用于井下電機(jī)車儲(chǔ)能電池模擬器的自適應(yīng)模糊PI控制?

周亞夫劉光起彎茂全許辰雨（.北京工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院,北京市石景山區(qū),0004; .北京工業(yè)大學(xué)電子信息與控制工程學(xué)院,北京市朝陽(yáng)區(qū),004）

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用于井下電機(jī)車儲(chǔ)能電池模擬器的自適應(yīng)模糊PI控制?

周亞夫1劉光起1彎茂全2許辰雨1
（1.北京工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院,北京市石景山區(qū),100042; 2.北京工業(yè)大學(xué)電子信息與控制工程學(xué)院,北京市朝陽(yáng)區(qū),100124）

摘要為了解決煤礦井下電機(jī)車電池組充放電過(guò)程緩慢而造成電池組相關(guān)試驗(yàn)效率低和過(guò)程復(fù)雜的問(wèn)題,采用全橋整流器結(jié)構(gòu)的電池模擬器,模擬電池組充放電過(guò)程中的輸出電壓與電流等外在特性。為了保證電池模擬器在充放電過(guò)程的不同階段、充放電模式切換以及負(fù)載突變等情況下,其外在特性尤其是輸出直流電壓仍能夠保持穩(wěn)定并且更加接近直流電壓源的特性,提出了采用自適應(yīng)模糊PI控制策略提高電池模擬器的動(dòng)態(tài)性能和穩(wěn)定性。

關(guān)鍵詞電機(jī)車電池組 電池模擬器 自適應(yīng) 模糊控制

1　前言

煤礦井下高瓦斯環(huán)境的特殊要求,要求采用蓄電池組替代一般的架線直流電網(wǎng)為電機(jī)車供電。目前,煤礦井下電機(jī)車常用對(duì)環(huán)境污染小、能量密度高、壽命較長(zhǎng)、自放電率較小、溫度適應(yīng)范圍大以及安全系數(shù)高等諸多優(yōu)點(diǎn)的磷酸鐵鋰電池替代傳統(tǒng)的鉛蓄電池作為電源,提供穩(wěn)定的250 V或550 V直流電壓和數(shù)百安培電流。

在蓄電池作為負(fù)載或供電電源的試驗(yàn)中,由于蓄電池充放電過(guò)程過(guò)于緩慢而導(dǎo)致試驗(yàn)效率低、成本高和過(guò)程復(fù)雜。在電機(jī)車電機(jī)調(diào)速和蓄電池充電系統(tǒng)等研究中,需要某種變換器或模型模擬電池的充放電特性以提高試驗(yàn)效率。因而電池準(zhǔn)確的動(dòng)態(tài)建模是電池非化學(xué)等效過(guò)程研究的重點(diǎn),也是電池外部特性研究的難點(diǎn)。

目前對(duì)電池動(dòng)態(tài)模型建模的常用方法有簡(jiǎn)化的電化學(xué)模型、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型和等效電路模型。在利用電池動(dòng)態(tài)模型描述電池工作過(guò)程中性能影響因數(shù)的數(shù)學(xué)關(guān)系中,電池的工作電壓、工作電流以及SOC（電池荷電狀態(tài)）尤為重要,然而以上的建模方法對(duì)于電機(jī)車電池組這種容量較大的情況并不適用。

因此,采用具有全控能力的大功率電力電子變換器模擬電機(jī)車電池組充放電過(guò)程中的電壓、電流以及SOC特性是解決以上問(wèn)題的良好選擇。為了模擬電池的儲(chǔ)能特性,需要模擬器具有吸收能量的能力;為了模擬電池的直流電壓源特性,需要模擬器具備穩(wěn)定的直流輸出電壓的能力。為此應(yīng)選擇整流器的逆變與整流過(guò)程分別模擬電池充電與放電特性。模擬器利用閉環(huán)控制使其直流側(cè)電壓在負(fù)載突變的情況下仍能保持類似電池的慣性,但是對(duì)于目前廣泛應(yīng)用的線性PI控制而言,很難保證其電壓的穩(wěn)定性,為此應(yīng)采用模糊自適應(yīng)線性控制器保證系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)品質(zhì)和穩(wěn)態(tài)性能。

本文采用三相全橋整流器并通過(guò)自適應(yīng)模糊PI控制作為儲(chǔ)能電池模擬器,通過(guò)仿真與試驗(yàn)驗(yàn)證可以實(shí)現(xiàn)蓄電池模擬器在惡劣負(fù)載擾動(dòng)的情況下其直流側(cè)輸出仍能維持穩(wěn)定,以此說(shuō)明模擬方法的有效性和準(zhǔn)確性。

