1、毕业设计开题报告电气工程与自动化用粒子群优化SPWM波及其谐波分析一、选题的背景与意义现代工业控制领域的控制理论发展迅猛，脉冲宽度调制技术通常被称为PWM控制技术，是通过一系列脉冲的宽度进行调制，来等效地获得所需要波形（包括幅值和相位）的技术。在微处理器被应用于PWM技术并数字化后，各种控制方案不断涌现，从最初追求电压波形的正弦，到电流波形的正弦，再到磁通的正弦，PWM控制技术的发展经历了一个不断创新和不断完善的过程。PWM控制是现代通用变频器的控制核心技术。任何控制算法的最终实现几乎都是以各种PWM控制方式完成的。目前在通用变频器中多采用SPWM正弦波的脉冲宽度调制控制方式。所谓SPWM控制
2、方式就是通过改变PWM输出的脉冲宽度使输出电压的平均值接近于正弦波的控制方式1。SPWM在交流传动乃至其它能量变换系统中得到非常广泛的应用，成为电气控制领域研究的热点课题。目前经常采用的数学模型有很多种，例如等效面积法，自然采样法和规则采样法，而规则采样法中又可分成对称规则采样法与不对称规则采样法。优化技术是以数学为基础，可应用到工程问题中。粒子群优化算法（PSO）源于对鸟类捕食系统的模拟，是近年来被广为关注和研究的一种智能优化算法。该算法以其实现容易、精度高、收敛快等优点引起了学术界的重视。并且在解决实际问题中展示了其优越性。基于PSO优化估计各次谐波的幅值于相位，力图得到谐波小的SPWM波
3、形生成的最佳调制比、占空比的实用方法。并于传统方法进行对比，得到此方法的有效性。二、研究的基本内容与拟解决的主要问题1、基本内容正弦脉宽调制SPWM技术,就是产生与正弦波等效的一系列等幅但不等宽矩形脉冲波形。等效原理是,每个矩形脉冲面积与对应位置正弦波面积相等如图L，设矩形脉冲高度设为US/2，宽度设为I，中点角度为I，UM为调制正弦波的振幅，N以为载波比，那么等效面积原理可以表示为22SIUSIN2SINSIN22ININMMIUTDTUN当N较大时，SIN22NN，并设2UM/USM,则可得到SINIIMN图1等效回路算法的原理图有上式可以看出，在输出角频率T（N常量）情况下，等效脉冲宽度
4、和调制度M成正比，也和脉冲所在位置的正弦值SINI成正比。只要I按正弦规律变化，SPWM就可以输出正弦电压；I变的越宽，输出的电压值越高2。1995年，KENNEDY和EBERHART首先介绍了粒子群方法。该算法是一种随机优化技术可以比喻为一个鸟群行为，源自社会心理理论。该方法通过适应，一直被认为具有强大的解决非线性和无微性，多重优化，高维数问题的能力。在PSO的每个粒子具有以下属性，被当作是D维搜索空间的一个体积很小的一个点。第I个粒子可以被描述为12,IIIIDTXXTXTXT，第I个粒子在搜索空间的最佳位置被记录并且被代替为12,IIIIDTPPTPTPT。通过粒子在先前的每一步全局最佳
5、位置被找到，用PG这个符号来表示，即12,NNNNGGGGDTPPPP。第I颗粒子的飞行速度表示为123,NNNNIIIVIVVV。粒子的最大速度是MAXMAX1MAX2MAX,DTVVVV。粒子的范围是MAXMAX1MAX2MAX,DTXXXX。速度和位置每个粒子可以分别被由以下方程修改11122NNNNNNIJGJIJIJIJIJCRANDCRANDPPVWVXX（1）11NNNIJIJIJXXV（2）其中，I1,2N，J1,2D，N是粒子的编号。C1和C2是加速度系数是一个正的常数。加速系数控制在一个单一的迭代一颗粒子将移动多远。通常，这些都设置为20。RAND1U（0,1）和RAND2
6、U（0,1）是范围在（0,1）的均匀随机序列。NIJX表示的是第I颗粒子在第J维的第N次迭代的位置。NIJP代表第I颗粒子在第J维的第N次迭代的个体最佳位置。NGJP代表第I颗粒子在第J维的第N次迭代的全局最佳位置。NIJV代表第I颗粒子在第J维的第N次迭代的速度。每一个NIJV都在MAXMAX,DDVV的范围里以降低粒子离开搜索空间的可能性。速度钳制的公式可以表示为MAXMAXMAXMAXMAXMAXNDDIJNNNDDIJIJIJNIJVVVVVVVVV（3）一颗粒子的新位子可以用公式（2）来计算。每一颗粒子的个体最佳位置被更新，用公式1NNNIJIJIJNIJNNNIJIJIJJJPXP
