太陽(yáng)能路燈模糊控制器

梁文翰， 賈文超

（長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，吉林長(zhǎng)春 130012）

0 引 言

文中設(shè)計(jì)了一種太陽(yáng)能路燈的模糊控制器，建立了鉛酸蓄電池的充電狀態(tài)與充電參數(shù)之間的關(guān)系，使得系統(tǒng)中蓄電池的使用壽命得到了可靠的保證。并且將模糊控制與傳統(tǒng)的PID控制相結(jié)合，用以控制直流電壓的輸出。從而得到了一種Fuzzy／PID控制系統(tǒng)，與常規(guī)的PID控制系統(tǒng)比較，系統(tǒng)響應(yīng)的超調(diào)量較小，反應(yīng)速度快，而且具備控制結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、魯棒性較強(qiáng)、可靠性較高的優(yōu)點(diǎn)。

1 路燈智能控制器組成單元

1.1 太陽(yáng)能路燈硬件構(gòu)成［1－3］

太陽(yáng)能路燈主要由太陽(yáng)能光電池組件、蓄電池、控制器和照明燈具組成。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 太陽(yáng)能路燈系統(tǒng)框圖

1.2 模糊控制單元

模糊控制單元是本設(shè)計(jì)的核心，它主要完成的功能是合理控制蓄電池充放電過(guò)程。充電過(guò)程中，檢測(cè)到太陽(yáng)能電池板所產(chǎn)生的電能，利用模糊控制策略對(duì)蓄電池合理有效地充電，并且實(shí)時(shí)檢測(cè)蓄電池的充電狀態(tài)直到蓄電池充電完畢，將太陽(yáng)能電池板所發(fā)出的剩余電能進(jìn)行放電處理。放電過(guò)程中，將蓄電池內(nèi)所儲(chǔ)存電能合理地釋放給LED發(fā)光負(fù)載，使路燈發(fā)光達(dá)到照明的目的。模糊控制單元框圖如圖2所示。

圖2 模糊控制單元框圖

2 蓄電池充電模糊控制策略的建立

2.1 雙標(biāo)三階段浮充法

根據(jù)太陽(yáng)能能源的特性對(duì)蓄電池的充電過(guò)程采取了一種雙標(biāo)三階段浮充模型。雙標(biāo)三階段充電示意圖如圖3所示。

圖3 蓄電池的雙標(biāo)三階段充電示意圖

雙標(biāo)三階段浮充法中的雙標(biāo)指的是精確的浮充電壓Vf和過(guò)標(biāo)準(zhǔn)開路電壓Voc；將充電過(guò)程分為3個(gè)階段，具體闡述如下：

第一階段：當(dāng)蓄電池兩端電壓小于過(guò)標(biāo)準(zhǔn)開路電壓Voc時(shí)，系統(tǒng)將用能夠獲得的最大的電流值為蓄電池充電，直至其電壓值達(dá)到Voc。此階段的充電程度能夠達(dá)到70%～90%。

第二階段：在這個(gè)階段中，必須將蓄電池的充電電壓值恒定在Voc，并且要一直持續(xù)到充電率為Ioct時(shí)，才能進(jìn)行第三階段的充電。完成第二個(gè)階段過(guò)程后，蓄電池的充電程度接近100%。

第三階段：蓄電池的充電電壓值恒定為Vf，目的是維持蓄電池的電壓狀態(tài)。此階段的Vf必須精確，否則會(huì)大大降低蓄電池使用壽命。

2.2 太陽(yáng)能路燈充電模糊規(guī)則建立［4－9］

2．2．1 太陽(yáng)能路燈蓄電池充電輸入的模糊化處理

2．2．1．1 蓄電池電壓模糊化處理

確定電壓值的范圍為［0，Vmax］（其中Vmax在歸一化之后的值為1），在此范圍內(nèi)定義模糊集（j＝1，2，…，15）。uAj1（xi）為四邊形隸屬度函數(shù)。

2．2．1．2 充電電流模糊化處理

確定電流值的范圍為［0，Imax］（其中Imax在歸一化之后的值為1），在此范圍內(nèi)定義模糊集（j＝1，2，…，21）。（xi）為高斯隸屬度函數(shù)。

2．2．1．3 蓄電池溫度模糊化處理

確定溫度范圍為［0，Tmax］，（其中Tmax在歸一化之后的值為1），在此范圍內(nèi)定義模糊集（j＝1，2，…，10）。（xi）為四邊形隸屬度函數(shù)。

2．2．2 太陽(yáng)能路燈蓄電池充電輸出的模糊化處理

雙標(biāo)三階段實(shí)時(shí)輸出充電電壓模糊化處理：確定電壓值的范圍為［0，Vmax］（其中Vmax在歸一化之后的值為1），在此范圍內(nèi)定義模糊集（j＝1，2，…，41）。（xi）為高斯隸屬度函數(shù)。

