（电力电子与电力传动专业论文）基于模糊控制的智能化充电电源.pdf

华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to f p o r t a b l ed e v i c e s s t o r a g eb a t t e r yw i l lb ew i d e l yu s e d i n m a n ys i t u a t i o n s h o w e v e r , t h ed e v e l o p m e n to fb a t t e r y i ss l o wc o m p e dw i t ht h e d e v e l o p m e n t o fe l e c t r o n i cd e v i c e sa n dt h e nt h ed e v e l o p m e n to fh i g hq u a l i t yc h a r g e ri s v e r yi m p o r t a n t i n p r e s e n t t h ef u z z yl o g i cc o n t r o lo f c h a r g i n gc u r r e n ti sp r o p o s e d c o m p a r e dw i t hr e g u l a r m e t h o d so fc h a r g i n g ，t h ec h a r g i n gc u r r e n ti sv a r i e dw i t ht h es t a t eo fc h a r g i n ga n d o p t i m u mc h a r g i n g i sr e a l i z e da n dt h es a f e t yo f c h a r g i n gi sg u a r a n t e e da tt h es a 础t i m e t h em a t h e m a t i c a lm o d e lo ft h ev s ci s a n a l y z e d t h i st h e s i sf o c u s e so nt h e c u r r e n tc o n l z o lm o d eo fv s c t h ei n h e r e n t c o m p a t i b i l i t y b e t w e e ns p w ma n d s v p w mi sa n a l y z e d ，t h et h r e e - c i r c l ec o n t r o ls y s t e mi sp r o p o s e da n dt h ee m u l a t i o n w a v e sa r es h o w e d a c h a r g m g t e s td e v i c eb a s e do n8 0 c 1 9 6 k cw a s d e s i g n e d i tc a n b ew o r k e du n d e r f o u rm o d e s ：c o n s t a n t = c u r r e n t c h a r z i n gm o d e ，t w o - s t a g ec h a i g i n gm o d e ， c o n s t a n t v o l t a g em o d ea n d 购l o g i cc o n t r o lm o d e n sm a i nf u n c t i o n sa r er e a l i z e d b ys o r w a r e 卫地t e s tr e s u l ts h o w e dt h ea d v a n t a g eo f f u z z y l o g i cc o n t r o lm o d e a n dt h i s d e v i c eh a sm e tt h e r e q u i r e m e n t o f t h e d e s i g n k e y w o r d s ：s t o r a g eb a t t e r y c h a r g i n gf u z z yl o g i cc o n t r o l 8 0 c 1 9 6 k c 华中科技大学硕士学位论文 1 1 课题背景 1 概论 自从世界上第一块铅酸蓄电池发明以来，至今已有一百多年的历史，目前广 泛应用的铅酸蓄电池、镍镉电池、镍氢电池和锂离子电池都在不断的改进，近年 来镍氢电池和锂离子电池由于其优良的充放电性能而逐渐取代镍铬电池，而铅酸 蓄电池由于具有价格低廉、供电可靠、供电电压稳定等优点而广泛的用于通信、 交通、铁路、电力、石油、国防、工农业等生产部门。尽管如此，由于它们本身 固有的缺陷，使其在某些新兴领域还难以得到应用，反过来又限制了新型工具器 械的发展，这里所谓的缺陷主要是指两个方面：从蓄电池的电化学特性上来看， 其能量比低是一个致命的缺陷l l 】，一般铅酸蓄电池的比能量是5 0 w h k g ，镍氢电 池是7 0 w h k g ，就连目前最先进的锂离子电池也最多只能达到1 3 ( h c a k g 的水平， 而相比之下，同样作为驱动能源的汽油则为1 2 0 0 0 w h k g ，它是最好的电池的几十 倍，甚至上百倍。