田江平（山西省晉中市通信分公司，山西 晉中 030600）
摘 要： 設(shè)計(jì)了一種新型的應(yīng)急、備用通信電源，硬件上采用了雙閉環(huán)控制電路，軟件上使用了神經(jīng)元PID算法和提出了雙模糊控制算法。 并且設(shè)計(jì)有軟、硬件的保護(hù)電路。達(dá)到了簡(jiǎn)單、可靠、輸出電源質(zhì)量高和環(huán)保節(jié)能的效果。
關(guān)鍵詞：通信電源；模糊控制；神經(jīng)元算法；PID算法 ；可編程邏輯控制器（PLC）； PWM； IGBT；比例電磁鐵
在通信企業(yè)中，電源是通信系統(tǒng)的“心臟”， 是全程全網(wǎng)暢通的根本保障。供電系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性和供電質(zhì)量，直接影響到通信網(wǎng)絡(luò)能否穩(wěn)定的運(yùn)行。應(yīng)急、備用通信電源是通信電源系統(tǒng)中不可缺少的部分。在特定的環(huán)境和特殊時(shí)期都發(fā)揮著不可替代的作用。現(xiàn)階段的應(yīng)急、備用通信電源，有的只采用了簡(jiǎn)單的閉環(huán)控制，有的甚至還采用著開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)，這必然會(huì)造成電源與市電的切換過(guò)程時(shí)間長(zhǎng)、輸出電源質(zhì)量差和消耗能源多的缺點(diǎn)，并且難以滿(mǎn)足通信網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定運(yùn)行的要求。而進(jìn)口應(yīng)急、備用通信電源雖然能達(dá)到要求，但其價(jià)格昂貴，造成了企業(yè)開(kāi)支較大。本文提出了一種新型的應(yīng)急、備用通信電源的設(shè)計(jì)方案，能夠達(dá)到可靠、穩(wěn)定、操作簡(jiǎn)單和輸出電源質(zhì)量高的特點(diǎn)。并且由于本系統(tǒng)采用了模糊和神經(jīng)元等先進(jìn)的智能控制算法，在實(shí)際中必定能夠減少能源的消耗。
1硬件設(shè)計(jì)方案
對(duì)于發(fā)電機(jī)輸出電壓U=Ceφ n
其中，Ce：電動(dòng)勢(shì)常數(shù)；φ：勵(lì)磁磁通；n：轉(zhuǎn)速（r/min）；而φ=KfIf （不考慮飽和影響），Kf為比例常數(shù)；If為勵(lì)磁電流。
所以，在保證轉(zhuǎn)速不變的情況下調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流的大小，才能保證輸出電壓的恒壓特性。
本設(shè)計(jì)采用了雙閉環(huán)控制電路，如圖1所示。分別是轉(zhuǎn)速閉環(huán)和輸出電壓控制閉環(huán)。轉(zhuǎn)速閉環(huán)使發(fā)電機(jī)始終保持在額定轉(zhuǎn)速下運(yùn)行；電壓控制閉環(huán)通過(guò)調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流來(lái)動(dòng)態(tài)調(diào)整輸出額定電壓。主要控制器件選取如下：
可編程邏輯控制器（PLC）：可編程邏輯控制器已廣泛用于工業(yè)生產(chǎn)中，它以極短的掃描周期，豐富的性能，極大地提高了生產(chǎn)效率。并且能夠適應(yīng)于惡劣的工作環(huán)境，和很強(qiáng)的聯(lián)網(wǎng)和監(jiān)控功能。本系統(tǒng)選用了SIMENS S7-200 CPU222 。
IGBT：它既具有功率MOSFET高輸入阻抗、高速、熱穩(wěn)定性好和驅(qū)動(dòng)功率小的優(yōu)點(diǎn)，又具有GTR通態(tài)電壓低，導(dǎo)通損耗小而耐壓值高的優(yōu)點(diǎn)。因此，IGBT在電氣傳動(dòng)、電源技術(shù)等方面獲得廣泛應(yīng)用。
