（检测技术与自动化装置专业论文）基于llc的智能充电器的研究.pdf

摘要 摘要 随着信息技术的不断发展，智能控制作为一种控制技术在控制领域 中的运用是越来越多，而模糊控制作为智能控制的一个重要分支，在工 程实践中又有其运用优势，所以得到了越来越多的科研工作者的青睐。 本文将结合模糊控制的基本理论，论述了它在智能充电器设计中的具体 应用。 本文就是应比亚迪公司( b y d ) 的要求，以模糊控制和l l c 谐振技 术为基础，设计出的一种基于单片机的智能充电器。首先介绍了课题背 景以及模糊控制、智能充电基本理论和原理，智能充电控制技术的发展 和智能充电控制技术的软件设计及其实现，作者具体从事科研的内容。 本文理论上论述了充电模糊控制器的设计，包括信号检测、输入量 的选择和模糊推理算法，而在智能充电器的硬件设计与实现上，着重说 明了智能充电器的硬件结构和充电控制电路部分，以及在后期调试过程 中遇到的问题和相应处理办法，给出最后的输出控制波形。 当前，模糊控制技术己在智能充电器中得到了成功的应用，取得了 很好的控制效果，最后提出了智能充电器的不足和改进之处。 关键词：模糊控制，智能充电器，l l c a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p e do fi n f o r m a t i o nt e c h n o l o g y ，i n t e l l i g e n tc o n t r o li s a p p l i e dm o r ea n dm o r ew i d e l yi nc o n t r o ld o m a i na sac o n t r o lm e t h o d 。 h o w e v e rt h ef u z z yc o n t r o lt a k e st h ei n t e l l i g e n tc o n t r o la ni m p o r t a n tb r a n c h ， f u z z yc o n t r o lh a si t ss u p e r i o r i t yi nt h ee n g i n e e r i n g ，s om u c hm o r es c i e n t i f i c r e s e a r c hw o r k e r sl i k et h i sw a ya sac o n t r o lw a y t h i sp a p e rw i l lu n i f yt h e f u z z yc o n t r o la b o u ti t se l e m e n t a r yt h e o r ya n dg i v e st h es p e c if i ca p p li c a t i o n o ff u z z yc o n t r o li ni n t e l l i g e n tc h a r g e rc o n c r e t ea p p l i c a t i o n t h i sa r t i c l et a k e st h ef u z z yc o n t r o la n dl l ct h er e s o n a n tt e c h n o l o g ya s af o u n d a t i o n ，o nb i y ac o m p a n y ( b y d ) r e q u e s t ，d e s i g n e das e c t i o no fh i g h e f f i c i e n c yi n t e l l i g e n c eb a t t e r yc h a r g e r a t t h eb e g i n n i n g ，ac o n s p e c t u s i n t r o d u c e st h eb a c k g r o u n do ft h er e s e a r c ht a s k ，f u z z yc o n t r o l 、i n t e l l i g e n t c h a r g ee l e m e n t a r yt h e o r ya n dp r i n c i p l e ，t h ed e s i g na n dr e a l i z a t i o no f s o f t w a r eo f i n t e l l i g e n tc h a r g e - c o n t r o l ，t h ea u t h o ri se n g a g e di nt h es c i e n t i f i c r e s e a r c hs p e c i f i c a l l yt h ec o n t e n t t h i sa r t i c l ee l a b o r a t e dt h ec h a r