基于模糊控制的軍用鉛酸蓄電池充電控制技術(shù)

楊亞麗，馬曉軍，曾凡果，袁文濤

(1.裝甲兵工程學(xué)院控制工程系，北京100072;2.95963部隊(duì)，湖北 武漢430313)

目前，我軍裝甲車(chē)輛的主要電能源是由鉛酸蓄電池提供的。蓄電池的各項(xiàng)性能參數(shù)(電動(dòng)勢(shì)、內(nèi)阻、荷電狀態(tài)、自放電率、溫度等)在充、放電過(guò)程中，存在著錯(cuò)綜復(fù)雜的關(guān)系，具有高度的非線(xiàn)性［1］。傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)是建立在被控對(duì)象精確數(shù)學(xué)模型基礎(chǔ)之上的，如果被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型很復(fù)雜或者數(shù)學(xué)模型無(wú)法建立，控制系統(tǒng)就較難實(shí)現(xiàn)。蓄電池充電正是屬于這種情況，而模糊控制技術(shù)恰好能彌補(bǔ)這一不足，該技術(shù)是以模糊集合理論為基礎(chǔ)的控制手段，是模糊系統(tǒng)理論、模糊技術(shù)與自動(dòng)控制技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。因此，筆者考慮采用模糊控制技術(shù)改進(jìn)現(xiàn)有的蓄電池充電控制，以實(shí)現(xiàn)快速無(wú)損充電。

1 模糊控制充電裝置總體設(shè)計(jì)

圖1是模糊控制充電裝置的總體設(shè)計(jì)框圖。其中:Δu/Δt和ΔT/Δt分別為單位時(shí)間內(nèi)檢測(cè)到的電壓變化量和溫度變化量;u*k為經(jīng)過(guò)模糊控制器的輸出控制值，通過(guò)充電控制電路轉(zhuǎn)化為可執(zhí)行的實(shí)際充電電流控制量i*;u*為蓄電池端電壓;u*a為前一時(shí)刻蓄電池端電壓;T*為蓄電池內(nèi)部電解液溫度。

2 模糊控制器設(shè)計(jì)

2.1 輸入量和輸出量的選取

模糊輸入、輸出變量的選擇直接關(guān)系到模糊控制系統(tǒng)的輸出。在可實(shí)現(xiàn)的前提下，一般選取能夠快速、準(zhǔn)確地反映被控對(duì)象狀態(tài)的變量作為模糊輸入變量。

電池充電時(shí)，充入的電能除了轉(zhuǎn)化為化學(xué)能外，由于電流通過(guò)歐姆內(nèi)阻和極化內(nèi)阻，部分電能轉(zhuǎn)化成熱能［2］。當(dāng)電化學(xué)物質(zhì)轉(zhuǎn)化完畢時(shí)，再充入的電能就全部轉(zhuǎn)化為熱能，這些熱能使電池溫度升高，因此充電過(guò)程蓄電池端電壓、溫度的變化影響著充電電流大小。筆者擬采用雙輸入單輸出的模糊控制器［3］，其中:一個(gè)輸入 Δu/Δt為前后 2 次采樣電壓的變化率，另一個(gè)輸入為蓄電池溫度變化率ΔT/Δt，Δt均為采樣周期;單輸出為控制電壓uk，由其通過(guò)主電路控制充電電流。

2.2 精確量的模糊化

模糊化是將精確量轉(zhuǎn)換成模糊量的過(guò)程。其具體過(guò)程需要進(jìn)行量化、模糊劃分和模糊表達(dá):量化的實(shí)質(zhì)是把連續(xù)輸入的精確值離散化;模糊劃分就是對(duì)論域范圍確定模糊量的個(gè)數(shù);模糊表達(dá)就是對(duì)模糊量的隸屬函數(shù)進(jìn)行定義。

輸入量ΔT/Δt可分為5個(gè)模糊狀態(tài):VS(非常小)、S(小)、M(中)、L(大)、VL(非常大)。對(duì)應(yīng)的模糊化論域{1，2，3，4，5，6，7，8，9}為溫度變化值，表示溫度在單位時(shí)間內(nèi)上升1個(gè)單位、2個(gè)單位…9個(gè)單位，其中1個(gè)單位代表單位時(shí)間變化0.1℃，時(shí)間單位定在200 ms，也可以根據(jù)具體要求改變。ΔT/Δt的三角隸屬函數(shù)曲線(xiàn)如圖2所示。

圖2 ΔT/Δt的三角隸屬函數(shù)曲線(xiàn)

對(duì)于輸入的變量Δu/Δt，在蓄電池充電時(shí)端電壓的變化曲線(xiàn)圖中，其最大變化率是蓄電池在充電階段前端和進(jìn)入終止判決前的一段［4］。根據(jù)查閱的大量資料、蓄電池的技術(shù)指標(biāo)和多次實(shí)驗(yàn)記錄數(shù)據(jù)，以標(biāo)稱(chēng)12 V鉛酸蓄電池為例，Δu/Δt的最大變化率為14.72 ×10－4V/s［5］。對(duì)［0，14.72 ×10－4］連續(xù)論域，由量化因子量化成一個(gè)離散論域{－3，－2，－1，0，1，2，3}，根據(jù)充電過(guò)程的長(zhǎng)期試驗(yàn)測(cè)試，在設(shè)計(jì)模糊表達(dá)時(shí)采用梯形模型構(gòu)造隸屬函數(shù)，同時(shí)，在論域的“最正”和“最負(fù)”的模糊量處采用一邊恒為值“1”的不對(duì)稱(chēng)梯形，采用5個(gè)語(yǔ)言值NB(負(fù)大)，NS(負(fù)小)，Z(零)，PS(正小)，PB(正大)。Δu/Δt的梯形隸屬函數(shù)如圖3所示。

