基于模糊控制的電氣電壓自適應控制器設計

蘇潔+孫悅超+陳智

摘 要： 電氣設備上的碰撞性負載會造成電氣電壓波動，以往用于防止電氣電壓波動的設備存在使用效果不理想的問題。因此，設計基于模糊控制的電氣電壓自適應控制器，建立模糊控制數學模型和電氣設備中電容、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為模型輸入項，將工作頻率因子設為輸出項，使用多向傳導晶體閥門連接控制通路，交換通路電氣電壓并進行補償，改善電氣電壓波動情況。進一步介紹了控制器數據采集卡AD760x的高精度采集電路，并對模糊控制下電氣電壓控制延時的估計過程進行設計，提高控制效果。實驗結果表明，所設計的控制器控制效果好，魯棒性強。

關鍵詞： 模糊控制； 電氣電壓控制器； 工作頻率因子； AD760x

中圖分類號： TN954+.2?34； TM761 文獻標識碼： A 文章編號： 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

隨著電氣設備碰撞性負載的逐漸上漲，電氣電壓開始出現嚴重波動，造成電氣設備運轉不穩定，漏電、斷路現象時常發生。碰撞性負載的產生源頭是非線性用電設備在電網中的大量接入，為了降低碰撞性負載對電氣電壓的影響，基于交換虛擬電路、PID控制、勵磁調節、自適應神經網絡等電氣電壓自適應控制器逐漸產生，目的是彌補電氣無用功，進行電壓補償和波動抑制[1]。這些控制器的動態調節效果普遍不好且設計困難，因此，結合曾經給出的電氣電壓控制原理，揚長避短，設計一種基于模糊控制的電氣電壓自適應控制器。

1 電氣電壓自適應控制原理分析

非模糊控制往往無法在短時間內描述太多復雜變量關系，縮減處理步驟又會影響控制精度，顯得適得其反。然而，模糊控制卻在復雜非線性變量控制中具有絕對優勢，主要描述一個模糊推理過程，能容納更多信息，并且信息內容與現實生活具有較強關聯性[2]。模糊控制的基本原理可使用一個數學模型表示，如下：

式中：是動態變量；代表求取最大值；代表目標控制函數；代表局限條件；是等式局限；是不等式局限。在電氣電壓自適應控制中，模糊控制數學模型中局限條件有發電機力矩、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控制器設計

2.1 控制結構設計

基于模糊控制的電氣電壓自適應控制器采用自適應補償法調節電氣電壓波動情況，控制器會對電氣設備的電容和電感分別建立一個虛擬控制通路，工作頻率因子為電路碰撞性負載有關數學參數[3]，用，，分別表示工作頻率因子、工作頻率和碰撞性負載，的定義式如下：

由式（2）可知，如果電路中存在很多碰撞性負載，工作頻率因子數值將偏低。

模糊控制結構如圖1所示，為了降低碰撞性負載，提高工作頻率因子，基于模糊控制的電氣電壓自適應控制器將電氣設備控制通路中的工作頻率和電氣電壓作為模糊控制數學模型的輸入項目，工作頻率因子則為模型輸出項目。將輸入項目分配到集合，中，對兩個參量集合同時進行模糊化，運行模型獲得多向傳導晶體閥門的開關情況，根據模糊規則對以上采集到的數據進行模糊推理和解模糊。

基于模糊控制的電氣電壓自適應控制器將同時進行電氣電壓的自適應控制和模糊控制，對動態變量的動態特性要求比較高。提高動態特性可從兩方面入手：首先是獲得精準的電氣電壓參數以及多向傳導晶體閥門開關情況，其也是修正模糊規則、提高模糊推理精度的重要前提條件[4]；其次縮減控制延時，提升模糊控制自律性。

