì)電路系統(tǒng)進(jìn)行復(fù)雜的數(shù)學(xué)分析，并且獨(dú)立于電路結(jié)構(gòu)和控制理論。它不同于傳統(tǒng)方法那樣執(zhí)行整個(gè)電路的優(yōu)化，而是將一個(gè)功率電子電路解耦成為功率傳輸和反饋網(wǎng)絡(luò)兩部分分別優(yōu)化。功率傳輸部分的元件參數(shù)以滿足功率電子電路的靜態(tài)特性要求進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。反饋網(wǎng)絡(luò)的元件參數(shù)根據(jù)整個(gè)功率電子電路要求的靜態(tài)性能和在輸入輸出擾動(dòng)時(shí)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)進(jìn)行優(yōu)化。從而降低了整體的運(yùn)算量，提高了算法優(yōu)化電路的性能。
文檔編號(hào)G06F17/50GK101221586SQ20071003233
公開日2008年7月16日 申請(qǐng)日期2007年12月11日 優(yōu)先權(quán)日2007年12月11日
發(fā)明者軍 張, 鐘樹鴻, 韜 黃 申請(qǐng)人:中山大學(xué)