2．2．3 模糊規(guī)則的確立

如果：

2．2．4 建立模糊系統(tǒng)

采用乘積推理機(jī)、單值模糊器、中心平均解模糊器的模糊系統(tǒng)：

式中：l——模糊規(guī)則；

y－l——第l條模糊規(guī)則輸出模糊集Bj＊1的中心。

2.3 蓄電池放電Fuzzy／PID控制算法建立

簡(jiǎn)化模糊系統(tǒng)的輸入輸出變量為：輸入壓差VE（voltage error），輸入電壓變化率Rate，輸出電壓、電流的模糊閾控量Valve。

2．3．1 輸入變量

1）將LED燈組負(fù)載的實(shí)時(shí)電壓值與整個(gè)系統(tǒng)標(biāo)定電壓值之差作為輸入壓差VE，其隸屬函數(shù)的模糊子集是：｛low，okay，high｝，選用高斯隸屬度函數(shù)。

2）LED燈組負(fù)載輸入電壓值的實(shí)時(shí)變化率Rate，其隸屬函數(shù)模糊子集是：｛negative，none，positive｝，選用高斯隸屬度函數(shù)。

太陽(yáng)能路燈Fuzzy／PID控制系統(tǒng)框圖如圖4所示。

圖4 太陽(yáng)能路燈Fuzzy／PID控制系統(tǒng)框圖

2．3．2 輸出變量

Valve控制著DC／DC轉(zhuǎn)換電路的占空比與MOSFET開關(guān)電路，其隸屬函數(shù)的模糊子集是：｛decrease－fast，decrease－slow，no－change，increase－slow，increase－fast｝，選用三角形隸屬度函數(shù)。

模糊控制規(guī)則為：

rule 1if（VE is okay）then（valve is nochange）

rule 2if（VE is low）then（valve is increasefast）

rule 3if（VE is high）then（valve is decrease－fast）

rule 4if（VE is okay）and（rate is positive）then（valve is decrease－slow）

rule 5if（VE is okay）and（rate is negative）then（valve is increase－slow）

3 控制策略仿真實(shí)驗(yàn)

3.1 隸屬度函數(shù)的仿真結(jié)果

隸屬度函數(shù)的仿真結(jié)果如圖5和圖6所示。

圖5 高斯隸屬度函數(shù)仿真結(jié)果

圖6 三角隸屬度函數(shù)仿真結(jié)果

其中，圖5與圖6分別表示了輸入模糊變量與輸出模糊變量的隸屬度函數(shù)仿真結(jié)果。

由圖中可見，高斯隸屬度函數(shù)的仿真結(jié)果顯示出級(jí)別劃分較為細(xì)致，能夠較好描述輸入變量中的輸入壓差和直流負(fù)載輸入的實(shí)時(shí)電壓變化率的正確性。三角隸屬度函數(shù)的仿真結(jié)果表明，輸出變量能夠得到準(zhǔn)確的描述。

3.2 系統(tǒng)的階躍響應(yīng)

Fuzzy系統(tǒng)、PID系統(tǒng)、Fuzzy／PID系統(tǒng)的階躍響應(yīng)如圖7所示。

圖7 階躍響應(yīng)對(duì)比圖

從仿真結(jié)果可以看出，F(xiàn)uzzy／PID閉環(huán)控制系統(tǒng)結(jié)合了模糊控制與傳統(tǒng)PID控制在階躍響應(yīng)方面的優(yōu)點(diǎn)。與傳統(tǒng)PID控制相比，F(xiàn)uzzy／PID系統(tǒng)響應(yīng)的超調(diào)量小、反應(yīng)時(shí)間快，可以實(shí)現(xiàn)蓄電池輸出過(guò)程的恒流控制。

4 結(jié) 語(yǔ)

設(shè)計(jì)的太陽(yáng)能路燈模糊控制器合理建立起蓄電池充電參數(shù)和充電狀態(tài)之間的關(guān)系，從而有效地控制了蓄電池充電過(guò)程，不僅可以提高蓄電池充電效率，而且充分保證了蓄電池的使用壽命。在控制LED燈組的直流輸出環(huán)節(jié)中，將模糊控制與傳統(tǒng)的PID控制結(jié)合在一起，形成Fuzzy／PID閉環(huán)控制。從仿真結(jié)果中可知，充電的隸屬度函數(shù)建立正確，綜合比較階躍響應(yīng)結(jié)果，F(xiàn)uzzy／PID系統(tǒng)響應(yīng)的超調(diào)量減少，反應(yīng)時(shí)間加快，達(dá)到了LED路燈恒流控制的目的，適合太陽(yáng)能路燈控制系統(tǒng)。

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