g ef u z z yc o n t r o l l e r sd e s i g nt h e o r e t i c a l l y , i n c l u d i n gs i g n a ld e t e c t i o n ，i n p u tv a l u ec h o i c ea n df u z z yr e a s o n i n ga l g o r i t h m b u tw i t hr e a l i z a t i o no na n dh a r d w a r ed e s i g ni ni n t e l l i g e n tb a t t e r yc h a r g e r ， i n t r o d u c e dt h ei n t e l l i g e n tb a t t e r yc h a r g e r sh a r d w a r ea r c h i t e c t u r ea n dt h e c h a r g ec o n t r o le l e c t r i cc i r c u i tp a r te m p h a t i c a l l y a sw e l la sq u e s t i o nw h i c h a n dc o r r e s p o n d i n gm e a s u r em e e t si nt h el a t e rp e r i o dd e b u g g i n gp r o c e s s ， g i v e st h ef i n a lo u t p u tc o n t r o lp r o f i l e c u r r e n t ，t h ef u z z yc o n t r o lt e c h n o l o g yo b t a i n e dt h es u c c e s s f u l a p p l i c a t i o ni nt h ei n t e l l i g e n tb a t t e r yc h a r g e r ，o b t a i n e dt h ev e r yg o o dc o n t r o l e f f e c t ，f i n a l l y ，g i v e nd e f i c i e n c i e sa n di m p r o v e m e n t sf o rt h ei n t e l l i g e n t c h a r g e r k e y w o r d s ：f u z z yc o n t r o l ，i n t e l l i g e n tc h a r g e r , l l c 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论 文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的 研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意 识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：蚩彭 沙，年月眵曰 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解我院有关保留、使用学位论文的规定， 即：我院有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅。本人授权武汉工程大学研究生处可以将本学位论 文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密o ，在年解密后适用本授权书。 本论文属于 不保密砀。 ( 请在以上；b - 框内打“4 ) 学位论文作者签名：孝邑 力、7 年f 月舻日 指导教师签名：彻帆 誓降髟月4 日 第1 章绪论 1 1 研究背景 第1 章绪论 自从一百多年前世界上第一块电池被人类发明以来，在人们的日常 生活中可以说到此都有它的身影，我们已经离不开它了。因电池在使用 时有许多良好的表现特性，已成为各行各业不可或缺的电源产品。尤其 是近几年来，伴随着信息技术的不断快速向前发展，信息化以不可思议 的速度渗透到各个领域【l 】。电池这一传统行业也不能避免正受到前所未 有冲击，正经历着的变革，对电池提出了新的使用要求，这既是机遇也 是挑战。最近提出的新充电模式下的智能充电器就是在这样的背景下产 生的，智能充电器大多具有这样的特点：维护时方便、充电时效率高和 使用寿命长等，这些特点使它迅速成为各种电子设备充电时的第一选 择。这些变化不仅为这一传统行业带来了新的效益突破点，而且也提出 了艰巨的科研任务。纵观电池产业的发展过程，电池总体来说具有可多 次充电使用、电压稳定、价格便宜等等特点。