2　儲(chǔ)能電池模擬器結(jié)構(gòu)及工作特性

2.1儲(chǔ)能電池模擬器結(jié)構(gòu)

儲(chǔ)能電池模擬器試驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示,儲(chǔ)能電池模擬器所采用的三相全橋整流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖如圖2所示,圖中Q1～Q6是IGBT,L為濾波電感,uo為儲(chǔ)能電池兩端電壓。

圖1　儲(chǔ)能電池模擬器試驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.2儲(chǔ)能電池模擬器的工作特性

儲(chǔ)能電池模擬器在整流狀態(tài)時(shí),直流輸出為電機(jī)車動(dòng)力裝置與直流負(fù)載;逆變狀態(tài)時(shí)電池儲(chǔ)能管理系統(tǒng)為其充電,由于儲(chǔ)能電池模擬器不具備儲(chǔ)能能力,因而將其能量并入電網(wǎng)。電池荷電狀態(tài)是電池在一定的放電倍率下,其可用電量與額定容量的比值,可表征電池內(nèi)部的剩余能量;由于電池的SOC是電荷量的比值不僅與電流有關(guān),還取決于電池電壓。將充滿電的磷酸鐵鋰電池以不同電流進(jìn)行放電試驗(yàn),得出不同放電倍率下的放電曲線如圖3所示。

圖2　儲(chǔ)能電池模擬器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

圖3　不同倍率下的放電曲線

通過(guò)對(duì)電池充電過(guò)程進(jìn)行類似的試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)電池在充放電過(guò)程中分為3個(gè)階段:

（1）電池充電初始階段（SOC:0～10%）,電池以恒電流方式運(yùn)行,電壓以0.125的斜率放電或充電。

（2）電池充放電中間階段（SOC:10%～90%）,此階段電池以0.0375的斜率緩慢變換,即近似恒電壓的方式運(yùn)行。

（3）電池充電結(jié)束階段（SOC:90%～100%）,電池以恒電流方式運(yùn)行,電壓以0.125的斜率放電或充電。

3　儲(chǔ)能電池模擬器模型與控制

電池充放電過(guò)程中第二階段的近似恒電壓模式,電池模擬器精確且平穩(wěn)地控制直流側(cè)電壓輸出;電池充放電過(guò)程中第一階段和第三階段的恒流模式,雙閉環(huán)控制脫掉電壓外環(huán)控制,將電流內(nèi)環(huán)的輸入給定設(shè)為合理的常數(shù)值,此時(shí)直流側(cè)電流維持精確且平穩(wěn)恒定。經(jīng)典PI控制器的比例與積分環(huán)節(jié)參數(shù)固定且魯棒性差,不能滿足在負(fù)載突變和兩種模式自由情況下系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)及穩(wěn)態(tài)要求。因而通過(guò)對(duì)經(jīng)典雙閉環(huán)控制器中電壓外環(huán)v－PI控制器進(jìn)行自適應(yīng)模式改進(jìn),提高控制器性能,電池模擬器雙閉環(huán)自適應(yīng)模糊PI控制結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。

圖4　電池模擬器雙閉環(huán)自適應(yīng)模糊PI控制結(jié)構(gòu)圖

4　雙閉環(huán)模糊PI控制器設(shè)計(jì)

4.1自適應(yīng)控制表達(dá)式

假設(shè)直流側(cè)電壓的變化誤差為err,其差分輸出量為Δerr,二者共同作為電壓外環(huán)自適應(yīng)控制器的輸入,通過(guò)控制器比例（Kp）與積分（Ki）運(yùn)算得到電流內(nèi)環(huán)的控制輸入量i?sd和i?sq。為了使線性控制器更好地抑制電壓變化,需要對(duì)PI參數(shù)在原控制點(diǎn)進(jìn)行一定量的調(diào)整（ΔKp與ΔKi）,即自適應(yīng)控制器表達(dá)式見(jiàn)式（1）:

式中:Kp（t）——控制器比例環(huán)節(jié)參數(shù)隨時(shí)間t變化的函數(shù);

ΔKp（t）——控制器比例環(huán)節(jié)參數(shù)的改變量隨時(shí)間t變化的函數(shù);

Ki（t）——控制器積分環(huán)節(jié)參數(shù)隨時(shí)間t變化的函數(shù);

