基于模糊控制的电气电压自适应控制器设计

苏洁+孙悦超+陈智

摘 要： 电气设备上的碰撞性负载会造成电气电压波动，以往用于防止电气电压波动的设备存在使用效果不理想的问题。因此，设计基于模糊控制的电气电压自适应控制器，建立模糊控制数学模型和电气设备中电容、电感的虚拟控制通路，将控制通路的工作频率和电气电压设为模型输入项，将工作频率因子设为输出项，使用多向传导晶体阀门连接控制通路，交换通路电气电压并进行补偿，改善电气电压波动情况。进一步介绍了控制器数据采集卡AD760x的高精度采集电路，并对模糊控制下电气电压控制延时的估计过程进行设计，提高控制效果。实验结果表明，所设计的控制器控制效果好，鲁棒性强。

关键词： 模糊控制； 电气电压控制器； 工作频率因子； AD760x

中图分类号： TN954+.2?34； TM761 文献标识码： A 文章编号： 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

隨着电气设备碰撞性负载的逐渐上涨，电气电压开始出现严重波动，造成电气设备运转不稳定，漏电、断路现象时常发生。碰撞性负载的产生源头是非线性用电设备在电网中的大量接入，为了降低碰撞性负载对电气电压的影响，基于交换虚拟电路、PID控制、励磁调节、自适应神经网络等电气电压自适应控制器逐渐产生，目的是弥补电气无用功，进行电压补偿和波动抑制[1]。这些控制器的动态调节效果普遍不好且设计困难，因此，结合曾经给出的电气电压控制原理，扬长避短，设计一种基于模糊控制的电气电压自适应控制器。

1 电气电压自适应控制原理分析

非模糊控制往往无法在短时间内描述太多复杂变量关系，缩减处理步骤又会影响控制精度，显得适得其反。然而，模糊控制却在复杂非线性变量控制中具有绝对优势，主要描述一个模糊推理过程，能容纳更多信息，并且信息内容与现实生活具有较强关联性[2]。模糊控制的基本原理可使用一个数学模型表示，如下：

式中：是动态变量；代表求取最大值；代表目标控制函数；代表局限条件；是等式局限；是不等式局限。在电气电压自适应控制中，模糊控制数学模型中局限条件有发电机力矩、工作频率及局部电流等。

2 基于模糊控制的电气电压自适应控制器设计

2.1 控制结构设计

基于模糊控制的电气电压自适应控制器采用自适应补偿法调节电气电压波动情况，控制器会对电气设备的电容和电感分别建立一个虚拟控制通路，工作频率因子为电路碰撞性负载有关数学参数[3]，用，，分别表示工作频率因子、工作频率和碰撞性负载，的定义式如下：

由式（2）可知，如果电路中存在很多碰撞性负载，工作频率因子数值将偏低。

模糊控制结构如图1所示，为了降低碰撞性负载，提高工作频率因子，基于模糊控制的电气电压自适应控制器将电气设备控制通路中的工作频率和电气电压作为模糊控制数学模型的输入项目，工作频率因子则为模型输出项目。将输入项目分配到集合，中，对两个参量集合同时进行模糊化，运行模型获得多向传导晶体阀门的开关情况，根据模糊规则对以上采集到的数据进行模糊推理和解模糊。

基于模糊控制的电气电压自适应控制器将同时进行电气电压的自适应控制和模糊控制，对动态变量的动态特性要求比较高。提高动态特性可从两方面入手：首先是获得精准的电气电压参数以及多向传导晶体阀门开关情况，其也是修正模糊规则、提高模糊推理精度的重要前提条件[4]；其次缩减控制延时，提升模糊控制自律性。

2.2 采集电路设计

按照模块功能来分，基于模糊控制的电气电压自适应控制器的硬件结构可分为4个模块，分别是开采模块、处理模块、模糊控制模块和交流模块。4个模块中，能够获得多向传导晶体阀门开关情况的是开采模块，该模块进行的信息采集工作是即时采集，所使用的数据采集卡是AD760x，AD760x能够进行多通道同步采样，不同采集通道之间的工作进程和数据均互不干扰，采样精度高，计算精度高达32位，采集通道有12位，平均采集速率为200 Kb/s，自带脉冲宽度调制信号输出功能[5]，为模糊控制模块提供了极大便利。图2是AD760x的高精度采集电路图。由图2可知，AD760x采用5 V电源供电，芯片引脚采用可编程逻辑控制，输入端为差分输入，支持数字选择输出。数字选择输出端口和数字选择器间通过两个电容连接，电容值一高一低，可以对信号进行迭代输出。在进行高于15 V电压数据的采集时，AD760x将进行3次分压，将电压转换成低于9 V的电压进行采集，增强了自身采集精度。