7、PXPX（4）全局的最佳位置通过粒子先前的每一步被找到，并且被定义为1ARGMIN1,2NNGJIJJINPP（5）在方程中变量W被称为惯性权重。惯性权重W是用来控制以前的速度流速的影响，以影响“飞点”在的全局和局部的探索能力。大的惯性重量有利于全局探索，但是小的惯性变量方便局部探索当前的搜索范围。选择合适的惯性重量可提供全局和局部之间的平衡探索能力和要求较少的平均迭代找到最佳的位置。有一种简单的方法，W值是随着迭代线性的减少，通过数学方法，描述为MAXMINMAXMAXWWWWITERITER（6）其中MAXW是起始的权重，MINW是最终的权重，MAXITER是最大的迭代次数，ITER是当前
8、的迭代次数。通常，我们定义的惯性权重W在迭代期间线性从09下降到043。2、拟解决问题1结合PSO算法，综述典型方案的优缺点。2应用各种算法和方法，估计各次谐波的幅值与相位，力图得到谐波小的SPWM波形生成的最佳调制比、占空比的实用方法。从而提出一种实用的谐波幅值与相位的估计与分析方法，给出算法的具体步骤。3对结果进行分析，并在不同信噪比下比较辨识的结果，如辨识精度，收敛时间，鲁棒性等。4讨论主要参数的选择及其对辨识结果的影响，分析所提方法的优缺点。5写出毕业设计论文，提供MATLAB或SIMULINK源程序及说明。三、研究的方法与技术路线PWM是DA转换的一种方法，当PWM中的调制信号为正弦
9、波时，得到的就是SPWM波形。采样控制理论中有一个重要结论冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同。SPWM法就是以该结论为理论基础。通过面积等效法确定SPWM的脉冲宽度，把握好开关时间，按照严格的时序控制输出波形。SPWM是一组等幅、但不等宽的脉冲序列。采用等效面积法生成的SPWM波精度高更接近正弦波，且谐波分量小，同时也对CPU的运算速度提出更高的要求。正弦波实现的构造图SPWM产生器引脚输出的信号，经过滤波后可以变成模拟信号，但为了得到高精度的输出，在滤波前应先通过缓冲器，使SPWM信号的振幅变化在要求的范围内。图2正弦波实现的构造图基于等面积原理，自关断功率开关
10、构成的SPWM变频器因为控制方法简单、可开环运行及谐波小等优点得到广泛应用。早期主要是使用硬件生成SPWM波形。80年代以来研究重点转移到以计算机软件为基础的数字方案。随着电力电子技术的发展，提出了许多控制方法，无论何种控制方法最终驱动电机的电压仍为SPWM波形电压。单极性等面积算法如图3所示，正弦半波被分为N等份，然后每一等份的正弦曲线与横轴所包围的面积都用一个与此面积相等的等高矩形脉冲来代替。矩形脉冲的中点与正弦波每一等份的中点重合，那么，由N个等幅不等宽的矩形脉冲所构成的波形就与正弦半波等效，正弦波的负半周也可以用同样方法来等效。显然这一系列脉冲波形的宽度可以严格地用数学方法计算得到。S
11、PWM发生器缓冲器滤波电路功率放大电路模拟输出图3单极性的等面积算法在单极性调制中，SPWM信号的高低电平对应于逆变器三相桥式主电路中某桥臂上管的通断两种状态，该管在正弦波正半周内反复通断，同时，必然有另外两个桥臂的下管对应的通断。将正弦信号的正半周分为N等份N为3的倍数，则每份的弧度为/N，脉冲高度为US2，US为直流电压，设第K个脉冲宽度为K，则第K份正弦波面积与对应的第K个SPWM脉冲面积相等，可以得到M2COSCOSKSUUK1K（）（）NN（7）UM为正弦调制波幅值。ONKN1（2K1）（K）（）2（8）OFFKN1（2K1）（K）（）2（9）ON（K为第K个脉冲开通角，OFF（K为
12、第K个脉冲关断角。双极式等面积算法在双极式等面积算法中，逆变器主电路中每个桥臂的两个开关器件交替通断，处于互补工作方式，如图4所示。与单极性等面积算法一样，将正弦信号半周期分为N个等份，其第K等份面积与所对应的SPWM脉冲面积相等，可以得到MS2UK1K（K）2（K）（COSCOS）UNN10又因为2KKN解两个方程得到1COSCOS2MSUKKKNUNN111COSCOS42MSUKKKNUNN12第K个脉冲开关角为1ONKKKN13OFFKKKN14ONK为第K个SPWM脉冲上管开通角，OFFK为第K个SPWM脉冲上管关断角，1KK为第K1个SPWM脉冲下管开通脉宽。图4双极性SPWM等面