ΔKi（t）——控制器積分環(huán)節(jié)參數(shù)的改變量隨時(shí)間t變化的函數(shù);

Kp（0）、Ki（0）——分別為初始控制點(diǎn)參數(shù)。

當(dāng)err與Δerr都為正時(shí),需要ΔKp為正,以提高變換器的響應(yīng)速度;當(dāng)err為負(fù),并且Δerr為正時(shí),需要ΔKp為負(fù),抑制變換器超調(diào);當(dāng)err 與Δerr都趨近零時(shí),需要ΔKi為正,穩(wěn)定提高變換器輸出。然而對(duì)于err、Δerr、Kp、Ki、ΔKp與ΔKi這6個(gè)變量而言并非在同一變化量度內(nèi),如何正確評(píng)價(jià)err與Δerr的變化幅度與速度是自適應(yīng)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵。

4.2模糊論域與模糊規(guī)則

由于模糊自適應(yīng)控制系統(tǒng)會(huì)在基準(zhǔn)值附近動(dòng)態(tài)的調(diào)整PI參數(shù),所以模糊詞集的選擇就與PI參數(shù)的變化范圍和變化精度有關(guān),故模糊詞集分為正負(fù),而詞集的正負(fù)個(gè)數(shù)由經(jīng)驗(yàn)獲取。如果數(shù)量太多,會(huì)導(dǎo)致模糊規(guī)則過(guò)于復(fù)雜,且在某一范圍內(nèi)的模糊規(guī)則輸出類似,沒(méi)有必要;而數(shù)量太少,會(huì)導(dǎo)致劃分不細(xì)致,導(dǎo)致變化過(guò)大,響應(yīng)過(guò)程易產(chǎn)生突變,尤其是積分作用的影響會(huì)累積于整體過(guò)程,調(diào)節(jié)時(shí)間會(huì)增加,一般選取7個(gè),正負(fù)各3個(gè)加上1 個(gè)0比較合適。而隸屬度函數(shù)是基于模糊詞集的個(gè)數(shù)選擇影響,每一個(gè)模糊詞集對(duì)應(yīng)的隸屬度函數(shù)形狀與范圍會(huì)影響最終的輸出結(jié)果,即PI變化值的大小,為等價(jià)各模糊詞的作用范圍,選擇等間隔的三角形隸屬度函數(shù)比較合適。

所以為了使err、Δerr、ΔKp與ΔKi的變化幅值范圍映射在相同的變換范圍,采用模糊推理,并選定模糊詞集為NB、NM、NS、ZO、PS、PM以及PB的隸屬度函數(shù),err、Δerr、ΔKp及ΔKi的隸屬度函數(shù)如圖5所示。其中,由變換器直流側(cè)電壓最大變換范圍確定映射系數(shù),因此圖5橫軸的模糊論域?yàn)椋郏?,6］;直流電壓在此模糊論域內(nèi)的最大階躍應(yīng)限制在縱軸所對(duì)應(yīng)的比例范圍內(nèi),避免超出。

圖5　err、Δerr、ΔKp及ΔKi的隸屬度函數(shù)

模糊規(guī)則與模糊隸屬度函數(shù)共同決定輸出值, 即PI變化范圍。而模糊規(guī)則由PI控制參數(shù)對(duì)系統(tǒng)響應(yīng)過(guò)程的定性作用決定,即PI對(duì)誤差與誤差變化率改變的趨勢(shì)作用。如當(dāng)誤差比較大,需增大P作用以增加響應(yīng)速度,而適當(dāng)減小或是不改變I,以避免積分飽和引起的動(dòng)態(tài)響應(yīng)的震蕩。至于變化的量值則需由模糊規(guī)則的輸出及輸出的隸屬度函數(shù)作用。根據(jù)PI控制器原理可知,比例系數(shù)Kp可以提高變換器的動(dòng)態(tài)性能,提高輸出跟蹤給定的能力;而積分系數(shù)Ki可以抑制變換器調(diào)節(jié)過(guò)程中的振蕩,保持變換器的穩(wěn)定。當(dāng)輸出電壓與給定相差較大且有增大的趨勢(shì)時(shí),應(yīng)盡可能的提高Kp;而輸出電壓與給定相差趨近時(shí),應(yīng)降低Kp增大Ki,使系統(tǒng)穩(wěn)定。結(jié)合圖5中變量的隸屬度函數(shù)及以上自整定原則,建立起適合PI控制系數(shù)Kp與Ki具體變化情況的模糊規(guī)則,其模糊規(guī)則見(jiàn)表1和表2。

