太陽能路燈模糊控制器

梁文翰， 賈文超

（長春工業大學電氣與電子工程學院，吉林長春 130012）

0 引 言

文中設計了一種太陽能路燈的模糊控制器，建立了鉛酸蓄電池的充電狀態與充電參數之間的關系，使得系統中蓄電池的使用壽命得到了可靠的保證。并且將模糊控制與傳統的PID控制相結合，用以控制直流電壓的輸出。從而得到了一種Fuzzy／PID控制系統，與常規的PID控制系統比較，系統響應的超調量較小，反應速度快，而且具備控制結構簡單、魯棒性較強、可靠性較高的優點。

1 路燈智能控制器組成單元

1.1 太陽能路燈硬件構成［1－3］

太陽能路燈主要由太陽能光電池組件、蓄電池、控制器和照明燈具組成。系統框圖如圖1所示。

圖1 太陽能路燈系統框圖

1.2 模糊控制單元

模糊控制單元是本設計的核心，它主要完成的功能是合理控制蓄電池充放電過程。充電過程中，檢測到太陽能電池板所產生的電能，利用模糊控制策略對蓄電池合理有效地充電，并且實時檢測蓄電池的充電狀態直到蓄電池充電完畢，將太陽能電池板所發出的剩余電能進行放電處理。放電過程中，將蓄電池內所儲存電能合理地釋放給LED發光負載，使路燈發光達到照明的目的。模糊控制單元框圖如圖2所示。

圖2 模糊控制單元框圖

2 蓄電池充電模糊控制策略的建立

2.1 雙標三階段浮充法

根據太陽能能源的特性對蓄電池的充電過程采取了一種雙標三階段浮充模型。雙標三階段充電示意圖如圖3所示。

圖3 蓄電池的雙標三階段充電示意圖

雙標三階段浮充法中的雙標指的是精確的浮充電壓Vf和過標準開路電壓Voc；將充電過程分為3個階段，具體闡述如下：

第一階段：當蓄電池兩端電壓小于過標準開路電壓Voc時，系統將用能夠獲得的最大的電流值為蓄電池充電，直至其電壓值達到Voc。此階段的充電程度能夠達到70%～90%。

第二階段：在這個階段中，必須將蓄電池的充電電壓值恒定在Voc，并且要一直持續到充電率為Ioct時，才能進行第三階段的充電。完成第二個階段過程后，蓄電池的充電程度接近100%。

第三階段：蓄電池的充電電壓值恒定為Vf，目的是維持蓄電池的電壓狀態。此階段的Vf必須精確，否則會大大降低蓄電池使用壽命。

2.2 太陽能路燈充電模糊規則建立［4－9］

2．2．1 太陽能路燈蓄電池充電輸入的模糊化處理

2．2．1．1 蓄電池電壓模糊化處理

確定電壓值的范圍為［0，Vmax］（其中Vmax在歸一化之后的值為1），在此范圍內定義模糊集（j＝1，2，…，15）。uAj1（xi）為四邊形隸屬度函數。

2．2．1．2 充電電流模糊化處理

確定電流值的范圍為［0，Imax］（其中Imax在歸一化之后的值為1），在此范圍內定義模糊集（j＝1，2，…，21）。（xi）為高斯隸屬度函數。

2．2．1．3 蓄電池溫度模糊化處理

確定溫度范圍為［0，Tmax］，（其中Tmax在歸一化之后的值為1），在此范圍內定義模糊集（j＝1，2，…，10）。（xi）為四邊形隸屬度函數。

2．2．2 太陽能路燈蓄電池充電輸出的模糊化處理

雙標三階段實時輸出充電電壓模糊化處理：確定電壓值的范圍為［0，Vmax］（其中Vmax在歸一化之后的值為1），在此范圍內定義模糊集（j＝1，2，…，41）。（xi）為高斯隸屬度函數。

2．2．3 模糊規則的確立

如果：

2．2．4 建立模糊系統

采用乘積推理機、單值模糊器、中心平均解模糊器的模糊系統：

式中：l——模糊規則；

y－l——第l條模糊規則輸出模糊集Bj＊1的中心。

2.3 蓄電池放電Fuzzy／PID控制算法建立

簡化模糊系統的輸入輸出變量為：輸入壓差VE（voltage error），輸入電壓變化率Rate，輸出電壓、電流的模糊閾控量Valve。

2．3．1 輸入變量

1）將LED燈組負載的實時電壓值與整個系統標定電壓值之差作為輸入壓差VE，其隸屬函數的模糊子集是：｛low，okay，high｝，選用高斯隸屬度函數。

2）LED燈組負載輸入電壓值的實時變化率Rate，其隸屬函數模糊子集是：｛negative，none，positive｝，選用高斯隸屬度函數。

太陽能路燈Fuzzy／PID控制系統框圖如圖4所示。

圖4 太陽能路燈Fuzzy／PID控制系統框圖

2．3．2 輸出變量

Valve控制著DC／DC轉換電路的占空比與MOSFET開關電路，其隸屬函數的模糊子集是：｛decrease－fast，decrease－slow，no－change，increase－slow，increase－fast｝，選用三角形隸屬度函數。

模糊控制規則為：

rule 1if（VE is okay）then（valve is nochange）

rule 2if（VE is low）then（valve is increasefast）

rule 3if（VE is high）then（valve is decrease－fast）

rule 4if（VE is okay）and（rate is positive）then（valve is decrease－slow）

rule 5if（VE is okay）and（rate is negative）then（valve is increase－slow）

3 控制策略仿真實驗

3.1 隸屬度函數的仿真結果

隸屬度函數的仿真結果如圖5和圖6所示。

圖5 高斯隸屬度函數仿真結果

圖6 三角隸屬度函數仿真結果

其中，圖5與圖6分別表示了輸入模糊變量與輸出模糊變量的隸屬度函數仿真結果。

由圖中可見，高斯隸屬度函數的仿真結果顯示出級別劃分較為細致，能夠較好描述輸入變量中的輸入壓差和直流負載輸入的實時電壓變化率的正確性。三角隸屬度函數的仿真結果表明，輸出變量能夠得到準確的描述。

3.2 系統的階躍響應

Fuzzy系統、PID系統、Fuzzy／PID系統的階躍響應如圖7所示。

圖7 階躍響應對比圖

從仿真結果可以看出，Fuzzy／PID閉環控制系統結合了模糊控制與傳統PID控制在階躍響應方面的優點。與傳統PID控制相比，Fuzzy／PID系統響應的超調量小、反應時間快，可以實現蓄電池輸出過程的恒流控制。

4 結 語

設計的太陽能路燈模糊控制器合理建立起蓄電池充電參數和充電狀態之間的關系，從而有效地控制了蓄電池充電過程，不僅可以提高蓄電池充電效率，而且充分保證了蓄電池的使用壽命。在控制LED燈組的直流輸出環節中，將模糊控制與傳統的PID控制結合在一起，形成Fuzzy／PID閉環控制。從仿真結果中可知，充電的隸屬度函數建立正確，綜合比較階躍響應結果，Fuzzy／PID系統響應的超調量減少，反應時間加快，達到了LED路燈恒流控制的目的，適合太陽能路燈控制系統。

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