2.3 电气电压控制延时设计

设计基于模糊控制的电气自适应控制器需要重点考虑控制延时，因为电气设备电压波动情况并不简单，现场设备响应、信息挖掘、数据处理等过程会产生延时[6]。

图3是模糊控制对电气电压控制延时的估计过程，整体来看这是一个动态估计过程，将局限条件和延时估计值输入估计控制器进行动态估计。电气电压被控参量普遍进行非线性、不平滑波动，对这些动态变量进行动态线性化的原因在于稳定参量变化波形，过滤噪音波形，得到平滑曲线[7]。

线性化的作用位置是电气电压的即时运转点，即时运转点与模糊控制周期有关，表示即时运转点并非是固定不变的。被控参量模糊化是指对电气电压输出提取平衡参量，用来调整线性化输出，提高模型对电气电压控制延时的估计精度。

3 实验结果与讨论

本文采用北京市近期出现电气电压波动故障的电网数据进行仿真实验，从中提取2 000个电气电压参数，控制周期和延时估计周期均为6 s，图4是仿真实验电路。

仿真实验电路使用220 V交流电源，频率为100 Hz。负载R2和R3都是固定负载，R4是可变负载，R2～R4均可代表非線性用电设备，R5是电气设备阻值。实验中，接通固定电阻R2或调高R4阻值均可进行电气设备分流、分压，提高碰撞性负载。由于电气设备阻值不可变，基于模糊控制的电气电压自适应控制器直接将控制信号作用于可变负载R4之上，通过调节R4阻值减少碰撞性负载，实现电气电压的自适应控制。

图5表示基于模糊控制的电气电压自适应控制器的控制位移与控制时间之间的关系。由图5可知，在未接通固定电阻R2时，由于电路中碰撞性负载不强，改变可变电阻R4阻值之后电气电压的自适应能力逐渐变好，控制位移的波动情况不明显，符合电气电压的实际情况，控制效果好。接通固定电阻R2之后，控制位移仅产生一些微小波动，鲁棒性很强。控制位移先上升后保持平稳，符合实际情况。

4 结 论

本文使用模糊控制数学模型对电气电压自适应控制器进行设计，从如何提高工作频率因子入手，对控制器的控制结构、采集电路和控制延时估计过程进行了设计，使控制器的控制效果得到进一步提升。实验结果表明，本文控制器具有控制效果好和鲁棒性强的特点，控制结果符合电气电压的真实波动情况。

参考文献

[1] 陈原，张晓明，胥志毅.基于模糊控制的自适应幅相补偿控制系统[J].现代雷达，2016，38（5）：54?57.

[2] 陈云，刘新妹，郭栋梁，等.基于模糊自适应PID高精度控制系统设计[J].电机与控制应用，2016，43（2）：13?17.

[3] 刘建秀，张杨，张段芹.压电陶瓷精密控制系统的自适应模糊控制器研究[J].压电与声光，2015，37（5）：806?809.

[4] 张文，张岩，褚晓东，等.基于自适应控制时域参数的电压协调控制[J].电力系统自动化，2015（18）：37?42.

[5] 付子义，邢阳.无刷直流电机的变论域模糊自适应控制[J].计算机仿真，2015，32（5）：336?339.

[6] 孙莉莉，李自成，雷永锋.基于模糊自适应PID算法的快速充电系统设计[J].自动化与仪表，2015，30（4）：69?72.

[7] 张彦会，孟祥虎，肖婷，等.模糊PID自调整控制的锂电池均衡研究[J].电子技术应用，2015，41（10）：123?125.

[8] 郭鹏，孙建起，刘振永，等.基于模糊聚类和自适应神经模糊推理的MPPT研究[J].现代电子技术，2016，39（14）：154?157.