但是我们也应看到电池本 身存在的一些缺陷，导致其在某些特定行业的应用受到了限制，特别是 对某些特定电子设备的正常工作产生了一定的影响，反过来又影响了电 池在这些行业的进一步应用【2 】。为此，本文就是针对电池在实际应用所 暴露的一些问题进行探讨，提出相应的充电器解决方案。 查阅相关资料和进行调研后的结果都表明，目前我国工程实用领域 中的电池主要存在问题的做了以下进一步的分析。首先我们知道电池由 于生产厂家的不同以及不同厂家的技术水平也有差异，从而导致了电池 的种类繁多，型号多样，即使是同类型的电池性能也有明显差异。为了 区别电池的类型，要想仅仅通过电池上的外面包装的特征来判别具体的 类型远远不够，有时很难区别。若电池外面包装的标签磨损或被人为撕 掉，这时我们更难判断其型号，我们不清楚被充电池的类型，这对我们 武汉i ：稃人学硕十学位论文 选取具体的哪种充电方式造成影响。 我们自己都有过亲身体会，电池随着使用时间的延长，性能会发生 很大的改变，即使是制造工艺相同的两块电池，都知道随着电池的使用 时间的不同，其容量和充电方式也不可能完全相同。目前国内现行的充 电器采用的充电技术大多没有考虑到这一点，一般仍采用恒流快速或慢 速充电方式。我们先比较下这2 种充电模式的特点，若充电时采用的是 恒流快速的充电方法，我们发现这样会使有些镍镉或镍氢传统电池使用 寿命缩短，主要原因是一方面由于部分电池在充电过程中的充电电流过 大，导致电池内部电极间发生化学反应而氧化；另一方面是充电时不可 避免电池内部温度的升高，使电池板间的化学物质的反应速度加剧，从 而大大缩短了电池的使用寿命。若采取慢速充电方式，由于慢速充电模 式下的充电电流过小，我们要想达到电池的充电要求，只有采取延长充 电时间的办法才能做到，很明显，采用这种充电模式的情况下，充电时 间过长导致效率不高。在上面的分析中我们知道，充电电流的大小对被 充电池的使用寿命影响不小，充电电流的不确定性导致了在充电时带有 一定得盲目性。 我们设计智能充电器的目的就是快速高效地将电池的电能转化成 化学能量并存储在电池内，以及使用时增加电池充电后的使用时间，都 对充电器提出了更高的性能要求。然而相对于电子信息技术突飞猛进的 发展速度而言，电池的开发进展作为一个世界性的难题困难重重，正是 有这些困难的存在，使开发新型充电技术很是迫切，因此开发新型的充 电技术( 具有一定智能化) ，在当前就显得意义重大，是现实生活中不 可缺少的重要组成部分。 本人所在的深圳华太电子有限公司的技术组人员长期跟踪国内外 最先进的充电控制技术，进行了广泛的理论研究，开发过多种充电方案， 积累了丰富的设计经验。我们能根据客户的具体要求，确保设计出充电 性能的稳定可靠的充电器，本次为比亚迪公司设计的充电器的指标为： ( 1 ) 输入电流：5 0 6 0 h z ； ( 2 ) a c d c 输出电压4 8 v ，a c d c 输出电流5 o a ； 第1 章绪论 ( 3 ) 恒流充电电流：4 5 a ； ( 4 ) 恒压充电电压：4 5 v a c ； ( 5 ) 环境温度一5 4 5 。 ( 6 ) 该智能充电器满足欧洲标准； 根据实际生活中使用的电池，一般意义上的不单单是电池，而是由 电池和相关器件组成的电池包，其内部集成了采样电阻，热敏电阻的电 池组合而成。智能充电器一般由集成的硬件电路部分和软件控制两大模 块组成。在给电池充电过程中，智能充电器能够检测电池各种信号信息 并处理得到当前电池电压、电流和温度的情况，并根据这些情况做出下 一步的动作。我们对智能充电器的性能有初步的了解，有利于我们后期 对其的调试过程，以期望达到客户的要求。 1 2 国内外充电技术阐述 查阅目前国内外最新期刊和充电器成品质料，不难发现现在现行的 充电方法还是常规的充电方式，常规的充电方式有恒流、恒压充电或将 两者组合起来得充电方式( 在不同时间段内采取不同的充电方式) 。虽 然每种方法都有其本身特点，但从本质上来讲，常规的充电方式都是充 电电流无法随被充电池的充电状态而做出动态自动调整的充电模式，所 以无法实现充电过程的智能化。若是与常规充电方法相比较的话，智能 化充电模式则能很好的实现了在整个充电过程中，能很好地根据电池的 充电状态，动态选择被充电池的可接受充电电流的大小，使得充电电流 能始终保持在电池能接受的最大值的附近，从而保证了电池能在理想状 态下的充电。很明显这仅仅是从理论的角度上的做出的分析，实际情况 显然不是怎么简单，我们都知道电池的充电、放电过程是一个十分复杂 的化学过程【3 】，由于收- n 夕i - 界环境温度的变化，电网电压波动，各种 噪声的影响，及电池本身的一些随使用时间的加长出现的问题等的影 响，充电效果与想象中理想效果都会产生很大的落差。我们知道，理论 上一般来说，电池的充电电流变化是随时间变化而变化的，理论上是呈 指数函数规律下降的，若是仅仅简单的采用传统充电模式充电的话，不 武汉i ：程人学硕十学位论文 可能达到与电池本身的特性完全相吻合。随着电池的使用时间的延长， 即使是两块相同工艺的电池，在使用一段时间后，其充、放电状态都会 不同，由于内外环境的影响，本身也发生了一定的变化，它们也具有截 然不同的特性。 