表1　ΔKp模糊規(guī)則

表2　ΔKi模糊規(guī)則

5　仿真與試驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)以上分析,本文利用Simulink設(shè)計(jì)仿真電池模擬器在恒電流模式下試驗(yàn),設(shè)置參數(shù)如下:直流輸出恒定電流idc為140 A,濾波電感L為2 m H,輸出濾波電容C為2000μF,開(kāi)關(guān)頻率fs為5 k Hz。在0.15 s時(shí)負(fù)載電抗由8Ω突變?yōu)?1Ω,自適應(yīng)模糊控制與經(jīng)典控制在恒電流模式下直流電壓仿真對(duì)比圖如圖6所示。

圖6 自適應(yīng)模糊控制與經(jīng)典控制在恒電流模式下直流電壓仿真對(duì)比圖

由圖6可以看出,傳統(tǒng)PI控制器的兩組PI參數(shù),分別是Kp1為2、Ki1為100和Kp2為3、Ki2為100,兩組數(shù)據(jù)僅在比例環(huán)節(jié)有微小差別,但直流輸出電壓的控制效果區(qū)別明顯:在Kp1和Ki1參數(shù)控制下,直流電壓變化迅速且振蕩時(shí)間較短,但過(guò)沖較大;在Kp2和Ki2參數(shù)控制下,直流電壓變化平穩(wěn)且振蕩不明顯,但動(dòng)態(tài)性能不好;采用自適應(yīng)模糊PI控制器控制效果顯著,兼顧了兩組參數(shù)的優(yōu)點(diǎn)。

將自適應(yīng)模糊PI控制器用于電池模擬器試驗(yàn)平臺(tái),通過(guò)比較恒電壓模式下經(jīng)典PI控制器與自適應(yīng)模糊PI控制器在負(fù)載突變情況下,電池模擬器直流輸出的控制效果,自適應(yīng)模糊PI控制與經(jīng)典PI控制在恒電壓模式下直流母線電壓試驗(yàn)對(duì)比圖如圖7所示。

圖7　自適應(yīng)模糊PI控制與經(jīng)典PI控制在恒電壓模式下直流母線電壓試驗(yàn)對(duì)比圖

由圖7可以看出,穩(wěn)態(tài)下直流電壓恒定為405 V,加入負(fù)載突變擾動(dòng),經(jīng)典PI控制下電壓過(guò)沖超過(guò)60 V;而同樣條件下,自適應(yīng)模糊PI控制下直流電壓過(guò)沖明顯減小為30 V。

6　結(jié)論

本文提出了一種用于儲(chǔ)能電池模擬器的自適應(yīng)模糊PI控制方法,利用電壓誤差信號(hào)及誤差變化量,動(dòng)態(tài)修正電壓外環(huán)v－PI控制器參數(shù),提高系統(tǒng)的自適應(yīng)能力,相較傳統(tǒng)PI控制器響應(yīng)時(shí)間短且控制精度高。

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（責(zé)任編輯王雅琴）

Self-adaptive fuzzy PI control of energy storage battery simulator for mining underground locomotive

Zhou Yafu1,Liu Guangqi1,Wan Maoquan2,Xu Chenyu1
（1.Beijing Polytechnic College,Shijingshan,Beijing 100042,China; 2.The College of Electronic and Control Engineering,Beijing University of Technology, Chaoyang,Beijing 100124,China）

AbstractIn order to solving the problem of low efficiency and complex process in battery pack relative experiments leading by slowing of charge-discharge process,the authors took battery simulator with full-bridge rectifier to simulated output voltage and current characteristics of battery pack during charge-discharge process and provided that using self-adaptive fuzzy PI control strategy to improve dynamic property and stability of battery simulator and the external characteristics could remain stable and closer to DC voltage source characteristics particularly output direct voltage under the circumstances such as different stages of charge-discharge,switch charge-discharge modes and load suddenly changing.

Key wordsbattery of electric locomotive,battery simulator,self-adaptive,fuzzy control

中圖分類號(hào)TD601

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A

基金項(xiàng)目:?北京市教委科技平臺(tái)支柱項(xiàng)目（KM2013－014225）

作者簡(jiǎn)介:周亞夫（1974－）,男,河北唐山人,碩士、講師,現(xiàn)任職于北京工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院,主要從事電氣控制方面的教學(xué)和研究工作。