CIPT模糊恒壓控制策略設(shè)計(jì)與分析

楊光，唐厚君，白亮宇

(上海交通大學(xué) 電子信息與電氣工程學(xué)院，上海 200240)

0 引言

模糊控制最大的優(yōu)點(diǎn)是不依賴于被控對(duì)象精確數(shù)學(xué)模型，能夠克服非線性參數(shù)的影響，對(duì)調(diào)節(jié)對(duì)象的參數(shù)變化具有較強(qiáng)的魯棒性。而對(duì)于具有松耦合變壓器的非接觸電能傳輸系統(tǒng)，原副邊磁性機(jī)構(gòu)沒有任何電氣連接，通過互感耦合傳輸電能。在非接觸電能傳輸系統(tǒng)運(yùn)行過程中，原副邊磁機(jī)構(gòu)距離難免會(huì)受外界影響而變化，進(jìn)而影響到互感值;負(fù)載切換與擾動(dòng)也會(huì)影響到系統(tǒng)輸出電壓，而對(duì)于電動(dòng)汽車充電系統(tǒng)，電壓的穩(wěn)定是非常重要與關(guān)鍵的。由于非接觸電能傳輸系統(tǒng)的非線性、時(shí)變性以及不確定性，很難建立精確的數(shù)學(xué)模型，而傳統(tǒng)的PID控制對(duì)對(duì)象傳遞函數(shù)模型及參數(shù)有很強(qiáng)的依賴性。因此，本文提出了采用模糊控制的算法，解決了由于CIPT系統(tǒng)磁機(jī)構(gòu)距離和負(fù)載變化導(dǎo)致輸出電壓變化的問題，使系統(tǒng)輸出電壓恒定。同時(shí)又克服了傳統(tǒng)PID控制對(duì)數(shù)學(xué)模型的依賴。最后對(duì)基于模糊控制算法的系統(tǒng)進(jìn)行了仿真和試驗(yàn)。

圖1 基于模糊控制的CIPT系統(tǒng)原理圖

圖2 是初級(jí)H橋4個(gè)開關(guān)的 PWM控制信號(hào)[5]。在周期 T不變的情況下，通過改變占空比α的大小來調(diào)節(jié)次級(jí)回路的輸出電壓值。

1 原理分析

基于模糊控制策略[1]的CIPT系統(tǒng)[2]結(jié)構(gòu)如圖1所示?？刂葡到y(tǒng)由CIPT主電路、直流輸出電壓檢測(cè)電路、模糊控制電路、PWM調(diào)制器[3]、驅(qū)動(dòng)放大電路等組成。模糊控制器與模糊算法、PWM調(diào)制算法等由 TMS320F2812型 DSP[4]中央處理器為核心的控制器構(gòu)成。

圖2 PWM控制信號(hào)

如圖 3所示，周期T不變，當(dāng)占空比α=0.5 T時(shí)，次級(jí)回路的輸出電壓值最高。當(dāng)α趨向0或者 T時(shí)，次級(jí)回路的輸出電壓值逐漸降至0伏。

圖3 占空比和次級(jí)回路輸出電壓的關(guān)系

2 模糊控制方法

模糊控制是以模糊數(shù)學(xué)[6]為基礎(chǔ)，以模糊集理論、模糊語言變量和模糊邏輯推理為基礎(chǔ)，以模糊集合表示變量，由模糊邏輯運(yùn)算進(jìn)行推理判決的一種智能控制方法[7]。模糊控制系統(tǒng)的是模糊控制器，由以下三部分組成:

① 模糊化 利用口語化變量來描述測(cè)量到的電壓偏差[8]。

② 模糊推理 根據(jù)模糊控制規(guī)則庫，應(yīng)用模糊推理方法得到模糊控制器的模糊輸出值。

③ 解模糊化 將模糊輸出值轉(zhuǎn)化為可以直接作用于控制對(duì)象的精確控制量。

常規(guī)模糊控制器總是選用被控對(duì)象的輸出變量的偏差值e和偏差變化率de作為輸入變量，而把解模糊化得到的精確控制量作為輸出。在本章中，控制系統(tǒng)通過實(shí)時(shí)采集CIPT系統(tǒng)的直流輸出電壓u0(k)，由式(1)獲得第k個(gè)采樣周期的直流輸出電壓誤差量e(k)及相應(yīng)的誤差微分量de(k)。

設(shè)輸出電壓誤差量為 e，誤差變化率為 de，輸出控制量為 u。將 e，de，u 量化為五個(gè)語言值:反向大(NB)，反向小(NS)，零(ZO)，正向小(PS)，正向大(PB)。e的模糊集為{PB，ZO，NB}，de的模糊集為{PB，ZO，NB}，u 的模糊集為{PB，NS，ZO，PS，NB}。專家知識(shí)的推理規(guī)則為:IF(e=第一列中相應(yīng)元素，de=第一行中相應(yīng)元素)，THEN(u=表格中對(duì)應(yīng)元素)

表1 模糊推理規(guī)則表

采用三角形模糊集合作為隸屬度函數(shù)，誤差e，誤差變化率de和輸出控制量為u的輸入隸屬函數(shù)分別如圖4和圖5所示。

當(dāng)e·de＜0或e=0且de≠0時(shí)，即 ZO時(shí)，模糊控制器處于保持控制模態(tài)，即u(e，de)=u0，維持占空比不變;

當(dāng)e·de＞0時(shí)，根據(jù)誤差e的大小進(jìn)行相應(yīng)的模糊控制，使得誤差e→0，及達(dá)到恒壓控制的目的。

基于上述思路，接下來介紹解模糊化的方法。假設(shè)，eL為保持階段與微調(diào)階段邊界值，eH為微調(diào)階段與粗調(diào)階段邊界值，eM為模糊控制器可以調(diào)節(jié)的最大誤差，u0為模糊控制器前一狀態(tài)輸出。

(1)保持階段

(3)粗調(diào)階段

其中α為比例系數(shù)。

由于不同工況下，系統(tǒng)的電氣特性不同，對(duì)系統(tǒng)調(diào)節(jié)時(shí)間的要求也不同，因此上述各邊界值及系數(shù)值，要根據(jù)設(shè)計(jì)者的經(jīng)驗(yàn)反復(fù)調(diào)節(jié)設(shè)定。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖6和圖8為原副邊磁機(jī)構(gòu)從10 mm突變到5 mm時(shí)，輸出電壓波形和原邊回路電流。圖7和圖9為原副邊磁機(jī)構(gòu)從5 mm突變到10 mm時(shí)，輸出電壓波形和原邊回路電流。

圖8 原邊回路電流波形(距離減小)

圖9 原邊回路電流波形(距離增大)

4 結(jié)束語

從實(shí)驗(yàn)波形可以看出，在原副邊耦合磁機(jī)構(gòu)距離從10 mm突變5 mm過程中，輸出電壓經(jīng)歷了5 V的超調(diào)過程，經(jīng)歷了40 ms的調(diào)節(jié)過程進(jìn)入穩(wěn)態(tài);在原副邊耦合磁機(jī)構(gòu)距離從5 mm突變10 mm過程中，輸出電壓經(jīng)歷了5 V的超調(diào)過程，經(jīng)過50 ms進(jìn)入穩(wěn)態(tài)。在兩次耦合距離突變過程中，輸出電壓均被控制到給定電壓12 V，穩(wěn)態(tài)精度控制在0.3 V以內(nèi)。由以上分析可知，基于模糊控制的恒壓調(diào)節(jié)策略，可以在磁機(jī)構(gòu)距離突變的條件下，達(dá)到恒壓的目的。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該控制策略的有效性和理論分析的正確性。

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