因此对于一个有以上特点的电池( 被控制对象) ，我们很难按照常 规方法，找出它的具体数学模型，设计出一个既满足稳态又满足动态性 能充电的控制方式。根据技术组人员长期的研究和国内外充电技术的发 展现况，若我们采用模糊控制的智能充电技术，则是当前可行的方法， 这种充电技术它本身不追究对被控电池具体数学模型到底是什么，而是 依靠工作者自身的知识和经验，在电池特性参数不清楚的情况下，通过 对电池充电过程中的某几项输入值或反馈值的判断来充电电流的大小， 这正是本文的主要的设计思路。这样就能实现充电时的高效性，以达到 最佳充电效果。 智能充电器他的特点就是能很好的根据不同类型的电池，不同的充 电时间的情况下采取不同的充电模式，他能检测到电池两极简电压大小 的变化，经过处理后产生的电压偏差的信息，再经过模糊处理，输出控 制充电电流的信号，能较好的实现实时和精确地控制充电过程【4 1 。根据 电池本身物理特性，判断电池是否充满，报告给用户，同时充电器自动 进入浮充电维护状态。 智能充电器设计时一般还要考虑到有过温、超时、过压( 高压或低 压) 保护和故障检测功能，若充电过程出现异常情况，微控制器会按预 先编写好的程序对每种情况发出不同的控制信号使充电器做出相对应 的动作并产生报警信号报告给用户。另外，本文除了应用模糊控制理论 外，还有l l c 谐振技术，它主要运用在能量转换的设计中能使设计过 程更一步的简化，方便。 1 3 研究内容 本科题是以在深圳华太电子有限公司实习时参与的项目为背景，其 中不仅参与了和其他工程师一起的理论探讨，而且包括样机该如何设 第1 章绪论 计，软件的编写编译仿真，硬件p c b 板的绘制和焊接电路板的制作及 后期调试工作。在毕业设计的过程中较深入的了解了相关的模糊控制的 一些基本理论，像什么是模糊集合? 什么是模糊关系及模糊控制器如何 设计等等，并尝试如何才能地将模糊控制理论很好的运用到智能充电器 设计中去，最后取得了一定的成效。在这个项目的研发过程中，在理论 上的分析讨论和工程设计上都做了大量细致的工作，包括模糊控制器设 计、控制电路硬件设计制作、软件设计编写、控制电路软、硬件调试等 工作。本论文具体包括以下几个方面： 深入了解上面是什么是模糊控制和模糊控制的相关基础理论知识， 在此基础上设计了能应用于智能充电控制的模糊控制器。并在此控制器 上设计出具体控制算法，如何能更好的处理输入精确量的模糊化和输出 模糊量的反模糊化。l l c 谐振技术主要是设计变换器，他是能量转换中 最重要的部分，关系到充电器性能的好坏。 阐述了智能充电器软硬件原理。模糊控制器中微处理器及其他元器 件的选型，建立模糊控制器硬件结构，在此基础上设计智能充电器硬件 电路，并编写控制程序，烧入到微控制器芯片中，控制充电过程。 给出充电器硬件电路和软件的一系列调试与测试结果，判断设计的 智能充电器是否达到客户的使用要求。并分析设计的智能充电器有哪些 优点和有待解决的问题，为今后进一步的研发提供参考。 第2 章智能充电器设计中运用的基本理论 第2 章智能充电器设计中运用的基本理论 本章首先分析了模糊控制理论的发展概况，对几种常用的模糊推理 方法进行了简单讨论，进而引出模糊控制的基本原理。接着分析l l c 谐振技术以及运用到智能充电器设计中有哪些优势，最后对智能充电器 的设计思路进行叙述。 2 1 智能控制相关的基本理论 2 1 1 模糊控制的发展历程 模糊集合和模糊控制等的概念最先是由美国著名的教授扎德在其 著作中提出的畸1 。模糊控制是六十年代新兴的一门交叉式的前沿学科， 是对传统控制方式的进一步发展的新阶段，新成果，主要用于那些使用 传统的控制方法不易解决问题的地方。模糊集合是将人的判断、思维过 程用比较简单的数学形式表达出来，也就是将人类对复杂的状况做出合 乎实际的、符合人类思维习惯的理解用数学的形式直接表达出来，这与 我们通常所说的数学集合不同。到七十年代末，随着大量理论工作者的 不断努力钻研，出现了大量的理论研究成果，如模糊控制算法结构、模 糊控制规则分析、最优模糊控制概念等等。进入了八十年代，模糊理论 有了进一步的发展，模糊控制器出现了几种改进形式，像白适应模糊控 制方法、模糊史密斯预估计控制、模糊- p i d 混合控制等。这些新的控 制方法的出现为后来的理论研究和工程应用奠定了基础。九十年代一直 到目前，在将大量模糊控制技术成功应用的工程实践中，模糊控制的理 论和应用研究也进入了新阶段，新领域。在现有成果的基础上，人们又 将自动控制领域中一些已经被广为人知的成熟的理论和方法引入模糊 控制中去，建立新的理论基础，并和其他的智能控制方法相结合形成了 模糊控制的新模式。在实际应用方面得到运用的有模糊- p i d 控制、模 武汉i ：稃人学硕十学位论文 糊逻辑与遗传算法、神经网络相结合的方法等，在工程应用中获得了很 好的控制的效果。 