专家预测到2 1 世纪中期化学能源的能量指标才会有较大幅度的 提高，通用二次电池的比能量将达到4 0 0 w t e k g 。到那时，各种便携式电器的功 能将会进一步增强，电动汽车的通用化将成为可能。从蓄电池的充放电特性上 来看，由于蓄电池的充放电过程是一个在外加电压下的复杂的化学反应的过程， 充电质量的好坏直接影响到电池的效率和使用寿命。传统的充电技术存在充电效 率低、充电速度慢、对电池适应性差等诸多缺点，其结果往往会使蓄电池析气严 重，大大的缩短了蓄电池的使用寿命，因此发展新型的高能量比电池和开发新型 智能化充电技术成为当今能源领域的研究热点，两者相辅相成。然而相对于当今 电子、信息技术的迅猛发展而言，高性能蓄电池作为一个世界性的难题进展十分 缓慢，因此发展高性能的智能化充电技术在现阶段就显得尤为重要。 电力电子技术使7 0 年代逐渐发展起来的一门边缘学科。它是解决当今能源危 机的一门重要的学科，如果说现代社会的微电子技术解决的中心问题是信息流的 变换和处理，那么电力电子解决的中心问题是能量流的变换和处理。并且，电力 电子技术与微电子技术的结合已经成为当今技术发展的主流，物质生产可以归结 为把能源流作用于物料流，得到所需要的形状、尺寸和性质。现代的物质生产是 物料流、能源流和信息流的汇合，而电力电子正位于这三流汇合处，具体体现为 华中科技大学硕士学位论文 “信息控制、能量控制、生产机械的接口。电力电子技术已经广泛的用于电机调 速、电力变换装置、绿色新能源开发以及电力系统等各个领域，而蓄电池充电电 源这可以归结为电力变换装置这一块，但是由于它的负载为蓄电池，这就使得它 相对于普通的开关电源来说有其特殊性。目前国内使用的蓄电池充电设备大多采 用自耦变压器和晶闸管为主电路，它工作于工频下，所以不管是充电效率还是充 电质量都不能令人满意，并且它作为一个非线性负载，将会在电网中引入畸变电 流，而这种畸变电流反过来又引起系统电压波形畸变，这些都是目前新型充电装 置要着手解决的问题。 电力电子用于蓄电池充电似乎成为必然。充电电源作为一种特殊的电源与一 般的直流电源的差别在于，直流开关电源的主要特性是保证其输出的电压恒定， 抑制扰动。而充电电源的输出电压要随着蓄电池的充电状态的改变而改变，从而 改变充电电流的大小，这一点将在以后的相关章节里面详述。充电电源的研究作 者认为主要涉及到两个问题：从负载这个角度来看，蓄电池作为一个特殊的负 载，有其特殊的电化学特性，如何找到一个优化的、智能化的充电模式是一个需 要解决的首要问题，这就需要对蓄电池的充、放电特性作广泛、深入的研究。 从充电电源这个主电路来看，它的主要目的是对它的负载即蓄电池提供一个电压， 从而产生一个充电电流，这个充电电流大小的就是由前一个问题决定的。这就涉 及倒对电源的拓扑结构、数学模型、控制系统结构和参数的研究。以上两个问题 就是作者思路的出发点，下面将对国内外有关于两个方面的研究作一下总结与回 顾。 1 2 常规充电模式和智能化充电模式 1 2 1 常规充电模式阳1 ( 1 ) 恒流充电：它是目前广泛使用的一种充电模式，主要适合于活化充电。 优点：能对电池组中的落后电池完全充电，消除电池电压对不平衡。 缺点：充电时间很长，析气严重，能耗高，对电池的损伤较大。 ( 2 ) 恒压充电：对每一个电池以恒压充电，一般用于电池中途的补给充电。 优点：由于充电终期只有很小的电流流过，所以析气量小，能耗低。 缺点：由于充电初期充电电流过大，容易对电池极板造成冲击，而损伤电池。 ( 3 ) 快速充电：对电池用一个大的脉冲电流充电。它的原理基于马斯三定律， 可以使电池的充电时间缩短倒常规时间的1 5 i i o ，一般用于紧急充电 2 华中科技大学硕士学位论文 ( e m e r g e n c y u s e ) 。 优点：既大大的缩短了充电时间，又不产生大量气体和热量。 缺点：能量转化效率低，出气率较高，对电池损害还是较大。 ( 4 ) 两阶段式充电：在充电初期以一个较大的恒流值充电，当蓄电池端电压 达到一定程度时而开始出现析气时，马上转入恒压充电阶段，充电电流随之减少， 直至结束。 优点：这是一种较好的充电方式。充电初期保证了蓄电池在无析气的情况下 以一个较快速的方式充电，而充电末期，随着电池的端电压上升而自动限流充电， 安全可靠，省时节能。 缺点：本质上来说，它仍然是一种充电电流无法随蓄电池充电状态自动调节 的单一模式充电方法，所以就仍然无法实现充电过程的最优化。 1 2 2 智能化充电模式 4 1 相对于常规充电模式而言，智能化充电模式实现了在整个充电过程当中，根 据蓄电池的充电状态而动态的跟踪蓄电池的可接受充电电流，使得实际充电电流 始终保持在可接受充电电流附近，从而保证蓄电池几乎在无析气的状态下充电， 延长了蓄电池的使用寿命。该方法适用于对各种类型的、处于各种状态的电池充 电，安全可靠，省时而且节能。