針對水輪機的大慣性和非線性特性以及傳統(tǒng)水輪機控制系統(tǒng)誤差較大等缺點,提出一種基于模糊規(guī)則的水泵循環(huán)節(jié)能控制系統(tǒng)。利用水泵模擬水輪機系統(tǒng)抽水蓄能發(fā)電的過程,并分別從系統(tǒng)硬件設(shè)計和軟件設(shè)計的角度,采用了增強系統(tǒng)可靠性的措施,實現(xiàn)對水流速度的多級智能控制。實驗結(jié)果表明,基于模糊規(guī)則的水泵循環(huán)節(jié)能控制系統(tǒng)具有更小的誤差、較強的抗干擾能力,具有自動控制,可靠性高,操作簡單等優(yōu)點,其提高了水輪機系統(tǒng)的智能化程度。
引 言
隨著電力系統(tǒng)中火電容量的增加和核電的發(fā)展,為了解決合理調(diào)峰問題,世界各國正在積極興建抽水蓄能電站,水泵水輪機因而得到迅速發(fā)展。水泵水輪機可實現(xiàn)節(jié)能儲蓄,調(diào)節(jié)電力高峰負荷,提高電力系統(tǒng)的總效率,節(jié)約能源。目前,水輪機調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)普遍采用PID控制,這種控制簡單易行,并且能滿足大多數(shù)工業(yè)過程控制的要求。但是由于水輪機的大慣性、非線性和不確定性等特點,水輪機控制系統(tǒng)易出現(xiàn)超調(diào)量大,擺動時間長、波動頻繁、控制緩慢等現(xiàn)象,傳統(tǒng)的PID控制較難改善其控制品質(zhì)。針對這樣的現(xiàn)象,提出了基于模糊規(guī)則的水泵循環(huán)節(jié)能控制系統(tǒng),將人工智能技術(shù)和水泵控制系統(tǒng)相結(jié)合,并分別從硬件與軟件方面設(shè)計不同的改善系統(tǒng)動態(tài)特性的方法。
1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)概述
系統(tǒng)選用直流水泵模擬水泵水輪機抽水蓄能發(fā)電的過程。水泵抽水蓄能使水流循環(huán)從高處流下,用風(fēng)車模擬水輪機轉(zhuǎn)輪被水沖刷轉(zhuǎn)動,驅(qū)動發(fā)電機發(fā)電。在這個過程中,考慮到水流流速大小與發(fā)電量的關(guān)系,設(shè)計了水泵的三種工作模式,分別為高速、中速與低速。
控制模塊可進行工作模式的調(diào)節(jié);電壓輸入設(shè)計為12~30 V,設(shè)定工作模式后,單片機通過比較內(nèi)部設(shè)定量和被控對象反饋的信息,根據(jù)擬定的專家規(guī)則表,通過電壓調(diào)節(jié)模塊對輸入電壓進行調(diào)節(jié);顯示模塊提示用戶當(dāng)前工作狀態(tài)和下一步操作;外部模塊可添加其他部件豐富系統(tǒng)功能,比如定時,警報等。
2 硬件電路設(shè)計
2.1 電壓調(diào)節(jié)模塊
電壓調(diào)節(jié)模塊的主要功能是調(diào)節(jié)輸出電壓的大小,改變水泵的水流速度。它主要由脈沖寬度調(diào)制控制器TL494與BUCK電路組成。
電壓驅(qū)動型脈寬調(diào)制控制集成電路TL494在該模塊中的作用是輸出一個頻率不變,占空比可變的方波,它通過比較差值(指反饋電壓與D/A輸出電壓的差值)與其引腳CT上三角波的大小來調(diào)整輸出脈沖電壓的占空比,控制MOS管的開通與關(guān)斷。
當(dāng)控制模塊通過單片機I/O口改變D/A的輸入數(shù)字量后,D/A的輸出電壓也隨之改變,電壓差值變化,TL494的輸出脈沖電壓占空比也相應(yīng)變化,則MOS管的開通關(guān)斷頻率改變,隨之BUCK電路的輸出電壓改變,從而改變水泵抽水速度。
2.1.1 脈寬調(diào)制電路TL494
設(shè)計TL494的工作方式為輸出正向電壓,單端模式輸出,即將引腳13接地,使觸發(fā)器的輸出不起作用,并將TL494的兩個晶體管并聯(lián)起來使用,并聯(lián)后輸出驅(qū)動電流將增大1倍,集電極輸出電流最大可達500 mA,輸出方波頻率等于鋸齒波振蕩器的頻率。