模糊控制理论在实际工程中的运用是最近几十年才发展起来的，它 与我们的信息技术密切相关，信息技术中发展最迅猛的就是计算机，它 的产生，发展和壮大不过才数十年的时间。工程实践应用中，伴随着大 量集成芯片的出现，不仅使我们设计的过程简单了许多，而且大大缩短 了设计周期。目前的单片机内部都具有完整的控制器、运算器、存储器 等，可以看作是一种高度集成了的微型计算机系统，它不但内部含有丰 富的器件、还含有大量的外部接口，通过这些接口可以实现与其他器件 的通信。采用单片机实现模糊控制具有一定的优点，如方便，灵活等。 单片机的发展是与计算机技术的发展息息相关的，根据目前世界上充电 技术发展的趋势来看，采用单片机的充电器将是今后的主要研究方向， 它能在充电时实现一定得智能化。 2 1 2 模糊控制的理论基础 1 9 6 5 年，美国加州大学的自动控制理论专家扎德首先提出了模糊集 合理论，此后不段发展从而形成了一门新的学科模糊数学，模糊数学的 出现使人们能更好的描述模糊控制理论【6 】。在模糊数学产生以后，伴随 着模糊数学的发展出现了一种新的逻辑关系，那就是模糊逻辑，模糊逻 辑有何特点呢? 模糊逻辑与我们通常所说的以往的传统逻辑相比是不 同的逻辑理论。在传统逻辑里广为人知的就是二值逻辑，在这种逻辑中， 不是“1 就是“0 ，决无其它值，也就是通常所说的布尔逻辑。而模 糊逻辑它是一种连续性的逻辑，逻辑值可以取o ，l 之间的任何值。这 与二值逻辑明显不同。它从一开始就是一门应用性极强的逻辑学科，为 人工智能的发展提供了逻辑基础。因此，我们可以认为模糊逻辑是二值 逻辑的进一步发展的结果，二值逻辑可以看作是模糊逻辑的特例。由于 模糊逻辑具有连续性逻辑这样的特点，我们可以看出为了解决那些各种 复杂的、非线性的问题，采用模糊逻辑进行逻辑运算是一种行之有效的 方法。模糊逻辑是建立在模糊数学产生和发展的基础上的，我们要想了 望兰至塑筐壅坐墨墼盐! 垄型堕堡查里鲨 解模糊逻辑，我们要详细了解模糊数学，而提到模糊数学，我们就要知 道模糊集合和隶属函数这2 个重要概念。它们是模糊数学中最重要的两 个概念。只有很好地理解了这2 个概念才能更好地理解模糊数学，为我 们后面利用它设计控制器打下基础。 为了正确表述一些带有一定模糊性、不确定性的概念或事物，我们 知道这时候要是还采用传统的集合来描述，绝对不能很好的表达他们， 这时就要用到我们上面介绍到了的概念模糊集合来描述它们r 7 1 。这正是 模糊集合的特点，用来描述不确定的事物。模糊集合用概念性话可以简 单地表述如下：在不同程度上具有某种特定性质或特征的所有元素的总 体称为一个模糊集合。模糊集合不像普通集合那样，明确的指出某个元 素是否属于该集合，它只能指出集合中个体元素属于这个集合的程度。 隶属函数是模糊数学另一个重要的概念。我们假定论域u 的子集a 的 特征函数死( x ) = 拈i ，取值“o ”、“l 的情况改为对闭区间 o ，1 】取值， 则特征函数就可以取o - n 1 2 _ 间的无穷多个值【8 】，从而得到了描述模糊集合 的特征函数一隶属函数。隶属度是隶属函数的值，隶属度是被称为用来描 述一个元素属于一个模糊集合的程度。为了能够更好地说明具有模糊性 事物的归属性，隶属函数用概念性语言描述如下：描述模糊集合，并在 o ， 1 闭区间可以连续取值的特征函数叫做隶属函数。隶属函数用j ( x ) 表 示，其中x 是彳的元素，而彳表示模糊集合。隶属函数满足：0 ：( 工) 1 。 有了隶属函数之后，人们就可以把某个元素对模糊集合的归属程度恰当 地表示出来，反映客观世界事物的不确定性。 模糊关系是针对于模糊集合而言的，这种模糊关系表示了某种程度 上的近似关系。模糊关系可以用语言归纳定义为：以集合彳和b 的直积 a xb = ( 口，b ) i a a ，b b 为论域的一个模糊子集辰，称为集合彳到b 的模糊 关系。如果( 口，6 ) a xb ，则称尼( 口，6 ) 为( a ，6 ) 具有关系r 的程度，眉( n ，6 ) 也 可简化为克( 口，6 ) 。同理，对于模糊集合彳和否的直积彳否，其中的子集辰 称为彳到百的模糊关系。模糊集合彳和否的直积所产生的模糊关系 j i i = 彳每在模糊控制中是十分有用的。在对一个被控制的系统进行分析计 算，总结被控制系统的经验时，我们往往可以知道一方面我们可以知道 武汉i ：程人学硕十学位论文 输入的模糊集j 中的各个元素及它们的隶属度；另方面我们也可以知道 输出的模糊集豆中的各个元素及它们的隶属度。这样，只要我们知道他们 之间的足：彳否模糊关系，并求出关系趸= a b ，并且以模糊关系j i i 作为 控制规则，则对系统输入一个模糊量a 时，通过模糊关系反运算就可以 求出对应的输出量曰+ 。 模糊推理是建立在模糊逻辑基础之上的一种推理方法，模糊推理是 由己知得模糊命题，推断出新的模糊命题作为结论的过程。上面的模糊 集合、隶属函数、模糊关系、模糊逻辑和模糊推理构成了模糊理论的基 础框架，也是模糊控制理论的基础框架。近年来，随着信息技术的不断 发展，对模糊控制理论的研究已成为许多科技工作者研究的重点。