發(fā)布時間:2018/9/17 10:42:29 來源:本站
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(tǒng)框圖如圖1所示。
圖1 太陽能路燈系統(tǒng)框圖
模糊控制單元是本設(shè)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(chǎn)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(tài)直到蓄電池充電完畢,將太陽能電池板所發(fā)出的剩余電能進(jìn)行放電處理。放電過程中,將蓄電池內(nèi)所儲存電能合理地釋放給LED發(fā)光負(fù)載,使路燈發(fā)光達(dá)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
根據(jù)太陽能能源的特性對蓄電池的充電過程采取了一種雙標(biāo)三階段浮充模型。雙標(biāo)三階段充電示意圖如圖3所示。
圖3 蓄電池的雙標(biāo)三階段充電示意圖
雙標(biāo)三階段浮充法中的雙標(biāo)指的是精確的浮充電壓Vf和過標(biāo)準(zhǔn)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(dāng)蓄電池兩端電壓小于過標(biāo)準(zhǔn)開路電壓Voc時,系統(tǒng)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(dá)到Voc。此階段的充電程度能夠達(dá)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(xù)到充電率為Ioct時,才能進(jìn)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(tài)。此階段的Vf必須精確,否則會大大降低蓄電池使用壽命。
2.2.1 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(nèi)定義模糊集(j=1,2,…,15)。uAj1(xi)為四邊形隸屬度函數(shù)。
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(nèi)定義模糊集(j=1,2,…,21)。(xi)為高斯隸屬度函數(shù)。
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(nèi)定義模糊集(j=1,2,…,10)。(xi)為四邊形隸屬度函數(shù)。
2.2.2 太陽能路燈蓄電池充電輸出的模糊化處理
雙標(biāo)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(nèi)定義模糊集(j=1,2,…,41)。(xi)為高斯隸屬度函數(shù)。
2.2.3 模糊規(guī)則的確立
假若一組輸入-輸出數(shù)據(jù)的模糊集合是則對應(yīng)確立一條模糊規(guī)則。
如果:
2.2.4 建立模糊系統(tǒng)
采用乘積推理機(jī)、單值模糊器、中心平均解模糊器的模糊系統(tǒng):
式中:l——模糊規(guī)則;
y-l——第l條模糊規(guī)則輸出模糊集Bj*1的中心。
簡化模糊系統(tǒng)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(fù)載的實時電壓值與整個系統(tǒng)標(biāo)定電壓值之差作為輸入壓差VE,其隸屬函數(shù)的模糊子集是:{low,okay,high},選用高斯隸屬度函數(shù)。
2)LED燈組負(fù)載輸入電壓值的實時變化率Rate,其隸屬函數(shù)模糊子集是:{negative,none,positive},選用高斯隸屬度函數(shù)。
太陽能路燈Fuzzy/PID控制系統(tǒng)框圖如圖4所示。
圖4 太陽能路燈Fuzzy/PID控制系統(tǒng)框圖
2.3.2 輸出變量
Valve控制著DC/DC轉(zhuǎn)換電路的占空比與MOSFET開關(guān)電路,其隸屬函數(shù)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(shù)。
模糊控制規(guī)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)
隸屬度函數(shù)的仿真結(jié)果如圖5和圖6所示。
圖5 高斯隸屬度函數(shù)仿真結(jié)果
圖6 三角隸屬度函數(shù)仿真結(jié)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(shù)仿真結(jié)果。
由圖中可見,高斯隸屬度函數(shù)的仿真結(jié)果顯示出級別劃分較為細(xì)致,能夠較好描述輸入變量中的輸入壓差和直流負(fù)載輸入的實時電壓變化率的正確性。三角隸屬度函數(shù)的仿真結(jié)果表明,輸出變量能夠得到準(zhǔn)確的描述。
Fuzzy系統(tǒng)、PID系統(tǒng)、Fuzzy/PID系統(tǒng)的階躍響應(yīng)如圖7所示。
圖7 階躍響應(yīng)對比圖
從仿真結(jié)果可以看出,F(xiàn)uzzy/PID閉環(huán)控制系統(tǒng)結(jié)合了模糊控制與傳統(tǒng)PID控制在階躍響應(yīng)方面的優(yōu)點。與傳統(tǒng)PID控制相比,F(xiàn)uzzy/PID系統(tǒng)響應(yīng)的超調(diào)量小、反應(yīng)時間快,可以實現(xiàn)蓄電池輸出過程的恒流控制。
設(shè)計的太陽能路燈模糊控制器合理建立起蓄電池充電參數(shù)和充電狀態(tài)之間的關(guān)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(huán)節(jié)中,將模糊控制與傳統(tǒng)的PID控制結(jié)合在一起,形成Fuzzy/PID閉環(huán)控制。從仿真結(jié)果中可知,充電的隸屬度函數(shù)建立正確,綜合比較階躍響應(yīng)結(jié)果,F(xiàn)uzzy/PID系統(tǒng)響應(yīng)的超調(diào)量減少,反應(yīng)時間加快,達(dá)到了LED路燈恒流控制的目的,適合太陽能路燈控制系統(tǒng)。
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