根据国外有关文献，目前智能化充电模式的研究 主要有如下两个方向： 1 ) 基于电池荷电状态( s t a t eo f c h a r g e ) 检测的智能化充电模式： 常规的充电技术之所以存在诸多缺陷，归根结底是因为它们都没有一套检测 电池荷电状态的机制，蓄电池的充电状态得不到反馈，从而无法实现充电电流的 调节与蓄电池的需要相适应，因此就谈不上充电过程的最优化，准确可靠的获得 工作蓄电池的荷电状态是一个智能充电系统的首要任务，它不仅在被充电的时候 为充电电流的选择提供了依据，在放电工作的时候，也为使用者提供了重要的信 息，比如说电动汽车上的蓄电池的荷电姿态就可以预测电动汽车的续驶里程，同 时可以根据各个电池的s o c 值，识别电池组中各个电池的性能差异，并依此进行 均衡充电，以保持电池性能的均匀性，最终达到延长电池寿命的目的，目前s o c 值的确定主要有如下几种方法： ( 1 ) 测量电解液密度：电液密度与电池的荷电状态( s o c ) 密切相关( 在恒 定盼充放电条件下) ，但是需要一个相当长的稳定期才能进行测量，因此无法进行 动态测试，并且对于密封式电池根本就无法应用。 ( 2 ) 测量电池开路端电5 - 这是一种比较精确的方法，因为开路端电压与电 华中科技大学硕士学位论文 解液密度呈线性关系，它的值不依赖于电池的环境温度和使用的历史状况，但同 样需要一个相当长的稳定时间，因此也无法实现动态测量a ( 3 ) 库仑检测：又称安培积分法，其基本思想是将不同电流下的充、( 放) 电 流等效为某个特定电流下的充( 放) 电电量，其核心是p a r k e r t 方程。这里用到了 一个加权系数m ，它可以通过实验结合p a r k e r t 方程给出，经折合后的充( 放) 电 电量公式如下： q ，( r ) = f ，i - d t ， ( i 0 ，为放电系数：i s 0 ，c o t 为充电系数) 其中：q ，为以电流i 充( 放) 电时的电池容量( a h ) ，r 为充( 放) 电的时间。 这种方法的主要问题是：自放电问题无法计算在内；充( 放) 电效率没 有考虑：积分公式中的修正系数，值会随多种因素变化而变化，很难得到精确 的值，并随着时间的积累，误差会越来越大：事先必须知道电池的起始容量。 ( 4 ) 测量电池在线端电压：在充( 放) 电电流为恒值的情况下，在线端电压 和电液密度也是呈线性关系。 ( 5 ) 带开路电压测量的库仑检测法： q ( t r ) = q ( f o ) l f o ) d t 其中：q ( f ，) 为电池在f ，时刻的容量；q ( t o ) 为电池的起始容量；i ( t ) 为充( 放) 电电流，其中q 饥) 可以通过测量电池的开路端电压给出。 具体的运算由微机完成：q ( k r ) = q ( o ) + i ( k t ) t ， 丽 该式实现了电池充( 放) 电容量的实时计算。 ( 6 ) 递推法： 首先要建立一个电池基于电压与电流关系的模型： v ( k t ) = a o q ( k t ) + a i q ( k t ) i ( k t ) 其中p ( k r ) 为时刻灯时的电池电压估计值， a o 、a 为电池的特征参数，由电池产家给出或凭经验给出。 于是：误差电压e ( k t ) = v ( k t ) 一p ( k z 3 _ 电池容量为q ( 七d = k p e ( k t ) + k ，e ( k r ) t ，将它代入前式，形成循环，直至 q 值不变为止，从而得到q 的最终值，其运算框图如下： 4 华中科技大学硕士学位论文 v ( k t ) 图1 1 递推法运算框图 q ( k t ) 通过该文作者给出的实验对比曲线看出，这种算法得出了比较满意的结果。 2 ) 基于模糊控制的智能化充电模式【i 副 理论和实践研究证明：蓄电池的充、放电过程是一个十分复杂的电化学过程， 它具有以下特点： ( 1 ) 多变量：影响充电效果的因素很多，诸如电解液浓度，极板活性物质的 浓度，环境温度等变量的不同，都会使充电效果产生很大差异。 ( 2 ) 非线性：一般来说，电池的可接受充电电流随时间呈指数规律下降，不 可以简单的采用恒压或恒流方式充电，上面所介绍的两阶段充电法实质就是一种 简单的跟踪电池可接受充电电流曲线的充电方法。 ( 3 ) 离散性：随着放电状态，使用和保存的历史不同，即使是两块相同工艺 的电池也具有不同的充电特性。 因此，对于这样一个非线性，多变量，强耦合的控制对象，很难按照一般的 思维从它的数学模型出发，设计一个稳态和动态性能合乎要求的控制器，于是采 用模糊控制的智能充电技术应运而生，它抛开对电池模型的研究，依据技术人员 的知识和经验在不知道或有限知道电池特性参数的情况下，通过对电池充电过程 中的某几项输入或反馈值的判断来决定充电电流的大小，从而实现高效无损伤的 充电过程。 1 3 充电电源主电路结构5 】 从原理上来讲，任何一个电源都可以用作充电电源，只要它能够输出一个恒 定的电压。如果按照相数来分有单相和三相之分，按照开关频率来分有工频和高 华中科技大学硕士学位论文 频之分。这里主要是针对用于工业的三相充电电源。