2.2 采集電路設計

按照模塊功能來分，基于模糊控制的電氣電壓自適應控制器的硬件結構可分為4個模塊，分別是開采模塊、處理模塊、模糊控制模塊和交流模塊。4個模塊中，能夠獲得多向傳導晶體閥門開關情況的是開采模塊，該模塊進行的信息采集工作是即時采集，所使用的數據采集卡是AD760x，AD760x能夠進行多通道同步采樣，不同采集通道之間的工作進程和數據均互不干擾，采樣精度高，計算精度高達32位，采集通道有12位，平均采集速率為200 Kb/s，自帶脈沖寬度調制信號輸出功能[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，支持數字選擇輸出。數字選擇輸出端口和數字選擇器間通過兩個電容連接，電容值一高一低，可以對信號進行迭代輸出。在進行高于15 V電壓數據的采集時，AD760x將進行3次分壓，將電壓轉換成低于9 V的電壓進行采集，增強了自身采集精度。

2.3 電氣電壓控制延時設計

設計基于模糊控制的電氣自適應控制器需要重點考慮控制延時，因為電氣設備電壓波動情況并不簡單，現場設備響應、信息挖掘、數據處理等過程會產生延時[6]。

圖3是模糊控制對電氣電壓控制延時的估計過程，整體來看這是一個動態估計過程，將局限條件和延時估計值輸入估計控制器進行動態估計。電氣電壓被控參量普遍進行非線性、不平滑波動，對這些動態變量進行動態線性化的原因在于穩定參量變化波形，過濾噪音波形，得到平滑曲線[7]。

線性化的作用位置是電氣電壓的即時運轉點，即時運轉點與模糊控制周期有關，表示即時運轉點并非是固定不變的。被控參量模糊化是指對電氣電壓輸出提取平衡參量，用來調整線性化輸出，提高模型對電氣電壓控制延時的估計精度。

3 實驗結果與討論

本文采用北京市近期出現電氣電壓波動故障的電網數據進行仿真實驗，從中提取2 000個電氣電壓參數，控制周期和延時估計周期均為6 s，圖4是仿真實驗電路。

仿真實驗電路使用220 V交流電源，頻率為100 Hz。負載R2和R3都是固定負載，R4是可變負載，R2～R4均可代表非線性用電設備，R5是電氣設備阻值。實驗中，接通固定電阻R2或調高R4阻值均可進行電氣設備分流、分壓，提高碰撞性負載。由于電氣設備阻值不可變，基于模糊控制的電氣電壓自適應控制器直接將控制信號作用于可變負載R4之上，通過調節R4阻值減少碰撞性負載，實現電氣電壓的自適應控制。

圖5表示基于模糊控制的電氣電壓自適應控制器的控制位移與控制時間之間的關系。由圖5可知，在未接通固定電阻R2時，由于電路中碰撞性負載不強，改變可變電阻R4阻值之后電氣電壓的自適應能力逐漸變好，控制位移的波動情況不明顯，符合電氣電壓的實際情況，控制效果好。接通固定電阻R2之后，控制位移僅產生一些微小波動，魯棒性很強。控制位移先上升后保持平穩，符合實際情況。

4 結 論

本文使用模糊控制數學模型對電氣電壓自適應控制器進行設計，從如何提高工作頻率因子入手，對控制器的控制結構、采集電路和控制延時估計過程進行了設計，使控制器的控制效果得到進一步提升。實驗結果表明，本文控制器具有控制效果好和魯棒性強的特點，控制結果符合電氣電壓的真實波動情況。

參考文獻

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

[2] 陳云，劉新妹，郭棟梁，等.基于模糊自適應PID高精度控制系統設計[J].電機與控制應用，2016，43（2）：13?17.

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

[4] 張文，張巖，褚曉東，等.基于自適應控制時域參數的電壓協調控制[J].電力系統自動化，2015（18）：37?42.

[5] 付子義，邢陽.無刷直流電機的變論域模糊自適應控制[J].計算機仿真，2015，32（5）：336?339.

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

[7] 張彥會，孟祥虎，肖婷，等.模糊PID自調整控制的鋰電池均衡研究[J].電子技術應用，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神經模糊推理的MPPT研究[J].現代電子技術，2016，39（14）：154?157.