留言板

尊敬的读者、作者、审稿人, 关于本刊的投稿、审稿、编辑和出版的任何问题, 您可以本页添加留言。我们将尽快给您答复。谢谢您的支持!

姓名
邮箱
手机号码
标题
留言内容
验证码

基于ResNet-LSTM的开关电源状态识别方法

贺文博 蔡宜伦 张润芝 徐嘉 王兴坚

贺文博,蔡宜伦,张润芝,等. 基于ResNet-LSTM的开关电源状态识别方法[J]. 北京航空航天大学学报,2026,52(8):2953-2962
引用本文: 贺文博,蔡宜伦,张润芝,等. 基于ResNet-LSTM的开关电源状态识别方法[J]. 北京航空航天大学学报,2026,52(8):2953-2962
He W B,Cai Y L,Zhang R Z,et al. State recognition method for switching power supplies based on ResNet-LSTM[J]. Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics,2026,52(8):2953-2962 (in Chinese)
Citation: He W B,Cai Y L,Zhang R Z,et al. State recognition method for switching power supplies based on ResNet-LSTM[J]. Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics,2026,52(8):2953-2962 (in Chinese)

基于ResNet-LSTM的开关电源状态识别方法

doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2025.0698
详细信息
    通讯作者:

    E-mail:wangxj@buaa.edu.cn

  • 中图分类号: TP206+.3

State recognition method for switching power supplies based on ResNet-LSTM

More Information
  • 摘要:

    为实现开关电源的状态识别与退化监测,根据电容值相对于初始电容退化程度,划分为4个状态区间,为后续状态识别任务提供了明确的标签依据。提出一种基于纹波信号特征提取与深度学习分类模型相结合的方法,以实现对当前状态的快速识别。通过小波变换对纹波信号进行多尺度分解,提取其时频域特征图,从而捕捉电容退化过程中的微弱动态特征。在特征提取的基础上,构建了一个基于残差网络(ResNet)的深度卷积神经网络模型,利用其强大的特征表达能力与残差学习机制对不同状态特征图进行分类识别。采用ResNet-LSTM模型预测电源退化趋势,结果表明,其能实现较为准确的预测。

     

  • 图 1  开关电源模块基本结构

    Figure 1.  Switch-mode power supply module basic structure

    图 2  电源模块的工作电流

    Figure 2.  Operating current of a power module

    图 3  单个神经元结构组成

    Figure 3.  The structural components of a single neuron

    图 4  人工神经网络结构组成

    Figure 4.  Artificial neural network architectural composition

    图 5  卷积神经网络的结构组成

    Figure 5.  Convolutional neural network architectural composition

    图 6  ResNet的残差学习模块

    Figure 6.  Residual learning block of ResNet

    图 7  ResNet通用模型

    Figure 7.  ResNet universal model

    图 8  LSTM神经网络链式模型示意

    Figure 8.  Schematic diagram of the LSTM neural network chain model

    图 9  LSTM神经单元结构构成

    Figure 9.  LSTM neural unit structural composition

    图 10  电源试验台

    Figure 10.  Power test bench

    图 11  不同滤波电容滤波效果

    Figure 11.  Filtering effects of different filter capacitors

    图 12  纹波幅值展示

    Figure 12.  Ripple amplitude display

    图 13  小波变换提取输出纹波电压特征

    Figure 13.  Wavelet transform for output ripple voltage feature extraction

    图 14  ResNet训练过程

    Figure 14.  ResNet training process

    图 15  模型训练结果

    Figure 15.  Model training results

    图 16  训练进度

    Figure 16.  Training progress

    图 17  预测数据与实际对比(900个样本)

    Figure 17.  Predicted data vs. actual data (900 samples)

    图 18  预测数据与实际对比(800个样本)

    Figure 18.  Predicted data vs. actual data (800 samples)

    图 19  预测数据与实际对比(700个样本)

    Figure 19.  Predicted data vs. actual data (700 samples)

    图 20  预测数据与实际对比(600个样本)

    Figure 20.  Predicted data vs. actual data (600 samples)