越来 越多的模糊理论被应用到工程实践中去的同时，也在实践中也推动了模 糊理论的不断向前发展。 2 ，1 3 智能充电器模糊设计及其实现 2 。1 3 1 模糊控制简单介绍 通过前面的分析，知道了模糊控制它的基本特点，和传统的控制方 式相比较我们知道模糊控制和传统控制有着本质上的区别，模糊控制是 在模糊控制理论的基础上建立起来的 9 1 。被控对象多是不可控、不能预 见的情况，我们不能像传统控制那样方便建立数学模型，而只能根据工 作者的个人经验设置参数。对于一个具体的系统而言，模糊控制就体现 在模糊控制器的设计上，它的表现形式就要具体到它的控制器的类型 上。不难发现一个运用模糊控制理论的系统是一个由被控对象、控制器、 检测和反馈部件组成的自动控制系统。这样看来模糊控制器在模糊控制 中起举足轻重的作用。图2 1 给出了模糊控制系统构框图。 首先，模糊控制器要能和外界环境中进行信号信息交换，这就存在 要将环境中的信息转换成控制器能识别的模糊量的问题。再次，模糊控 制器的输出量是想要控制被控对象的，这时必须将模糊量转换为外界能 第2 章智能充电器设计中运j j 的基本理论 够识别的信号信息。 _ 辽卜主h 模糊 ；模糊控制器 2 1 模糊控制系统结构框图 2 1 3 2 模糊控制器的基本结构和基本算法 如何做才能很好地将模糊控制理论运用到实际的工程设计中去? 这是许多研发者都要面对、思考的问题，通过工程实践表明：要想在系 统中实现模糊控制，关键还是在于模糊控制器的设计和实现上，换句话 也就是说，模糊控制的在工程应用中的实现是通过控制器来实现模糊控 制的。控制器的设计源自工作实践，与人类在生产实践中对被控对象的 了解程度有很大的关系【lo 】。 准 确 准 确 图2 2 模糊控制器的结构框图 图2 2 是目前最常见的一种基于单片机组成的模糊控制器结构，它 主要包括模糊化单元、逻辑决策、知识库和反模糊化单元四个部分f 1 1 1 。 我们都知道被控制对象的状态都是准确量，模糊控制器要想接收这 些信息，必须把被控制对象有关状态的准确量转换为相应的模糊量，才 能被我们的模糊控制器所接收识别并处理。这就要求模糊化单元要具有 武汉i ：科人学硕l ：学位论文 这样的功能：能应完成将检n - n 输入量的准确量，按照某种标准处理， 把输入量的范围变换到相应的论域范围，以便微控制器进行模糊化处 理，把输入的数据转变成恰当的语言值( 具体运用中，我们采用的是c 语言) ，这就是模糊量；逻辑决策是模糊控制器相互区别的关键部分， 它的功能是模糊控制器的实现模糊控制的核心，它主要有模拟人类的针 对一定的问题做出决策的能力，这种决策方式就是逻辑决策。逻辑决策 是基于模糊概念和模糊控制建立起来的；知识库在实质上就是系统所使 用的模糊量的集合。知识库般由数据库和语言控制规则库组成，把已 知的模糊控制的知识库存储在微控制器内部；反模糊单元的作用是把模 糊控制器执行决策后产生的模糊控制量转换成合适的准确控制量。反模 糊单元主要完成按照某种标度处理把输出量的范围转换到相应的论域 范围，紧接着把模糊控制器输出的模糊控制量转换成准确控制量。 由于模糊控制理论的大量运用，实践中出现了多种模糊控制器，下 面就简单的介绍下复合模糊控制器和变结构模糊控制器的特点【陀】。 复合模糊控制器主要结构特点就是将模糊控制器和传统控制器组 合起来，虽然模糊控制器可以实现对系统的非线性的智能控制，但是存 在静态误差并且容易在语言值偏差e 的零值时产生振荡。传统控制器则 可以克服当偏差e 趋于零时，模糊控制器可能产生的振荡及静态误差。 因此，由一个模糊控制器和一个比例积分传统控制器构成复合模糊控制 器。 复合模糊控制器 b u l 定输入量r e 模糊控制器 - 输出1 被控对象 + p i 传统控制器 eu 2 图2 3 复合模糊控制器框图 从图2 3 中不难发现，在复合模糊控制器中，由两个相互独立的模 糊控制器和传统控制器构成。当系统的偏差超过模糊变量值的零档时， 笙兰垩塑墼銮生墨墼生! 垄型墼堡查望堡 采用模糊控制器；当系统的偏差为模糊变量值的零档时，采用传统控制 器。因此，在精度低时模糊控制器起作用，精度高时传统控制器起作用。 在两利，控制器之间转换的瞬间，两个控制器所得到输出控制信号有可能 相差较大，这样对控制系统产生较大的影响。所以，在控制器转换瞬间 需要采取妥善措施。 变结构模糊控制器的结构由两个或两个以上的模糊控制器组合而 成，每个模糊控制器都有特定的控制规则和参数，不同于其他的控制器， 每两个控制器之问都不同。图2 4 给出的是两个模糊控制器的变结构模 糊控制器模型。 变结构模糊控制器 u l 翩入量r 。扁压 模糊控制器1 输出y u 2 被控对象 + 。- u i模糊控制器2 il o - 口 b 图2 4 变结构模糊控制器框图 在图2 4 中，由于每个模糊控制器都是与系统的某种特定状态相对 的，图中的两个模糊控制器不会在同一时刻工作，这就对系统的控制提 供了更多的便利。