圖3 Δu/Δt的梯形隸屬函數(shù)曲線(xiàn)

由于輸出充電電流i≥0，因此模糊控制器的輸出 uk的論域取為{0，1，2，3，4，5，6，7，8，9，10};模糊集取為{OVS，OS，OM，OL，OVL}。其中:OVS 為正非常小;OS為正小;OM為正中;OL為正大;OVL為正非常大。uk的三角隸屬函數(shù)曲線(xiàn)如圖4所示。

圖4 uk的三角隸屬函數(shù)曲線(xiàn)

2.3 模糊控制規(guī)則表及查詢(xún)表

控制規(guī)則是模糊控制器的核心部分，需要技術(shù)人員在經(jīng)驗(yàn)積累的基礎(chǔ)上不斷通過(guò)實(shí)驗(yàn)加以修正，最后確定最佳方案。根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)制定的控制規(guī)則表如表1所示。

表1 控制規(guī)則表

MATLAB模糊邏輯工具箱提供了模糊推理輸入輸出曲面視圖。由上述的模糊推理規(guī)則可得如圖5所示的模糊推理輸入輸出曲面觀(guān)察界面。

圖5 模糊控制曲面圖

在模糊控制系統(tǒng)中，模糊控制器的輸出是模糊量。對(duì)于實(shí)際的被控對(duì)象，它所需要的控制信號(hào)是有一定物理意義的精確值。為了能對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行控制，需要把它輸出的模糊量轉(zhuǎn)換成精確量，這個(gè)過(guò)程稱(chēng)為反模糊化。反模糊化的方法很多，但在控制上所用的反模糊化方法一般只有3種:最大隸屬度法、中位數(shù)法和重心法。為獲得更精確的輸出控制量，本文采用min-max重心法反模糊化。表1所示的模糊控制規(guī)則經(jīng)模糊集合運(yùn)算，再經(jīng)min-max重心法解模糊得模糊控制查詢(xún)表，如表2所示。

表2 模糊控制查詢(xún)表

3 模糊控制充電系統(tǒng)

3.1 硬件實(shí)現(xiàn)

圖6為模糊控制充電器的總體設(shè)計(jì)框圖，該控制器的單片機(jī)采用MCS-96系列中的準(zhǔn)16位單片機(jī)8098，具有16位機(jī)的高速運(yùn)算能力。程序存儲(chǔ)器則采用容量為8 kB×8的EPROM2764，配以相應(yīng)的I/O接口電路，從而構(gòu)成本系統(tǒng)硬件控制核心。交流裝置部分為充電控制系統(tǒng)的主電路和控制電路部分;信號(hào)檢測(cè)部分是對(duì)待充電池的端電壓、充電電流、溫度的檢測(cè)及信號(hào)轉(zhuǎn)換;檢測(cè)溫度用的熱敏電阻放在電池槽內(nèi)。在交流裝置中，系統(tǒng)將信號(hào)檢測(cè)部分傳來(lái)的數(shù)據(jù)通過(guò)單片機(jī)8098中的模糊控制算法，計(jì)算下一時(shí)刻充電電流的大小，并由模糊控制器輸出給控制電路，控制電路最終產(chǎn)生的PWM波改變充電主電路中開(kāi)關(guān)管的占空比，以實(shí)現(xiàn)對(duì)待充電池的實(shí)時(shí)充電。信號(hào)檢測(cè)部分的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和交流裝置計(jì)算的下一時(shí)刻充電電流數(shù)據(jù)通過(guò)CPU在鍵盤(pán)上顯示。程序存儲(chǔ)器EPROM2764存放模糊控制表和查詢(xún)表。

圖6 模糊控制充電系統(tǒng)組成框圖

3.2 工作流程

用模糊控制實(shí)現(xiàn)充電控制時(shí)，就是將表2存入EPROM。表2中，當(dāng) ΔI/Δt和 Δu/Δt的論域分別取1和－3時(shí)，模糊控制器輸出的反模糊值為0.2，即u*R=u*(i，j)=u*(1，1)(i=1，2，…，6;j=1，2，…，9)，將u*(1，1)的地址作為查表運(yùn)算的首地址。其他各模糊值地址由A［u(i，j)］=首地址+［(i－1)×9+j］算得。由此將表2的內(nèi)容依次存入對(duì)應(yīng)的地址單元內(nèi)。單片機(jī)根據(jù)每次輸入量的不同組合進(jìn)行查表運(yùn)算，求出控制量的大小。程序的流程采用模塊化設(shè)計(jì)，便于修改和維護(hù)。中斷程序的流程如圖7所示。

圖7 中斷程序流程

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

表3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表

［1］高田.蓄電池快速充電模糊控制技術(shù)研究［J］.計(jì)算機(jī)仿真，2006(10):236－238.

［2］何昂，張文寬，陳守玉.蓄電池手冊(cè)［Z］.北京:755廠(chǎng)翻譯出版組，1987:211 －215.

［3］章衛(wèi)國(guó)，楊向忠.棋糊控制理論與應(yīng)用［M］.西安:西北工業(yè)大學(xué)出版社，2004:157－179.

［4］李敬兆.基于模糊控制的智能充電裝置研究［J］.煤炭科學(xué)技術(shù)，2001，29(7):38 －41.

［5］Coleman M，Hurley W G.An Improved Battery Char Acterization Method Using a Two-pulse Load Test［J］.IEEE Transactions on Evergy Conversion，2008，23(2):708 －713.

［6］楊亞麗，李匡成，陳濤，等.一種基于最小二乘法在線(xiàn)估計(jì)蓄電池荷電狀態(tài)的方法［J］.電測(cè)與儀表，2010，47(3):16 －19.