根据目前的应用情况，三相 充电电源主电路主要有如下几种拓扑结构： 一 1 ) 三相相控整流电源 它的三相桥臂是由构成，晶闸管作为一个半控元件，它工作于工频下，因此 它的缺点是显而易见的： ( 1 ) 交流测变压器和直流测电容体积庞大，造成整个系统笨重，价格高昂： ( 2 ) 由于无法对输入电流整形，因此功率因素很低，对电网产生大量的谐波 干扰； ( 3 ) 虽然可以逆交用来对蓄电池放电操作，但是容易发生逆变颠覆的危险。 2 ) 三相不控整流带一级功率因素校正的整流电源 它的前级是一个三相不控整流桥，然后加一级功率因素校正( p f c ) 环节， 该环节对输入电流进行整形，使电流的变化与输入电压的变化同步，从而得到了 很高的功率因数，降低了对电网的谐波干扰。它也有其缺点： ( 1 ) 能量只能够单向流动； ( 2 ) 它工作于断续导通模式( d c m ) ，因此三相电流不连续，谐波较大。 ( 3 ) 燕个电路只使用了一个开关器件，虽然拓扑结构简单，但是没有针对三 相耦合的特殊问题，三相电流整体控制效果不太理想。 v a v b v c 图1 2 三相不控整流带一级p f c 电路 3 ) 三相全桥整流电源嘲 这种电路拓扑结构总共使用6 个全可控的开关器件，虽然硬件成本有所增加， 但是其优势是显而易见的： ( 1 ) 由于是三相全可控的，能量可以双向流动，并且也是可控的； 6 华中科技大学硕士学位论文 ( 2 ) 它的三相电流全部可控，这就为三相的解耦创造了条件； ( 3 ) 功率因素可以做到近似为1 ，输入端电流为良好的正弦： 图1 3 三相全可控直流电源 1 4 课题的基本要求及主要工作 1 ) 课题的基本要求 对于智能充电器这样一个课题，其基本要求可以简单的用一句话来概括：根 据蓄电池的充电特性来找到一种最佳的充电方式，并且用合适的电力电子装置来 实现它。前半句话是针对蓄电池特性的研究，后半句话是针对电力电子装置的研 究。这里的最佳充电方式主要是针对充电电流，最佳的充电方式就是最佳的充电 电流的选取。 2 ) 本人的主要工作 ( 1 ) 课题前期通过阅读大量相关文献对蓄电池的充电特性和三相全桥变 换器( v s c ) 的电流跟踪特性建立了一个比较深刻的认识，为后续研究打下了理 论基础 ( 2 ) 针对三相全桥变换器( v s c ) 的电流控制模式，结合电压统调理论，揭 示了三角载波p w m ( s p w m ) 和空间矢量p w m ( s ，w m ) 的内在统一性，从 一个全新的思路解决了电流跟踪问题 ( 3 ) 提出了针对充电的模糊控制模式，从模糊控制的角度分析了模糊变量的 选取、模糊规则的确定、模糊控制算法的实现等相关问题。 ( 4 ) 对三相充电电源的三环控制系统进行了理论分析和参数设计，通过 m b ，s d 江u l 姗【建立了控制系统的数学模型，并且对其进行了计算机仿真， 得到了有益的结论。 7 华中科技大学硕士学位论文 ( 5 ) 设计了一套基于模糊控制的智能化充电系统，其主要功能全部由软件实 现，外围电路简单，控制方式灵活，可以工作于四种不同的充电模式。由于工作 量很大，为了加快实验进度，主电路没有采用三相全可控桥而是用简单自g 单相 b u c k 电路来代替，着眼于考虑模糊控制的充电效果。 ( 6 ) 比较了模糊控制充电模式和两阶段充电模式的充电效果。分析了试验中 发现的问题，为今后的进一步研究提出了建议。 8 华中科技大学硕士学位论文 2 模糊控制的基本理论 2 1 模糊控制基本概念【7 ，8 】 1 9 6 5 年，美国加州大学得自动控制理论专家l a z a d e h 提出了模糊集合论， 从而开创了模糊逻辑的历史。模糊逻辑是指在模糊数学诞生之后而产生的一种新 的逻辑理论系统，以往的逻辑学是指传统逻辑和数理逻辑，在数理逻辑中，人们 较为熟悉的是二值逻辑，也就是布尔逻辑。在这种系统中，这种逻辑非“1 ”即“0 ”， 决无其它值，而模糊逻辑和二值逻辑不同，它是一种连续的逻辑。在模糊逻辑中， 逻辑值可以取 ol 】之间的任何数，因此，模糊逻辑是二值逻辑的扩展，二值逻辑 则是模糊逻辑的特殊情况。模糊逻辑时解决各种复杂问题的有效方法之一，模糊 逻辑是建立在模糊数学的基础上的，而模糊数学最重要的概念是模糊集合和隶属 函数。 2 1 1 模糊集合与隶属函数 集合是指具有某种特定性质和特征的事物的全体。为了表述带有模糊性的事 物和概念，需要引入模糊集合，模糊集合不能像普通集合那样明确的指出个体元 素是否属于该集合，而只能指出该个体元素属于一个集合的程度。在本质上，模 糊集合是普通集合的特殊情况。 隶属函数( m e m b e r s h i pf u n c t i o n ) 用于表达模糊集合，隶属函数的值称隶属度， 隶属度用于描述一个函数属于一个模糊集合的程度。隶属函数是模糊数学最基本 和最重要的概念，在模糊理论当中，对模糊性的描述就是通过隶属函数进行的。 下面给出隶属函数的概念：用于描述模糊集合，并在【o1 1 闭区间可以连续取值的 特征函数叫隶属函数。隶属函数用u ：o ) 表示，其中j 表示模糊集合，而x 是j 的 元素，隶属函数满足：o s j s 1 。有了隶属函数之后，人们就可以把元素对模 糊集合的归属程度恰当的表示出来，这种表示能够反映出客观世界事物的模糊性。 有了隶属函数的概念，下面就给出模糊集合的概念：在论域u 上，用映射芦：可以 确定一个模糊集合j ，即j ：u 【01 】。