    表  1  ResNet结构组成

    Table  1.   Composition of ResNet structure

    Layer 18-layer 34-layer 50-layer 101-layer
    Conv1 7×7, 64, stride2 7×7, 64, stride2 7×7, 64, stride2 7×7, 64, stride2
    Conv2_X 3×3 max pool, stride2 3×3 max pool, stride2 3×3 max pool, stride2 3×3 max pool, stride2
    $ \left[\begin{matrix}3\times 3 & 64\\3\times 3 & 64\end{matrix}\right]\times 2 $ $ \left[\begin{matrix}3\times 3 & 64\\3\times 3 & 64\end{matrix}\right]\times 3 $ $ \left[\begin{matrix}1\times 1 & 64\\3\times 3 & 64\\1\times 1 & 256\end{matrix}\right]\times 3 $ $ \left[\begin{matrix}1\times 1 & 64\\3\times 3 & 64\\1\times 1 & 256\end{matrix}\right]\times 3 $
    Conv3_X $ \left[\begin{matrix}3\times 3 & 128\\3\times 3 & 128\end{matrix}\right]\times 2 $ $ \left[\begin{matrix}3\times 3 & 128\\3\times 3 & 128\end{matrix}\right]\times 4 $ $ \left[\begin{matrix}1\times 1 & 128\\3\times 3 & 128\\1\times 1 & 512\end{matrix}\right]\times 4 $ $ \left[\begin{matrix}1\times 1 & 128\\3\times 3 & 128\\1\times 1 & 512\end{matrix}\right]\times 4 $
    Conv4_X $ \left[\begin{matrix}3\times 3 & 256\\3\times 3 & 256\end{matrix}\right]\times 2 $ $ \left[\begin{matrix}3\times 3 & 256\\3\times 3 & 256\end{matrix}\right]\times 6 $ $ \left[\begin{matrix}1\times 1 & 256\\3\times 3 & 256\\1\times 1 & 1024\end{matrix}\right]\times 6 $ $ \left[\begin{matrix}1\times 1 & 256\\3\times 3 & 256\\1\times 1 & 1024\end{matrix}\right]\times 23 $
    Conv5_X $ \left[\begin{matrix}3\times 3 & 512\\3\times 3 & 512\end{matrix}\right]\times 2 $ $ \left[\begin{matrix}3\times 3 & 512\\3\times 3 & 512\end{matrix}\right]\times 3 $ $ \left[\begin{matrix}1\times 1 & 512\\3\times 3 & 512\\1\times 1 & 2048\end{matrix}\right]\times 3 $ $ \left[\begin{matrix}1\times 1 & 512\\3\times 3 & 512\\1\times 1 & 2048\end{matrix}\right]\times 3 $
    下载: 导出CSV

    表  2  实验滤波电容设置

    Table  2.   Experimental filter capacitor configuration μF

    数据类型 滤波
    电容1
    滤波
    电容2
    滤波
    电容3
    滤波
    电容4
    滤波
    电容5
    滤波
    电容6
    正常数据 1 000 1 000 1 000 470 470 470
    故障数据 1 000 1 000 680 470 470 470
    故障数据 1 000 680 680 470 470 470
    故障数据 680 680 680 470 470 470
    故障数据 680 680 470 470 470 470
    故障数据 680 470 470 470 470 470
    故障数据 470 470 470 470 470 470
    故障数据 470 470 470 470 470 330
    故障数据 470 470 470 470 330 330
    故障数据 470 470 470 330 330 330
    故障数据 470 470 330 330 330 330
    故障数据 470 330 330 330 330 330
    故障数据 330 330 330 330 330 330
    故障数据 330 330 330 330 330 220
    故障数据 330 330 330 330 220 220
    故障数据 330 330 330 220 220 220
    故障数据 330 330 220 220 220 220
    故障数据 330 220 220 220 220 220
    故障数据 220 220 220 220 220 220
    故障数据 220 220 220 220 220 100
    故障数据 220 220 220 220 100 100
    故障数据 220 220 220 100 100 100
    故障数据 220 220 100 100 100 100
    故障数据 220 100 100 100 100 100
    故障数据 100 100 100 100 100 100
    彻底故障数据 100 100 100 100 100 0
    彻底故障数据 100 100 100 0 0 0
    下载: 导出CSV

    表  3  电源电压RMSE对比

    Table  3.   Comparison of power supply voltage RMSE

    神经网络类型训练集占比/%RMSE
    LSTM900.001 4
    800.003 5
    700.006 2
    600.010 5
    下载: 导出CSV
  • [1] 郭庆. 列车控制系统电源模块性能退化与寿命预测研究[D]. 北京: 北京航空航天大学, 2010.

    Guo Q. Research on performance degradation and life prediction of power module in train control system[D]. Beijing: Beihang University, 2010(in Chinese).
    [2] 周月阁. 开关电源多元质量稳健优化设计技术[D]. 哈尔滨: 哈尔滨工业大学, 2015.

    Zhou Y G. Mutli-quality robust optimization design for switching mode power supply[D]. Harbin: Harbin Institute of Technology, 2015(in Chinese).
    [3] 王浩, 周月阁, 刘守文, 等. 基于多元性能加速退化的航天器DC/DC电源寿命评估方法研究[J]. 航天器环境工程, 2017, 34(4): 439-445.