但变结构模糊控制器也存在缺点，如结构较为简单， 用到模糊控制器数量较多，也存在模糊控制器之间切换问题，但在实际 工程中也得到大量的运用。 控制算法是模糊控制器设计中的重中之重，在模糊控制的执行过程 中，控制器中必须以一定的算法才能实现，这些算法就是解决由输入如 何得到输出的。对于同一个被控制对象，若我们采用不同的控制算法， 得到的结果差异会很大【1 3 】。扎德教授提出的经典的模糊控制算法推理合 成方法，该方法用模糊关系的合成运算给出一种近似推理的方法，常用 的推理方法有解析公式法、查表法、关系矩阵法、查表法等，下面将分 别介绍这几种方法的利弊。 武汉i ：稃人学硕十学位论文 在解析公式法中，要在控制器中预先计算好误差e 、误差变化e c 及 控制量u 的论域。控制规则表达式表示如下： u = a e + ( 1 a ) e ca 【o ，1 】( 1 1 ) 式中a 称为修正因子或加权因子。 如何采用很好等模仿人的思维习惯? 使控制器的输出特性更贴近 人的手工操作的特点。我们可以具体通过改变口的大小，进而改变误差e 和误差变化e c 的不同修正程度，期望能达到手工操作的效果。图2 5 是对一个二阶系统不同口值时的响应曲线。在实际的控制系统中，a 要 如何选取呢? 口的取值不易过大也不易过小。因为过大时可能产生超调， 拖长了调整时间；过小时，不会产生超调，但响应过程可能较慢。口的 取值要根据被控对象的特征选取，不能顺便取值。一般遵循的规则是： 当被控对象是低阶控制系统时，a 应取大于o 5 的值，即误差的加权值 大于误差变化的加权值；当被控对象是高阶控制系统时，a 应取小于o 5 的值，此时误差的加权值小于误差变化的加权值。 图2 5 口值对控制性能的影响 根据实际控制系统的性能要求，通过实时调整口值的大小就能获得 满意的控制效果。缺点也是显而易见，需要我们多次调整修正因子口的 值，才能找到一个相对较好的控制效果，计算比较复杂。 关系矩阵法适合用在实时性要求的不高的系统里，但实际的工程运 用中实时性都有一定得要求，这就使得这种算法实际工程应用中受到限 制，它只能作为一种理论上的算法，理论上的分析。举一个简单的例子， 1 4 第2 章智能充i 毡器设计中运用的基本理论 若控制规则为： f p = a f a n d a e = b ，t h e n = c u ( 1 2 ) 其中：i = 1 ，2 ，m ；j = l ，2 n ；p 是偏差；a e 是偏差变化率；是控制量； 4b ，g 分别是它们相应的模糊量。则有模糊关系矩阵r ： f = n ，= ，打 月( 口，b ，c ) = u 爿，( 口) n 口，( 6 ) n c 。( c ) f = l ，= 1 v a 彳，v b b ，v c c ( 1 - 3 ) 其中：a ，b ，c 分别是e ，a e 、的论域。 对于特定的输入精确量a ，b 有输出量： 以( c ) = u 纵( 口) n ( 6 + ) n 詹( 口，b ，c ) ( 1 4 ) 对输出模糊量进行反模糊化可以得到精确控制。显然每当有输 入a 和b 时，都可以按照式1 4 求解输出模糊量，并进行反模糊化计 算c 。缺点是r 一个模糊矩阵，式1 4 在执行过程中不可能产生良好的 实时性。 查表法的特点是该算法利用事先建好一个控制表格，这个表格必需 能满足对于任何一个输入量，在表中都能找到与之相对应的唯一一个输 出，既不同的输入要有不同的输出与之一一对应，这种算法要我们必须 将系统所有可能的输入量以及与之相匹配对应的输出量列出来，造成了 表格的篇幅过大，表格一旦制成，修改起来比较麻烦，实时性较差。查 表控制法的输入输出一一对应关系，要求输入量是要分离的，即只有输 入是离散的才能够在表格找到其对应的输出。因此，在实际应用中，需 要对的输入量先经过量化，使连续的论域离散化，量化的过程可以是均 匀量化的也可以是非均匀量化的，然后根据量化后的论域制控制表格。 在分析了以上几种基本的算法后。在我们想进行智能充电器的模糊 控制算法设计时，因为一方面要考虑到智能充电器的技术条件的要求限 制，另一方又要体现智能充电器的技术优势，因此我们对控制输出量的 精度做了更高的要求。我们设计时首先要保证的就是智能充电器与电池 武汉j f ：程入学硕十学位论文 的安全可靠。通过前面的分析，我们最后采用查表法作为智能充电器的 模糊控制算法。使用套表法需要内存较大的微控制器，所以我们采用了 大存储容量的微控制器，可以解决使用查表法所带来微处理器内存不足 的问题。虽然我们在设计上选择使用了查表法作为模糊控制算法，前面 分析我们知道查表法有表格修改不易，结构单一，灵活性差的缺点。为 了克服了这些缺点，我们在设计时做了进一步的优化改进，基本克服了 这这些困难。采取的措施就是我们在模糊控制器硬件设计时，在微控制 器j , t , ：d l ：i 入了一片可擦除芯片，将模糊控制表格中的数据存储于这个芯片 中。每次使用时，微控制器都先调用这个芯片中存贮的数据，再放到微 控制器内部存储器中。这样设计不仅利用了外部芯片存储器读写方便的 特点，方便我们修改模糊控制器表格中的内容，而且满足了查表法实时 性强的特点。 