对于v z e c ，f ：o ) 称为元素z 对j 的隶 属度，即x 隶属于j 的程度。 9 华中科技大学硕士学位论文 2 1 2 模糊关系和模糊矩阵 关系是普通矩阵中的一个重要概念。对于模糊集合，同样可以从普通关系中 扩展出模糊关系，而模糊矩阵是表示模糊关系的一种形式。这里的关系不是普通 关系，而是从模糊性角度所考虑的关系，这种关系表示了一定程度上的近似关系。 下面给出模糊关系的定义：以集合a 和b 的直积a x b = ( q6 ) ia e 爿，6 b ) 为论域的 一个模糊子集爱，称为集合a 到b 的模糊关系。如果( 口 6 ) 4 b ，则称。( 口 6 ) 为 ( a ，具有关系r 的程度，。( 口 6 ) 也可以简化为爱( 口 6 ) 。同理，对于模糊集合j 和 直的直积j 直，其中的子集五称为j 到直的模糊关系。并且定义： 吩( 口，6 ) = 蚜( a ) ，、吩( 6 ) = m i n ( 颤( a ) ，呀( 6 ) ) 。模糊集合j 和百的直积产生的模糊关系 爱= j 否在模糊控制中是十分有用的，在对一个被控制的系统进行经验总结后， 往往可以得知输入的模糊集j 和输出的模糊集百中各个元素及它们的隶属度，这 样只需要求出它们的关系矩阵爱= j 百，并且以爱为控制规则，则当系统输入一个 模糊量j 时，就可以通过模糊关系矩阵五求出对应的输出量百。 2 2 模糊控制器的工程设计方法【刁 对于模糊控制来说，其核心在于模糊控制器。也就是说，模糊控制的机理是 通过模糊控制器来实现的，模糊控制器在模糊控制中起着十分关键的作用。首先， 模糊控制器要和客观环境中的精确量进行信息交换，这就存在环境中的精确量转 换成模糊量的问题，只有这个问题得到解决，才能使得精确量在输入模糊控制器 中得到正确的处理。然后，模糊控制器的输出模糊控制量要想控制被控对象必需 转换成精确量，若这个问题不解决，真正实现控制是不可能的。最后，模糊控制 器在控制中接收输入变量，它是以一种什么样的机理去产生恰当的模糊控制量的 输出的，这也是一个重要的问题。这关系到输入模糊量到输出模糊量的推理机制， 包括推理的形式、推理的合理程度、推理的速度以及推理的具体算法。由计算机 组成的模糊控制器必须要具有下述功能： 1 ) 模糊化接口功能 被控对象的状态都是精确量，必须把控制对象有关状态的精确量转化为相应 的模糊量。模糊化接口应完成如下有关工作： ( 1 ) 检测模糊输入的精确量。 ( 2 ) 执行标度处理，把输入量的变化范围转化到相应的论域范围，以便计算 l o 华中科技大学硕士学位论文 机能执行处理。 ( 3 ) 进行模糊化，把输入的数值转化为恰当的语言值，即模糊量a 2 ) 存储知识库 计算机应该能够把用于模糊控制的知识库存储在内部，以供知识推理时使用。 知识库又由数据库和语言控制规则库组成。语言控制规则库即是模糊控制规则库， 数据库即是隶属函数集，也即模糊量集。 3 ) 决策功能 决策功能是模糊控制器的中心功能。这种决策是模糊决策，它模拟人类的决 策能力。模糊决策是基于模糊概念和模糊控制作用的，而模糊控制作用是采用模 糊蕴涵和推理规则实现的。决策功能包括以下作用： ( 1 ) 定义模糊蕴含的含义： ( 2 ) 对条件语句中的连词“a n d ”和“e l s e ”进行意义确定； ( 3 ) 对合成操作算子进行定义。 4 ) 反模糊接口功能 反模糊接口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 的精确控制量。反模糊接口要完成如下的工作： ( 1 ) 标度处理：把输出量的范围转化到相应的论域的范围当中； ( 2 ) 反模糊化：把模糊控制器推理得出的模糊控制量转换成精确控制量。 2 2 1 模糊化方法 模糊化是把精确量转换为模糊量的变换过程，它是模糊控制重要的工程方法。 在模糊化的具体过程中需要进行量化、模糊划分、模糊表达。量化是指把连续输 入精确值的范围离散化；模糊划分就是对论域范围确定模糊量的个数：模糊表达 就是对模糊量的隶属函数进行定义。 1 ) 论域的量化 执行量化的一般方法如下：设有连续论域h6 】，而量化后的离散论域为 ( - n ，一n + l 0 ，一一l ，一) ，亦即将连续论域分为2 一段，则存在系数口： 2 月 9 5 b - a g 称为量化因子。 如果在连续论域【口川中有值v ，并且有a c y c 6 ，则自在离散论域 ( - n ，一n + l 0 ，n 一1 ， ) 可以找到元素矿与之对应： 华中科技大学硕士学位论文 ：g 一a _ + b ) ；( - n , - n + l ，0 ，月一1 ，n ) 离散论域中元素个数与量化相关。在量化过程当中，从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为量化级数。量化级数一般要求满 足下列要求： ( 1 ) 量化级数应足够多，以满足隶属函数的逼近表达。 ( 2 ) 量化级数应足够少，以节省存储空间。 一般而言，量化级数的多少对控制灵敏度有影响。量化级数越小，控制越灵 敏，但控制也越粗糙。当量化级数减少到2 时，则接近于开关控制。当量化级数 多至无穷时，则成了连续论域。由于有量化过程，则模糊控制器具有离 贽眭质， 对系统状态变量的小突变不敏感。 