基于模糊控制的電氣電壓自適應(yīng)控制器設(shè)計(jì)

蘇潔+孫悅超+陳智

摘 要： 電氣設(shè)備上的碰撞性負(fù)載會(huì)造成電氣電壓波動(dòng)，以往用于防止電氣電壓波動(dòng)的設(shè)備存在使用效果不理想的問(wèn)題。因此，設(shè)計(jì)基于模糊控制的電氣電壓自適應(yīng)控制器，建立模糊控制數(shù)學(xué)模型和電氣設(shè)備中電容、電感的虛擬控制通路，將控制通路的工作頻率和電氣電壓設(shè)為模型輸入項(xiàng)，將工作頻率因子設(shè)為輸出項(xiàng)，使用多向傳導(dǎo)晶體閥門連接控制通路，交換通路電氣電壓并進(jìn)行補(bǔ)償，改善電氣電壓波動(dòng)情況。進(jìn)一步介紹了控制器數(shù)據(jù)采集卡AD760x的高精度采集電路，并對(duì)模糊控制下電氣電壓控制延時(shí)的估計(jì)過(guò)程進(jìn)行設(shè)計(jì)，提高控制效果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的控制器控制效果好，魯棒性強(qiáng)。

關(guān)鍵詞： 模糊控制； 電氣電壓控制器； 工作頻率因子； AD760x

中圖分類號(hào)： TN954+.2?34； TM761 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2017）24?0160?03

Abstract： As the impact load on the electrical equipment may cause the electrical voltage fluctuation， the previous equipment used for prevention of the electric voltage fluctuation has unsatisfactory use effect. Therefore， the electrical voltage adaptive controller based on fuzzy control was designed. The mathematical model of fuzzy control and virtual control channel of capacitance and inductance in electrical equipment are established. The working frequency and electrical voltage of the control channel are set to the input items of the model， and the working frequency factor is set to the output item. The multidirection conduction crystal valve is used to connect the control channel， exchange and compensate the channels electrical voltage， improve the fluctuation condition of electric voltage. The high?precision acquisition circuit of data acquisition card AD760x of the controller is introduced further. The estimation process of the electrical voltage control delay is designed on the basis of the fuzzy control to improve the control effect. The experimental results show that the designed controller has perfect control effect and strong robustness.

Keywords： fuzzy control； electrical voltage controller； working frequency factor； AD760x

0 引 言

隨著電氣設(shè)備碰撞性負(fù)載的逐漸上漲，電氣電壓開(kāi)始出現(xiàn)嚴(yán)重波動(dòng)，造成電氣設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)不穩(wěn)定，漏電、斷路現(xiàn)象時(shí)常發(fā)生。碰撞性負(fù)載的產(chǎn)生源頭是非線性用電設(shè)備在電網(wǎng)中的大量接入，為了降低碰撞性負(fù)載對(duì)電氣電壓的影響，基于交換虛擬電路、PID控制、勵(lì)磁調(diào)節(jié)、自適應(yīng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等電氣電壓自適應(yīng)控制器逐漸產(chǎn)生，目的是彌補(bǔ)電氣無(wú)用功，進(jìn)行電壓補(bǔ)償和波動(dòng)抑制[1]。這些控制器的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)效果普遍不好且設(shè)計(jì)困難，因此，結(jié)合曾經(jīng)給出的電氣電壓控制原理，揚(yáng)長(zhǎng)避短，設(shè)計(jì)一種基于模糊控制的電氣電壓自適應(yīng)控制器。

1 電氣電壓自適應(yīng)控制原理分析

非模糊控制往往無(wú)法在短時(shí)間內(nèi)描述太多復(fù)雜變量關(guān)系，縮減處理步驟又會(huì)影響控制精度，顯得適得其反。然而，模糊控制卻在復(fù)雜非線性變量控制中具有絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，主要描述一個(gè)模糊推理過(guò)程，能容納更多信息，并且信息內(nèi)容與現(xiàn)實(shí)生活具有較強(qiáng)關(guān)聯(lián)性[2]。模糊控制的基本原理可使用一個(gè)數(shù)學(xué)模型表示，如下：

式中：是動(dòng)態(tài)變量；代表求取最大值；代表目標(biāo)控制函數(shù)；代表局限條件；是等式局限；是不等式局限。在電氣電壓自適應(yīng)控制中，模糊控制數(shù)學(xué)模型中局限條件有發(fā)電機(jī)力矩、工作頻率及局部電流等。

2 基于模糊控制的電氣電壓自適應(yīng)控制器設(shè)計(jì)