2 1 3 3 模糊控制器的设计 模糊控制是否能在实际工程实践中得到运用，关键还是要看控制器 的设计，它的设计好坏关系到模糊控制的性能【1 4 1 。目前，模糊控制器的 设计已经有了一套非常完善方案，主要是解决以下几个方面的问题：首 先是如何将准确量进行模糊化，并把准确值转化为适当论域上的模糊子 集；再次就是模糊控制算法的选取，找到合适的控制算法后通过模糊控 制条件语句生成模糊控制规则，并计算由它决定的模糊关系，最后就是如 何将输出信息的模糊量转变到准确量。 在模糊控制中，相关的量我们不能用准确的物理量来表示，而用模 糊的语言来描述。例如对于重量，模糊控制中不采用8 0 k g ，1 5 0 9 ，2 0 t 等物理量，而是用“重”、“轻”、“沉”这类语言表示。这类语言本身就 具有一定得模糊性，实质上就是模糊量。因此，在模糊处理前，有必要 对检测到输入的准确物理量在模糊处理前对其模糊化，将其转换为语言 量。这个过程中具体需要进行的就是论域的量化和模糊。 众所周知，在实际的控制系统中，被控对象状态变化是随着时间连 第2 章智能充电器设t l 。中运川的基本理论 续变化的，系统给定值因各种因素也是连续变化的。这样进入到模糊控 制器输入端的输入量也必然是连续变化的。但模糊控制器由微处理器构 成，它只能处理离散量。因此模糊控制器输入的量必需是离散模糊量， 即论域是离散的，不然模糊控制器不能正常工作。量化就是把连续论域 进行离散化的过程。连续的论域经过量化后就成为一个离散论域。 量化就是离散化的过程，他的一般方法就是假设有一连续论域 【口，6 】，而量化之后的离散论域为( 一n ，一n + l ，0 ，n 1 ，n ) ，也就是说将 连续论域划分为2 n 段，则存在系数q ： 2 刀 g2 一b - a ( 1 5 ) 弋1 ) ， 如果在连续论域【口，6 】中有个值v ，并且有a v b ，则在离散论域 ( n ，一n + l ，0 ，n 1 ，n ) 中可以找到元素w 与之对应： j ，t w = q ( v 一= ) w ( 一力，一力+ l ，o ，刀一1 ，以) ( 1 6 ) 对所得数据进行四舍五入后就可得到相应离散论域。 而在模糊控制中，离散论域的元素个数一般取6 1 7 个。取的元素 不易过多或过少，过多的话，对隶属函数进行关系运算时所用到的单点 过多，导致运算量大，过于复杂；太少的话，离散论域量的隶属函数的 表达不够精确，不能很好的反映实际情况。在量化过程中，把一个连续 论域量化成一个离散论域，则离散论域中的元素个数也称量化级数，所 以说离散论域的元素个数的选取与量化有关【b 】。 从量化级数一般含义看以看出，在一个连续论域量化的时候，量化 级数应满足：量化级数应足够多，这样的话才能更符合隶属函数的数学 描述；量化级数应足够少，以节省本就不多的存储资源。量化级数的选 取到底是多少，还与用户对系统的灵敏度要求有关。量化级数越少的时 候控制就会越灵敏，但控制过程也越粗糙。当量化级数多至无穷时，就 成了连续论域。虽然有量化过程，且模糊控制器具有离散性质，这时系 统状态对变量的小突变不敏感，基本上不会有任何动作发出。总体来说， 1 7 武汉，i ：稃人学硕+ 学位论文 量化级数的多少对控制灵敏度有影响。 在模糊控制理论中，不论是输入论域，还是输出论域，都要取恰当 的模糊量。在模糊控制中，对误差及其变化率以及控制量的变化也常用 “大”、“中”、“小 3 个等级的模糊概念。考虑到变量的极性有正、有 负，一般在设计模糊控制器时，人们对于误差、误差变化率和控制量的 变化等语言变量，常用“正大”( p b ) ，“正中 ( p m ) ，“正小 ( p s ) ， “零 ( o ) ，“负小”( n s ) ，“负中 ( n m ) 和“负大”( n b ) 这7 个语 言变量来描述【蚓。一股来说，每个语言变量宜选用3 15 个值，最常用 的是p b ，p m ，p s ，z ，n s ，n m ，n b 等7 个值。这样，就构成7 个语 言变量值( p b ，p m ，ps ，z ，n s ，n m ，n b ) 的标准模式。 隶属函数( x ) 是用来在语言变量论域上描述模糊子集的，隶属函数 ( x ) 可以通过研发工作者个人的经验或采用模糊统计的方法来确定。其 中上面采用的论域是 - 6 ，一5 ，4 ，3 ，一2 ，1 ，0 ，+ l ，+ 2 ，+ 3 ，+ 4 ，+ 5 ，+ 6 l ， 在其上定义的7 个语言变量值：p b ，p m ，p s ，z ，n s ，n m ，n b 的模糊 子集当中，具有最大隶属度“l 的元素为： 册( 工) = 1 x = + 6 , u p m ( x ) = 1 x = “ u p s ( 工) = 1 x = + 2 风( 功= 1 x = 0( 1 7 ) 鹏( x ) = 1 x = - 2 , u n m i x ) = 1 x = 4 朋( x ) = 1 x = 一6 模糊控制在实际