2 ) 模糊划分 在模糊控制当中，无论是输入论域，或是输出论域，都要选取恰当的模糊量。 模糊量数量的选取是有利于进行模糊处理，利于提高推理的准确度和正确性的角 度来考虑的。对于一个给定的有限论域，在这个论域中确定模糊量数量的过程称 为模糊划分。可见模糊划分的本质就是在论域中划分模糊子集。在执行模糊划分 时，主要考虑数量的选择以及划分的宽度。 ( 1 ) 模糊量数量的选择原则： 在一个论域中，模糊量的划分一般取5 1 0 个较为合适。在实际应用中，模 糊划分和量化是有直接关系的。对于考虑量化的场合，如果论域量化后含2 n + 1 个 离散元素，而模糊划分的模糊量为m 个，假如离散元素的个数是模糊量的p 倍， 即： 2 n + l = p m 一般情况下，口应该取值为1 5 2 0 ( 2 ) 划分宽度的选择 划分宽度是指在论域中一个模糊量所涉及的元素的多少。划分宽度的选择是 以量化之后论域的0 元素为原点开始考虑的，划分宽度以0 元素的处的“零”模 糊量开始，分别往正、负方向对称非线性的增大。划分宽度的非线性和控制中人 们的思维方式温吻合。在控制中，如果偏差大，则用大控制量：如果偏差小，则 用小控制量，这时需要细一些。所以，模糊量划分的宽度是随模糊量离0 元素的 距离增大而增加较为恰当。应该指出，划分宽度至今还没有一个比较系统的完善 的理论方法。 3 ) 模糊表达 华中科技大学硕士学位论文 在论域中模糊量的隶属函数的形状称为该模糊量的模糊表达，模糊表达的目 的在于取得最适合于控制目的的隶属函数。模糊量可以是对称的、非对称的，可 以是三角形的、梯形及其它形状。目前，尚未能证观什么形状的隶属函数对某一 控制目标是最优的，因此，隶属函数大多依赖经验或考虑处理方便而选取。另外， 大多数实际控制系统的运行表明，在划分宽度相同时，控制效果对隶属函数的形 状并不敏感口1 1 。基于上述原因，模糊表达一般采取下列原则： ( 1 ) 模糊量采用对称等腰三角形或者等腰梯形； ( 2 ) “最正”或“最负”的模糊量一般采用不对称梯形。 模糊量的表达在实际应用中可以采用多种方法，如图形表示法、公式表示法、 表格表示法和坐标表示法等。 2 2 2 模糊控制规则及其格式 模糊控制规则采用的是形式逻辑中的条件语句的格式，它和形式逻辑不同的 是：条件语句的前后件都是模糊量，即这种条件语句是模糊条件语句。 在模糊控制中，模糊控制的规则有两种最主要的形式：j n 吾一0 结构和 j n 言一0 = ，“6 ) 结构，这两种形式在模糊控制中大量采用。在实际应用中，一 般把这些控制规则做成表的形式，用控制规则表来表示控制规则，比用一条条的 条件语句表示更为简捷明了。而且，还可以直接从控制规则表中看出输入模糊量 和控制量之间的变化趋势，这给控制规则的优化带来了方便。 2 2 2 1 模糊控制规则的生成 模糊控制规则是根据人的思维方式对一个被控系统执行控制而总结出来的带 有模糊性的控制规则。虽然取得模糊控制规则有各种不同的途径，但是它们不外 乎两中最基本的方法：一种是根据人对被控系统的实际操作求取控制规则；另外 一种是根据对象的特点通过数学处理求取控制规则。 根据实际操作经验求取控制规则又有两种方法： 第一种是依据专家经验生成控制规则；第二种是对系统实行手动控制生成控 制规则 前者是一种最直接，最方便的生成模糊规则的方法。由于专家对一个被控对 象有着丰富的经验，故而可以用语言直接给出一套控制规则，只要把这些语句用 条件语句表示即可。后者的模糊规则是建立在试验的基础上，对于一组已知的系 统输入，求得一组系统的输出数据，然后对这些数据进行处理得到控制规则。 根据对象的特点通过数学的方法求取控制规则也有两种方法： 一是根据被控对象的模糊数学模型生成控制规则，如果被控对象的动态特性 华中科技大学硕士学位论文 可以用语言来描述，则这种语言描述就可以看成是被控对象的模糊数学模型，然 后根据模糊数学模型就可以得到其控制规则基； 二是根据学习算法生成控制规则，这是一种很有前途的控制算法。对被控对 象执行手工控制所得到的控制规则是比较粗糙的，有时还会出现控制死区，也就 是控制规则表中会出现若干个空项。显然，这是不能满足实际控制需求的，为了 取得满意的控制效果，必须不断的改进原有的控制规则。这种方法就是以原来的 特别粗糙的控制规则为基础，通过对系统的自学习生成完善的控制规则。目前， 使用较多的自学习方法是自组织学习法和神经网络学习法等。 2 2 2 2 反模糊方法 在模糊控制系统中，模糊控制器的输入量是模糊量，输出也是模糊量。对于 实际被控对象，它所需的控制信号是有一定物理意义的精确值。为了使模糊控制 器的输出能对被控对象进行控制，要把它输出的模糊量转换成精确量，这个过程 称为反模糊化。反模糊化的方法有很多，但是控制上所使用的反模糊化方法一般 只有三种，分别是最大隶属度法、中位数法和重心法。 1 ) 最大隶属度法 在模糊控制器的推理输出结果中，取其隶属度最大的元素作为精确值去执行 控制的方法称为最大隶属度法。最大隶属度是反模糊化常用的方法。在处理过程 中，有简单、方便、容易实现的特点。这种反模糊化的方法在计算机上应用具有 良好的适应性，并且所涉及的信息量少。因为这种方法根本不用考虑隶属度小的 其它元素，也不管模糊推理的输出结果的隶属函数的形状宽窄和分布情况。