光電編碼器：它實(shí)現(xiàn)了對(duì)轉(zhuǎn)速的高精度采樣。
比例電磁鐵：通過(guò)對(duì)它兩端的電壓控制達(dá)到對(duì)油機(jī)油門(mén)的線(xiàn)性控制。兩端的電壓大或內(nèi)通有效電流大，油門(mén)拉大，則油機(jī)用油量大，轉(zhuǎn)速快。本系統(tǒng)選用了1T型直流可控電磁鐵。
2．1轉(zhuǎn)速閉環(huán)設(shè)計(jì)
轉(zhuǎn)速閉環(huán)如圖2由光電編碼器對(duì)轉(zhuǎn)速采樣，輸入到可編程邏輯控制器（PLC）的輸入側(cè)，PLC通過(guò)控制算法輸出脈寬調(diào)制（PWM）到IGBT，控制電磁鐵中流過(guò)電流大小，從而由比例電磁鐵控制油機(jī)的油門(mén)大小，達(dá)到轉(zhuǎn)速N的在線(xiàn)實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)。
2．2 輸出電壓控制閉環(huán)設(shè)計(jì)
輸出電壓控制閉環(huán)如圖3，通過(guò)對(duì)電阻R1上的電壓采樣，即輸出實(shí)際電壓值。這樣，采樣電壓輸入到可編程邏輯控制器（PLC）的模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊（AD/DA），PLC通過(guò)控制算法輸出脈寬調(diào)制（PWM）到IGBT，從而控制發(fā)電機(jī)勵(lì)磁繞組電流，達(dá)到輸出電壓U的在線(xiàn)調(diào)整。
2． 3 流短路保護(hù)電路設(shè)計(jì)
通過(guò)R2的壓降對(duì)輸出電流I采樣到PLC（AD/DA），由PLC判斷處理，例如：采樣電流在3 s內(nèi)，一直達(dá)到2倍額定電流時(shí)切斷電路，起到保護(hù)作用。
2.4 三相交流發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)
同樣，對(duì)于三相交流發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)方案如圖5所示，加入了電壓、電流互感器，對(duì)電壓、電流進(jìn)行采樣，其控制過(guò)程與直流發(fā)電系統(tǒng)類(lèi)似，本文就不再敘述。
2軟件設(shè)計(jì)
實(shí)際中被控系統(tǒng)具有非線(xiàn)性、時(shí)變性、時(shí)滯性、且由于噪聲、負(fù)載擾動(dòng)等因數(shù)的干擾，難以建立精確的數(shù)學(xué)模型或引起對(duì)象數(shù)學(xué)模型的改變，造成控制精度達(dá)不到要求。模糊算法和神經(jīng)元算法正是避免了對(duì)象的數(shù)學(xué)模型建立，就能達(dá)到快速、高精度的控制效果。實(shí)驗(yàn)中證實(shí)，對(duì)于被控量大起大落的情況需要模糊算法，它能夠起到快速調(diào)節(jié)的作用；對(duì)于高精度細(xì)調(diào)被控量，要用神經(jīng)元算法，它能夠使被控量在線(xiàn)實(shí)時(shí)調(diào)整到高精度。
2． 1 速閉環(huán)軟件設(shè)計(jì)
由于油機(jī)在運(yùn)行中波動(dòng)較大，特別是啟動(dòng)過(guò)程，這就要求使用模糊算法。由于傳統(tǒng)的模糊算法需要建立高精度的模糊控制表，而建表要通過(guò)大量的計(jì)算與實(shí)驗(yàn)才能建立。所以為避免復(fù)雜的計(jì)算與實(shí)驗(yàn)，本設(shè)計(jì)提出了一種雙模糊控制算法。
2．1模糊規(guī)則建立
將偏差E，偏差變化率EC和控制量U的論域都取為：
E=EC=U={-3，-2，-1，0，1，2，3}