2.1 控制結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

基于模糊控制的電氣電壓自適應(yīng)控制器采用自適應(yīng)補(bǔ)償法調(diào)節(jié)電氣電壓波動(dòng)情況，控制器會(huì)對(duì)電氣設(shè)備的電容和電感分別建立一個(gè)虛擬控制通路，工作頻率因子為電路碰撞性負(fù)載有關(guān)數(shù)學(xué)參數(shù)[3]，用，，分別表示工作頻率因子、工作頻率和碰撞性負(fù)載，的定義式如下：

由式（2）可知，如果電路中存在很多碰撞性負(fù)載，工作頻率因子數(shù)值將偏低。

模糊控制結(jié)構(gòu)如圖1所示，為了降低碰撞性負(fù)載，提高工作頻率因子，基于模糊控制的電氣電壓自適應(yīng)控制器將電氣設(shè)備控制通路中的工作頻率和電氣電壓作為模糊控制數(shù)學(xué)模型的輸入項(xiàng)目，工作頻率因子則為模型輸出項(xiàng)目。將輸入項(xiàng)目分配到集合，中，對(duì)兩個(gè)參量集合同時(shí)進(jìn)行模糊化，運(yùn)行模型獲得多向傳導(dǎo)晶體閥門的開(kāi)關(guān)情況，根據(jù)模糊規(guī)則對(duì)以上采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行模糊推理和解模糊。

基于模糊控制的電氣電壓自適應(yīng)控制器將同時(shí)進(jìn)行電氣電壓的自適應(yīng)控制和模糊控制，對(duì)動(dòng)態(tài)變量的動(dòng)態(tài)特性要求比較高。提高動(dòng)態(tài)特性可從兩方面入手：首先是獲得精準(zhǔn)的電氣電壓參數(shù)以及多向傳導(dǎo)晶體閥門開(kāi)關(guān)情況，其也是修正模糊規(guī)則、提高模糊推理精度的重要前提條件[4]；其次縮減控制延時(shí)，提升模糊控制自律性。

2.2 采集電路設(shè)計(jì)

按照模塊功能來(lái)分，基于模糊控制的電氣電壓自適應(yīng)控制器的硬件結(jié)構(gòu)可分為4個(gè)模塊，分別是開(kāi)采模塊、處理模塊、模糊控制模塊和交流模塊。4個(gè)模塊中，能夠獲得多向傳導(dǎo)晶體閥門開(kāi)關(guān)情況的是開(kāi)采模塊，該模塊進(jìn)行的信息采集工作是即時(shí)采集，所使用的數(shù)據(jù)采集卡是AD760x，AD760x能夠進(jìn)行多通道同步采樣，不同采集通道之間的工作進(jìn)程和數(shù)據(jù)均互不干擾，采樣精度高，計(jì)算精度高達(dá)32位，采集通道有12位，平均采集速率為200 Kb/s，自帶脈沖寬度調(diào)制信號(hào)輸出功能[5]，為模糊控制模塊提供了極大便利。圖2是AD760x的高精度采集電路圖。由圖2可知，AD760x采用5 V電源供電，芯片引腳采用可編程邏輯控制，輸入端為差分輸入，支持?jǐn)?shù)字選擇輸出。數(shù)字選擇輸出端口和數(shù)字選擇器間通過(guò)兩個(gè)電容連接，電容值一高一低，可以對(duì)信號(hào)進(jìn)行迭代輸出。在進(jìn)行高于15 V電壓數(shù)據(jù)的采集時(shí)，AD760x將進(jìn)行3次分壓，將電壓轉(zhuǎn)換成低于9 V的電壓進(jìn)行采集，增強(qiáng)了自身采集精度。

2.3 電氣電壓控制延時(shí)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)基于模糊控制的電氣自適應(yīng)控制器需要重點(diǎn)考慮控制延時(shí)，因?yàn)殡姎庠O(shè)備電壓波動(dòng)情況并不簡(jiǎn)單，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備響應(yīng)、信息挖掘、數(shù)據(jù)處理等過(guò)程會(huì)產(chǎn)生延時(shí)[6]。

圖3是模糊控制對(duì)電氣電壓控制延時(shí)的估計(jì)過(guò)程，整體來(lái)看這是一個(gè)動(dòng)態(tài)估計(jì)過(guò)程，將局限條件和延時(shí)估計(jì)值輸入估計(jì)控制器進(jìn)行動(dòng)態(tài)估計(jì)。電氣電壓被控參量普遍進(jìn)行非線性、不平滑波動(dòng)，對(duì)這些動(dòng)態(tài)變量進(jìn)行動(dòng)態(tài)線性化的原因在于穩(wěn)定參量變化波形，過(guò)濾噪音波形，得到平滑曲線[7]。