当隶 属度最大的元素有多个时，这时，一般取这些元素的平均中心值为反模糊化后的 精确值。 2 ) 中位数法 最大隶属度法十分简单，精确量的确定也十分快捷。但是，它只提取了输出 模糊量的主要信息，而放弃了其余的次要信息。这样，反模糊化的结果必定有偏 颇。中位数法就是把隶属函数与横坐标所围成的面积分成两部分，在两部分相等 的条件下，两部分分界点对应的横坐标值为反模糊化后的精确值。 设模街推理的输出为模糊量0 ，如果存在”+ ，并且使： 至心o ) ；芝心( ”) 则取。为反模糊化所得的丰苷确值。 。 3 ) 熏心法 重心法使目前应用最多的反模糊化方法。他的特点是全面的考虑模糊量的有 关信息，同时执行运算较为容易，因此受到人们的广泛应用。重心法也称力矩法。 华中科技大学硕士学位论文 它对模糊量所含有的所有元素都求取其重心元素，这个重心元素无疑是对模糊量 反模糊化后得到的精确值”。 当模糊控制器输出的模糊量c 有如下隶属函数时： c = p ( u 1 ) 卢t 十0 2 ) ，2 + + 卢0 ) p 。 则重心元素。的求取公式如下： z p ( u 。) x u 。 “= 型一 z 【f ( u ；) f 。i 重心法在本质上是通常所说的加权平均法，只是其加权系数取对应元素的隶 属度而已。 2 3 基于模糊控制的b o o s t 变换器【3 ，4 ，1 1 ，1 2 l 第一章已经讲过蓄电池的充、放电过程是一个极其复杂的电化学过程，它多 变量、非线性并且具有离散性。对于这样复杂的一个控制对象，很难也没有必要 去按照传统的控制理论设计一个理想的控制器。模糊控制技术是解决这方面问题 的能手。为了更好的说明模糊控制的优良特性，下面将以b o o s t 变换器为例，作 者提出一种基于模糊逻辑的控制思路，并且给出仿真结果，以阐述模糊控制在电 力电子装置中的具体应用。 控制技术的研究是电力变换器发展的关键，传统的控制技术都是在系统等效 的线性小信号模型的基础上进行频域的分析和设计。但是，这毕竟是一种近似的 方法，对于那些非线性比较严重的系统和遇到负载发生较大变化时情形，这种方 法就显得束手无策了。针对于这种情况，可以遵循以下两个思路加以改善1 1 5 】： 1 ) 建立更为精确的非线性模型，但是随着系统性能的改善往往使控制系统的 复杂程度大大增加，甚至于某些复杂的算法根本无法实时的实现。 2 ) 采用智能控制，目前主要包括模糊控制，专家系统以及神经网络控制，由 于智能控制是模拟人的思维模式，通常是以语言和规则的形式来描述系统，因此 根本不需要系统的数学模型，它主要依赖人的实践经验的总结和计算机的推理来 实现控制目标。虽然目前这类控制方式仍处于发展阶段，但是作为智能控制的代 表，模糊控制理论通过过去几十年的很多应用实例验证了该方案的可行性和优越 性。 华中科技大学硕士学位论文 2 3 1平均状态模型o ，4 6 j 为了常规p d 系列控制系统的参数设计以及系统仿真的需要，下面首丧给出 d c d c 变换器连续导电模式下的状态平均模型。系统的状态变量为x = k 。x ：】7 ， 其中五= i l ( 输入电感电流) ，z ：= v c ( 输出电容电压) ，输入为“= ，输出为 y 2 v t2 v c 。 系统在开关导通期间( o s t d t 。) 的状态方程为： x 7 ( f ) = 4 x + 旦“，y ( f ) = c l x ( 1 ) 系统在开关截止期间( d t s g t 5 ；t s ) 的状态方程为： x o ) = 4 x + 岛“，y 0 ) = c 2 x ( 2 ) 有了上述方程式，原则上就可以利用边界条件求出任意一次开关状态的初始 量和输出量。但是对于开关频率为几千到几十千赫兹的开关电源来说，往往要经 过上百次的调整才能够达到稳态，因此这样的计算量过于庞大，显的并不实用。 如果我们把以上两式之和平均，就可以得到一组新的状态平均方程组： 一= ( 幽+ d 4 ) x + ( c 碱+ d 砬) 甜，j ，= ( d c ；+ d ，c 2 ) x ( 3 ) 其中d = 1 一d ，x 、y 为依赖于占空比的状态变量平均值 f = 詹+ 肋+ 【( 4 4 ) x + ( 垦一b 2 ) “】j ，9 = c 2 + ( c i c ) 菇( 4 ) 该式即为系统的动态低频小信号状态平均方程，其中 彳= 0 4 + d 鸽，b = d b l + d 氇，c = d c l + d b ：。 将式( 4 ) 进行拉普拉斯变换可以得到系统小信号输出i 多相对于小信号输入反0 的 传递函数，至此就可以绘出系统的b o d e 图，进行频域下的参数设计。该状态平均方 程适用于b o o s t 、b u c k 等含两个储能环节的变换器。本文以b o o s t 变换器为例，其 电路如图2 1 ，借助仿真软件m a t l a b s i m u l i n k 建立了基于该方程的小信号模型并 进行了参数设计。 e 2 3 2 模糊控制技术 以上介绍了传统的从系统的状态方程入手，在等效传递函数的基础上进行控 制系统的参数设计。