D/A為D/A芯片輸出端,[Vfb]為被控對象的反饋電壓,這兩端電壓差值的大小與電容[CT]上的三角波進行比較,輸出PWM波。差值越大,PWM波的占空比越??;差值越小,PWM波的占空比越大。[Vq]為脈寬調(diào)制電路TL494的輸出端,可輸出一頻率不變、占空比可變的方波,控制BUCK電路中MOS管的開通和關(guān)斷。在TL494的引腳3與引腳2之間接入了比例積分調(diào)節(jié)器,構(gòu)成反饋網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)TL494輸出高電壓時,MOS管(IFR540)導(dǎo)通,將BUCK電路中的MOS管(IFR9532)柵極電位拉低,MOS管(IFR9532)導(dǎo)通,BUCK電路工作。
則TL494內(nèi)置振蕩器的工作頻率和周期分別為:
[fOSC=1.1RTCT=1.110 000×10-9=110 kHz] (1)
[T=1fOSC=1110=9.09 μs] (2)
當(dāng)基準電壓(D/A電壓)和反饋電壓基本相同時,TL494內(nèi)部誤差放大器1工作在線性區(qū),此時誤差放大器輸出的是電壓信號而不是電平信號。
由于TL494輸出的只是驅(qū)動信號,通過開關(guān)的電流有限(最大500 mA),因而功率有限,并且TL494的工作電壓范圍有限,所以加入BUCK電路,可有效地提高系統(tǒng)的輸入電壓范圍和輸出功率。
2.1.2 BUCK電路
BUCK電路在整體硬件電路中的作用是接收TL494發(fā)出的PWM波,輸出隨PWM波變化的電壓,并且加寬系統(tǒng)輸入電壓范圍和提高輸出功率,以驅(qū)動更大的負載。
設(shè)計BUCK電路的工作方式是電感電流連續(xù)工作模式,即電感電流[IL]在周期開始時不是從零開始的。
電源正極輸入端并聯(lián),起到保護作用的功率電阻和穩(wěn)壓管,二極管使用肖特基二極管LN5819。使用1[∶]9的電阻分壓,則反饋電壓[Vfb]為輸出電壓[Uo]的輸出端再并聯(lián)電容,進一步降低輸出電壓的紋波,保護執(zhí)行機構(gòu)水泵。
輸出電壓的大小為:
[Uo=D1Ui] (3)
式中:[D1]為占空比,由TL494電路提供;[Ui]為輸入電壓。
則系統(tǒng)輸出電壓為:
[Uo=UDA×反饋比例系數(shù)=109UDA] (4)
在高速模式下,測得DA輸出電壓為9.28V,輸入電壓[Ui=30] V。則輸出電壓值[Uo]為:
[Uo=9.28×109=10.31 V] (5)
同理可計算出中速與低速模式下的理想輸出電壓和實際占空比。高速、中速和低速時的計算輸出[Uo]值與實測值的關(guān)系如表1所示。
若水泵的功率變大,則可通過增加D/A模塊的輸出電壓或改變BUCK電路的參數(shù)來改變BUCK電路輸出電流的大小。
2.2 STC89C51單片機
執(zhí)行機構(gòu)水速的大小與發(fā)電量有關(guān),而其電壓與水速也具有一定關(guān)系,為了增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性,在單片機模塊加入了一個閉環(huán),將施加在執(zhí)行機構(gòu)上的電壓反饋給單片機,由此引入了模糊規(guī)則控制。
綜上所述,由表1可知,水泵循環(huán)節(jié)能控制模擬系統(tǒng)在電壓調(diào)節(jié)模塊使用BUCK變化器,輸出端并聯(lián)電容減少紋波,加入閉環(huán)系統(tǒng)等措施,均增加了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性,提升了系統(tǒng)的性能,并且為大功率負載的加入提供了依據(jù)。
3 基于模糊規(guī)則的水泵循環(huán)節(jié)能控制模擬系統(tǒng)
本系統(tǒng)應(yīng)用的是模糊控制系統(tǒng)[8~10],將系統(tǒng)的電壓調(diào)節(jié)看成執(zhí)行機構(gòu)(水泵)從初態(tài)到終態(tài)一系列的狀態(tài)變化過程,在某一時段,讓水泵的水流速度保持在一定范圍之內(nèi),當(dāng)有外界干擾出現(xiàn)時,保持水泵電壓的穩(wěn)定性,使水泵水流速度的值保持在設(shè)定的范圍之內(nèi)。根據(jù)電壓設(shè)定值和系統(tǒng)當(dāng)前的反饋電壓值的偏差量[E]以及偏差變化率[EC]等參數(shù)經(jīng)過推理,決定采用何種措施保持輸出電壓穩(wěn)定地跟隨輸入,生成控制規(guī)則表,利用控制規(guī)則表決定對執(zhí)行機構(gòu)的控制操作,從而達到誤差合理的要求。