線性化的作用位置是電氣電壓的即時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)點(diǎn)，即時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)點(diǎn)與模糊控制周期有關(guān)，表示即時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)點(diǎn)并非是固定不變的。被控參量模糊化是指對(duì)電氣電壓輸出提取平衡參量，用來(lái)調(diào)整線性化輸出，提高模型對(duì)電氣電壓控制延時(shí)的估計(jì)精度。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

本文采用北京市近期出現(xiàn)電氣電壓波動(dòng)故障的電網(wǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，從中提取2 000個(gè)電氣電壓參數(shù)，控制周期和延時(shí)估計(jì)周期均為6 s，圖4是仿真實(shí)驗(yàn)電路。

仿真實(shí)驗(yàn)電路使用220 V交流電源，頻率為100 Hz。負(fù)載R2和R3都是固定負(fù)載，R4是可變負(fù)載，R2～R4均可代表非線性用電設(shè)備，R5是電氣設(shè)備阻值。實(shí)驗(yàn)中，接通固定電阻R2或調(diào)高R4阻值均可進(jìn)行電氣設(shè)備分流、分壓，提高碰撞性負(fù)載。由于電氣設(shè)備阻值不可變，基于模糊控制的電氣電壓自適應(yīng)控制器直接將控制信號(hào)作用于可變負(fù)載R4之上，通過(guò)調(diào)節(jié)R4阻值減少碰撞性負(fù)載，實(shí)現(xiàn)電氣電壓的自適應(yīng)控制。

圖5表示基于模糊控制的電氣電壓自適應(yīng)控制器的控制位移與控制時(shí)間之間的關(guān)系。由圖5可知，在未接通固定電阻R2時(shí)，由于電路中碰撞性負(fù)載不強(qiáng)，改變可變電阻R4阻值之后電氣電壓的自適應(yīng)能力逐漸變好，控制位移的波動(dòng)情況不明顯，符合電氣電壓的實(shí)際情況，控制效果好。接通固定電阻R2之后，控制位移僅產(chǎn)生一些微小波動(dòng)，魯棒性很強(qiáng)?？刂莆灰葡壬仙蟊３制椒€(wěn)，符合實(shí)際情況。

4 結(jié) 論

本文使用模糊控制數(shù)學(xué)模型對(duì)電氣電壓自適應(yīng)控制器進(jìn)行設(shè)計(jì)，從如何提高工作頻率因子入手，對(duì)控制器的控制結(jié)構(gòu)、采集電路和控制延時(shí)估計(jì)過(guò)程進(jìn)行了設(shè)計(jì)，使控制器的控制效果得到進(jìn)一步提升。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文控制器具有控制效果好和魯棒性強(qiáng)的特點(diǎn)，控制結(jié)果符合電氣電壓的真實(shí)波動(dòng)情況。

參考文獻(xiàn)

[1] 陳原，張曉明，胥志毅.基于模糊控制的自適應(yīng)幅相補(bǔ)償控制系統(tǒng)[J].現(xiàn)代雷達(dá)，2016，38（5）：54?57.

[2] 陳云，劉新妹，郭棟梁，等.基于模糊自適應(yīng)PID高精度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電機(jī)與控制應(yīng)用，2016，43（2）：13?17.

[3] 劉建秀，張楊，張段芹.壓電陶瓷精密控制系統(tǒng)的自適應(yīng)模糊控制器研究[J].壓電與聲光，2015，37（5）：806?809.

[4] 張文，張巖，褚曉東，等.基于自適應(yīng)控制時(shí)域參數(shù)的電壓協(xié)調(diào)控制[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2015（18）：37?42.

[5] 付子義，邢陽(yáng).無(wú)刷直流電機(jī)的變論域模糊自適應(yīng)控制[J].計(jì)算機(jī)仿真，2015，32（5）：336?339.

[6] 孫莉莉，李自成，雷永鋒.基于模糊自適應(yīng)PID算法的快速充電系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].自動(dòng)化與儀表，2015，30（4）：69?72.

[7] 張彥會(huì)，孟祥虎，肖婷，等.模糊PID自調(diào)整控制的鋰電池均衡研究[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2015，41（10）：123?125.

[8] 郭鵬，孫建起，劉振永，等.基于模糊聚類和自適應(yīng)神經(jīng)模糊推理的MPPT研究[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2016，39（14）：154?157.