下面给出一种模糊控制的系统框图如图2 2 ： 图2 1b o o s t 变换嚣 r 图2 2 模糊控制框图 1 6 华中科技大学硕士学位论文 1 ) 该控制系统的最大特点就是不需要建立被控系统的数学模型，而是依据 人的常识和经验，经过调整得到最佳控制参数。该控制系统的输入为 e ：吃一，c p = 一气- l ，输出为以= d 。+ q + a d t ，其中气翌? t 分犁塑 第k 个采样雨期的电压误差和占空比。z x d 。为占空比的更新变量，它乘上一个系 数q 然后与以一。叠加后就得到更新后的占空比畋。 图2 3 模糊控制规则表 图z 4 输入输出模糊变量的隶属函敦 t d , l n g l e 圈2 5 在s i m u l i l 【环境下建立的系统框图 1 7 舟盔墙隧礓疆撵糟嚣躔蟮雕碍臻疆嚣般璐正礤瞰糟船 亚坤取璐互蟮鞭碡 虹 晤 露 璐搬 璐 亚 搭 m 疆 一再再雉 茑盈 疆 糟菇 璐糟 豫 强 嚣 互 m 疆搭亚 璐烈 露 哪旺h 华中科技大学硕士学位论文 借助于m a t l a b 6 0 中的f u z z yt o o l b o x ，编写了模糊逻辑控制模块“f u z z y l o g i c ”，优化了控制参数。图中“s a m p l e r ”为采样环节，对输出误差电压进行采 样，采样频率等于开关频率为1 0 0 k h z 。模糊控制模块的输出为a d , 乘上q 值后与 d 。相加得到更新后的d 。值，然后与三角波比较得到p w m 波。 仿真结果如图所示：图2 6 为b o o s t 变换器的输出电压波形v 2 和输入电流 波形1 2 ，同时对比分析了p i 控制的效果，也给出了同一变换器采用p i 控制的输 出电压波形v l 和输入电流波形1 1 ，图2 7 还给出了占空比的变化衄线d i , d 2 ， 它们首先稳定于o 4 2 ，当输入电压跳变到2 0 y 后，它们又渐渐稳定于o 2 3 。我们可 以看出采用模糊控制取得了和p i 控制相似的控制效果，在超调量和调节时间等指 标上还要略优于p i 控制。从占空比的变化曲线可以看出曲线d 2 的调整幅度要小 于d l ，这也是模糊控制的超调量要略小的原因。以上对比分析是基于比较简单的 b o o s t 变换器，对于其它一些非线性程度更大的系统，模糊控制的优越性就能得 到更好的体现。 圈2 6 v i , i i ：p i 控制的b o o s t 变换器的输出电压和输入电流，a v 2 , 1 2 ：f u z z y 控翻的b o o s t 变换器的输出电压和输入电流，a 华中科技大学硕士学位论文 本节阐述了模糊控制在b o o s t 变换器中的应用，它具有开发周期短，实现简 单的优点并且被控对象的动态特性要优于传统的p i d 系列控制，控制对象越复杂， 这种优势就越明显。作为一个新兴的研究领域，开关电源的智能控制必将随着将 来用电装置对电源要求的不断提高而得到广泛的应用。 2 4 有关模糊控制器设计的几个问题 上面的第一、二两节分别阐述了模糊控制的基本理论和模糊控制器的设计方 法，第三节用一个具体的仿真实例来说明模糊控制在电力电子装置中的具体应用， 借以为下一章的充电模糊控制从理论上打下基础。这一节就模糊控制器设计中的 几个关键的问题再进行必要的总结。 1 ) 隶属函数的相关问题 在确定语言变量的f u z z y 子集的隶属函数时，要注意以下几个问题： ( 1 ) 隶属函数的形状对控制效果的影响。当隶属函数曲线形状较尖时，模 糊子集的分辨率较高，控制的灵敏度也较高：相反，当隶属函数曲线形状较宽时， 模糊子集的分辨率较低，则控制特性较缓，系统稳定性较好。因此，一般在系统 误差较大的范围内，采用具有低分辨率隶属函数的模糊子集；而在系统误差较小 或接近零的范围内，则采用具有高分辨率隶属函数的模糊子集。通常情况下，人 的认识规律为一个正态分布，而用正态分布函数作隶属函数实现起来比较困难， 所以一般要做一下简化，比如说用三角形来代替，上面的那个b o o s t 变换器的例 1 9 华中科技大学硕士学位论文 子就是用的三角形状的隶属函数。 ( 2 ) 在选择描述某一模糊变量的各个模糊子集时，应该使它们在论这上的 分布合理，即它们应该很好的覆盖整个论域。在定义这些模糊子集时要注意使论 域中的任意一点对这些模糊子集的隶属度都不能太小，否则会在这样的点的附近 出现不灵敏区，以至于造成失控。为此，语言变量的全部模糊子集所包含的非零 隶属度对应的论域元素个数，应当是模糊子集总个数的二至三倍。 ( 3 ) 各个模糊子集间的相互影响可以用这些模糊子集当中任意两个相邻子 集的交集中的最大隶属度值，来衡量。一般而言，值越小，控制的灵敏度越高， 稳定性越低；，值越小，控制的灵敏度就越低，而控制器对于被控过程的参数变 化适应性越强，即鲁棒性好。一般取卢o 4 ，o 7 ) ；声值不能取的过大，否则对 两个相邻的语言变量值很难加以区分。 2 ) 论域、量化因子、以及比例因子的选择 由于事先对被控系统缺乏经验知识，所以对误差以及误差的变化的基本论域 只能做初步的选择，待系统调整时再傲近一步的确定，一般要保证模糊论域中元 素的个数是模糊语言词集总数的两倍以上。 模糊化的过程涉及到量化因子的概念，反模糊化过程涉及到比例因子的概 念。量化因子实际上是一种增益，一旦量化因子选定以后，系统的任何误差( 或 误差的变