    Wang H, Zhou Y G, Liu S W, et al. The life estimation method for spacecraft DC/DC power supply based on multivariable accelerated performance degradation data[J]. Spacecraft Environment Engineering, 2017, 34(4): 439-445(in Chinese).
    [4] 刘郑辉, 席自强. 基于Buck电路的开关电源纹波的计算和抑制[J]. 湖北工业大学学报, 2007, 22(5): 22-24.

    Liu Z H, Xi Z Q. On Calculation of switch ripple current based on buck circuit[J]. Journal of Hubei University of Technology, 2007, 22(5): 22-24(in Chinese).
    [5] 李享, 李岱霖, 叶雪荣, 等. LED开关电源中铝电解电容性能退化模型的研究[J]. 电源学报, 2012, 10(6): 51-54.

    Li X, Li D L, Ye X R, et al. Research on the degradation model of aluminum electrolytic capacitors in LED SMPS[J]. Journal of Power Supply, 2012, 10(6): 51-54(in Chinese).
    [6] 徐方维, 杨洪耕, 叶茂清, 等. 基于改进S变换的电能质量扰动分类[J]. 中国电机工程学报, 2012, 32(4): 77-84.

    Xu F W, Yang H G, Ye M Q, et al. Classification for power quality short duration disturbances based on generalized S-transform[J]. Proceedings of the CSEE, 2012, 32(4): 77-84(in Chinese).
    [7] 孟朔. 基于卷积神经网络的机织物结构参数识别研究[D]. 无锡: 江南大学, 2021.

    Meng S. Research on recognition of woven fabric structural parameters based on convolutional neural networks[D]. Wuxi: Jiangnan University, 2021(in Chinese).
    [8] 陈妮亚, 阮佳阳, 黄金苗, 等. 结合深度学习与生物特征识别在冷链拣选中的算法研究[J]. 智能科学与技术学报, 2019, 1(1): 88-95.

    Chen N Y, Ruan J Y, Huang J M, et al. Algorithm design for food-picking combining deep learning and biometrics recognition[J]. Chinese Journal of Intelligent Science and Technology, 2019, 1(1): 88-95(in Chinese).
    [9] 陈国威. 基于多视角的业务流程预测及异常检测研究[D]. 淮南: 安徽理工大学, 2024.

    Chen G W. Research on business process prediction and anomaly detection based on multiple perspectives[D]. Huainan: Anhui University of Science & Technology, 2024(in Chinese).
    [10] 田贵双, 王少萍, 石健, 等. 模型与数据混合驱动的IGBT寿命预测方法[J]. 航空学报, 2024, 45(15): 38-49.

    Tian G S, Wang S P, Shi J, et al. IGBT life prediction method driven by model and data[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2024, 45(15): 38-49(in Chinese).
    [11] 田贵双. 轨道车辆牵引系统关键部件性能退化与寿命预测研究[D]. 北京: 北京航空航天大学, 2024.

    Tian G S. Research on performance degradation and life prediction of key components in rail vehicle traction system[D]. Beijing: Beihang University, 2024(in Chinese).
    [12] He W B, Zhang R Z, Wang X J, et al. Lithium battery health state prediction based on LSTM[C]//Proceedings of the 2025 IEEE 20th Conference on Industrial Electronics and Applications. Piscataway: IEEE Press, 2025: 1-6.
    [13] He W B, Li S S, Zhang Y W, et al. Fault model and effect analysis of nuclear power plant networked feed water control system[C]//Proceedings of the CSAA/IET International Conference on Aircraft Utility Systems. London: IET, 2025: 1596-1601.
    [14] 姜斌, 吴云凯, 陆宁云, 等. 高速列车牵引系统故障诊断与预测技术综述[J]. 控制与决策, 2018(5): 841-855.

    Jiang B, Wu Y K, Lu N Y, et al. Review of fault diagnosis and prognosis techniques for high-speed railway traction system[J]. Control and Decision, 2018(5): 841-855(in Chinese).
    [15] Huang H, Boyer A, Ben Dhia S. Analysis and modeling of passive device degradation for a long-term electromagnetic emission study of a DC-DC converter[J]. Microelectronics Reliability, 2015, 55(9-10): 2061-2066.
  • 加载中
图(20) / 表(3)
计量
  • 文章访问数:  177
  • HTML全文浏览量:  61
  • PDF下载量:  4
  • 被引次数: 0
出版历程
  • 收稿日期:  2025-09-29
  • 录用日期:  2026-01-04
  • 网络出版日期:  2026-01-28
  • 整期出版日期:  2026-08-31

目录

    /

    返回文章
    返回
    常见问答