雙模糊控制算法在本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中有著良好的控制效果。它具有非常短的過(guò)渡過(guò)程，轉(zhuǎn)速只有±3‰的偏差，并且PLC的運(yùn)算周期短，對(duì)PLC 的性能要求要低很多，這在實(shí)際中會(huì)節(jié)省一大部分硬件投資。這在實(shí)際中也是最需要的簡(jiǎn)單、快速和高精度的控制算法。
2． 2出電壓控制閉環(huán)設(shè)計(jì)
由于勵(lì)磁電流變化范圍小，又要求有很高的精度控制，所以本系統(tǒng)選用了神經(jīng)元PID算法。
其中: Kc、Ti、Td分別為模擬調(diào)節(jié)器的比例增益、積分時(shí)間、微分時(shí)間；y(t)為調(diào)節(jié)器的輸出信號(hào)；e(t)為調(diào)節(jié)器的偏差輸入信號(hào)，是給定制與采樣值的差e(t)=r(t)-y(t)。
其中：y(k)是第k次采樣時(shí)刻計(jì)算機(jī)的輸出；e(k)為第k次偏差；
稱(chēng)為積分系數(shù)； 稱(chēng)為微分系數(shù)。
采用B-P算法，使用非線(xiàn)性函數(shù)
網(wǎng)絡(luò)的輸入層為：
x1=e(k)
x2=e(k-1)
x3=e(k-2)
網(wǎng)絡(luò)的輸出層為：
Δu=ω1*x1+ω2*x2+ω3*x3
其中，ωi為其系數(shù)。從表達(dá)式可以看出神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器具有PID控制器結(jié)構(gòu)，其權(quán)系數(shù)就等于PID控制器的三個(gè)參數(shù)。控制器的任務(wù)就是就是調(diào)整控制量u(k)，使得輸出y(k)等于r。
由此，可以在線(xiàn)修正權(quán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系數(shù)。
控制效果分析
采樣周期T=50ms，學(xué)習(xí)步長(zhǎng)為0.001，神經(jīng)元PID在穩(wěn)定狀態(tài)運(yùn)行時(shí)，讀取發(fā)電機(jī)系統(tǒng)輸出電壓值與額定值偏差小于±5‰，當(dāng)有擾動(dòng)時(shí)也能很快的恢復(fù)到給定值。
2． 3 保護(hù)電路
對(duì)于電流短路保護(hù)，設(shè)置采樣周期為3秒，當(dāng)在采樣周期內(nèi)電流達(dá)到2倍的額定電流時(shí)，停止運(yùn)行程序，并有相應(yīng)指示燈顯示為電流短路。
同時(shí)，系統(tǒng)還設(shè)有限速保護(hù)。例如，當(dāng)在2秒內(nèi)轉(zhuǎn)速一直達(dá)到2倍的額定轉(zhuǎn)速時(shí)，停止運(yùn)行程序，并且也設(shè)有相應(yīng)的指示燈，并另設(shè)置限速開(kāi)關(guān)保護(hù)裝置。
3結(jié)束語(yǔ)
本文提出的應(yīng)急、備用通信電源的設(shè)計(jì)方案，既可以用于通信電源機(jī)房，也可以用于移動(dòng)式應(yīng)急電源車(chē)。通過(guò)使用高精度的控制設(shè)備，與模糊、神經(jīng)元算法的應(yīng)用，做過(guò)相關(guān)的模擬實(shí)驗(yàn)。使本系統(tǒng)具有操作簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、輸出電源質(zhì)量高和環(huán)保節(jié)能的特點(diǎn)，在備用電源設(shè)計(jì)中具有一定的通用性，而且本文的設(shè)計(jì)在實(shí)際中得到了較好的應(yīng)用。
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