13、积算法由（13），（14）式即可算出第K个脉冲的开关角，开关角除以角速度R即得开关时刻。利用PSO算法寻找最优开关时刻步骤如下1、根据具体问题，设置有关参数，如种群规模M，循环代数G，惯性权重W，加速度常数1C，2C以及粒子飞行速度的上界和下界，初始化群体中的粒子的位置，包括初始位置和初始速度V；2、根据目标函数评价各粒子的适应度函数IJ；3、对每个粒子将其适应值与历史最好的IBESTJ相比较，如果当前适应度值更优，则用当前的值更新IBESTJ；4、将每个粒子的适应值与群体经历的历史最好值进行比较，如果当前适应度值更优，则当前的值更新IBESTJ；5、根据式（1）、（2）更新各粒子的位置和速度
14、；6、判断粒子飞行的速度是否超过最大速度限制，若超过，则限制速度在制定范围内；7、计算优化性能指标，如果达到结束条件（本文结束条件为达到最大循环代数），则返回当前最佳粒子结果；否则返回第2步，继续下一循环3。8、在MATLAB中建立PSO优化的系统模型，然后进行系统性能分析，记录数据，然后对PSO优化后的系统和传统工程设计得到的性能进行对比。四、研究的总体安排与进度第13周（2010112720101219）在广泛查阅中外文献与资料的基础上，完善课题研究方案，完成文献综述2000字以上和翻译外文文献2篇以上，（每篇外文文献翻译的中文字数一般要求2000字以上）。第4周（201012202010
15、1226）在文献查阅的基础上，完成课题综述，完成开题报告，完成开题报告答辩。第58周（201012272011116）毕业设计（论文）的设计主要实施阶段，按本课题的技术路线与总体方案具体实施。第912周（2011021720110313）2010学年上学期第14周毕业实习。第1318周（2011031420110424）继续设计阶段、实验、设计、编程、调试、结果分析、撰写论文。期间还将组织毕业设计的中期检查，执行“毕业设计（论文）中期黄牌警告制度”。第1921周（2011042520110515）毕业设计资料整理，提交完整的毕业设计（论文）资料。第2223周（2011051620110527）
16、毕业设计（论文）答辩准备、答辩、毕业设计成绩评定。五、主要参考文献1孟庆波，曲素荣,SPWM控制方法浅析，郑州铁路职业技术学院学报第19卷第4期2007,（12）142张芳，正弦脉宽调制SPWM算法技术的研究，火控雷达技术第37卷第4期2008,12233YENANYIN，WEIXINGLIN，WENLEILI，ESTIMATIONAMPLITUDEANDPHASEOFHARMONICBASEDONIMPROVEDPSO，20108THIEEEINTERNATIONALCONFERENCEONCONTROLANDAUTOMATIONXIAMEN,CHINA,JUNE911,20104WANMI
17、NFEI,YANLIZHANG,BINWU，ANOVELDIRECTDIGITALSPWMMETHODFORMULTILEVELVOLTAGESOURCEINVERTERS5RUPNARAYANRAY,DEBASHISCHATTERJEE,SWAPANKUMARGOSWAMI，ANAPPLICATIONOFPSOTECHNIQUEFORHARMONICELIMINATIONINAPWMINVERTER,APPLIEDSOFTCOMPUTING9200913151320,20096MAAMARBETTAYEBANDUVAISQIDWAI,AHYBRIDLEASTSQUARESGABASEDALG
18、ORITHMFORHARMONICESTIMATIONIEEETRANSACTIONSONPOWERDELIVERY,VOL18,NO2,APRIL20037李宏，焦振宏，周继华，李治典，SPWM波形等面积动态递推算法，西北工业大学学报第L8卷第2期2000，（5）128陈伯时，电力拖动自动控制系统第3版，机械工业出版社，2004,1691849刘敏，王克英，基于快速傅里叶变换与误差最小原理的谐波分析方法，电网技术第30卷第19期2006，（10）2310伏祥运，基于改进。PSO算法的优化特定消谐PWM技术，东北电力技术2009年第2期11娄慧波，毛承雄，陆继明，崔艳艳，基于微粒群算法的三电平正弦脉冲宽度调制开关时刻优化，第27卷第33期2007，（11）2312梁巍,马可，基于MATLAB的SPWM控制系统仿真，华北科技学院学报，第1卷第2期13曹玉胜，马用宽，用MATLAB仿真SPWM波的设计与实现，技术交流，200014