3.1 模糊規(guī)則的擬定
選擇當(dāng)前輸出電壓相對于輸入電壓的偏差[E]以及偏差的變化率[EC]為變量,控制對象為輸出電壓[U,]取值范圍設(shè)定在[-6,6]范圍之內(nèi);把[-6,6]變化的連續(xù)量分為7個檔次,同時定義7個語言變量值,將離散化的精確量與表示模糊語言的模糊量建立關(guān)系,可將[-6,6]之間的任何整數(shù)精確量用模糊量表示,可表示為“NB”={電壓偏差∈[-6,-4]},“NM”={電壓偏差∈[-6,-2]},“NS”={電壓偏差∈[-4,0]},“ZE”={電壓偏差[-2,2]},“PS”={電壓偏差∈[0,4]},“PM”={電壓偏差∈[2,6]},“PB”={電壓偏差∈[4,6]}。則對電壓的模糊控制規(guī)則表如表2所示。
該控制規(guī)則表可用22條模糊條件語句來描述,在此列舉兩條:
?。?) if E=NB or NM and EC=NB or NM
then U=NB
?。?) if E=NB or NM and EC=NS
then U=NB
3.2 仿真實驗
為了驗證系統(tǒng)的正確性和實用性,使用Matlab 7.1在Windows平臺上編寫了一套仿真程序。在Windows XP系統(tǒng),Intel? CoreTM Duo CPU T7300,主頻2.00 GHz,內(nèi)存1 GB的計算機上,對基于模糊規(guī)則與基于PID控制的系統(tǒng)進行了比較(無噪聲情況),比較結(jié)果如圖5所示。 由圖5可知,當(dāng)輸入為1時,基于PID控制的系統(tǒng)有著明顯的超調(diào),超調(diào)量達到0.27,經(jīng)過13 s達到穩(wěn)定,穩(wěn)態(tài)誤差為0.04左右,而基于專家規(guī)則的系統(tǒng)超調(diào)量為0.04,經(jīng)過8 s達到穩(wěn)定,穩(wěn)態(tài)誤差為0.025左右?;趯<乙?guī)則的系統(tǒng)有效減少了系統(tǒng)的超調(diào)量,減少了擺動時間,能夠快速達到穩(wěn)定,系統(tǒng)的輸出穩(wěn)定地跟隨輸入,并且穩(wěn)態(tài)誤差較小。
在理想操作情況下,系統(tǒng)不含噪聲,但是現(xiàn)實操作環(huán)境中,會有許多噪聲的干擾。為了驗證系統(tǒng)的抗干擾力與系統(tǒng)的穩(wěn)定性,對于有無噪聲的情況進行了仿真比較。
對比無噪聲系統(tǒng),在隨機噪聲的干擾下,系統(tǒng)具有良好的抗干擾能力,輸出誤差略有提高,但是不超過0.04。
綜上所述,模糊規(guī)則的引入有效地減少了由于水輪機的大慣性系統(tǒng)而帶來的超調(diào)量和系統(tǒng)誤差,能夠快速達到穩(wěn)態(tài),且適用于復(fù)雜的含噪聲環(huán)境,提高了水輪機系統(tǒng)的智能化程度,明顯優(yōu)于基于PID控制的水泵系統(tǒng)。
4 結(jié) 論
本文提出一種基于模糊規(guī)則的水泵循環(huán)節(jié)能控制系統(tǒng),其突出特點是利用模糊規(guī)則建立對電壓的控制規(guī)則表,可以實現(xiàn)對水泵循環(huán)控制系統(tǒng)輸出偏差的快速有效調(diào)節(jié),而且實現(xiàn)控制的無人值守,以及水泵循環(huán)控制系統(tǒng)的智能化與數(shù)字化。該系統(tǒng)具有體積小、成本低,避免了普通控制系統(tǒng)水流速度過快導(dǎo)致的系統(tǒng)超調(diào)量過大,不易到達穩(wěn)態(tài)的問題。
通過實測數(shù)據(jù)與仿真實驗可知,相比較于傳統(tǒng)的水輪機控制系統(tǒng),基于專家規(guī)則的水輪機控制系統(tǒng)可以使系統(tǒng)超調(diào)量達到23%,有效降低了輸出誤差,且具有較強的抗干擾能力。經(jīng)過實際運行表明,本文提出的控制系統(tǒng)性能穩(wěn)定可靠,效果十分理想。
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