備用通信電源新設(shè)計
1硬件設(shè)計方案
對于發(fā)電機輸出電壓U=Ceφ n
其中,Ce:電動勢常數(shù);φ:勵磁磁通;n:轉(zhuǎn)速(r/min);而φ=KfIf (不考慮飽和影響),Kf為比例常數(shù);If為勵磁電流。
所以,在保證轉(zhuǎn)速不變的情況下調(diào)節(jié)勵磁電流的大小,才能保證輸出電壓的恒壓特性。
本設(shè)計采用了雙閉環(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)電機始終保持在額定轉(zhuǎn)速下運行;電壓控制閉環(huán)通過調(diào)節(jié)勵磁電流來動態(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)動功率小的優(yōu)點,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。因此,IGBT在電氣傳動、電源技術(shù)等方面獲得廣泛應(yīng)用。
光電編碼器:它實現(xiàn)了對轉(zhuǎn)速的高精度采樣。
比例電磁鐵:通過對它兩端的電壓控制達到對油機油門的線性控制。兩端的電壓大或內(nèi)通有效電流大,油門拉大,則油機用油量大,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
轉(zhuǎn)速閉環(huán)如圖2由光電編碼器對轉(zhuǎn)速采樣,輸入到可編程邏輯控制器(PLC)的輸入側(cè),PLC通過控制算法輸出脈寬調(diào)制(PWM)到IGBT,控制電磁鐵中流過電流大小,從而由比例電磁鐵控制油機的油門大小,達到轉(zhuǎn)速N的在線實時調(diào)節(jié)。
2.2 輸出電壓控制閉環(huán)設(shè)計
輸出電壓控制閉環(huán)如圖3,通過對電阻R1上的電壓采樣,即輸出實際電壓值。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通過控制算法輸出脈寬調(diào)制(PWM)到IGBT,從而控制發(fā)電機勵磁繞組電流,達到輸出電壓U的在線調(diào)整。
2. 3 流短路保護電路設(shè)計
通過R2的壓降對輸出電流I采樣到PLC(AD/DA),由PLC判斷處理,例如:采樣電流在3 s內(nèi),一直達到2倍額定電流時切斷電路,起到保護作用。
2.4 三相交流發(fā)電機的設(shè)計
同樣,對于三相交流發(fā)電機的設(shè)計方案如圖5所示,加入了電壓、電流互感器,對電壓、電流進行采樣,其控制過程與直流發(fā)電系統(tǒng)類似,本文就不再敘述。
2軟件設(shè)計
實際中被控系統(tǒng)具有非線性、時變性、時滯性、且由于噪聲、負載擾動等因數(shù)的干擾,難以建立精確的數(shù)學(xué)模型或引起對象數(shù)學(xué)模型的改變,造成控制精度達不到要求。模糊算法和神經(jīng)元算法正是避免了對象的數(shù)學(xué)模型建立,就能達到快速、高精度的控制效果。實驗中證實,對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;對于高精度細調(diào)被控量,要用神經(jīng)元算法,它能夠使被控量在線實時調(diào)整到高精度。
2. 1 速閉環(huán)軟件設(shè)計
由于油機在運行中波動較大,特別是啟動過程,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,而建表要通過大量的計算與實驗才能建立。所以為避免復(fù)雜的計算與實驗,本設(shè)計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驗系統(tǒng)中有著良好的控制效果。它具有非常短的過渡過程,轉(zhuǎn)速只有±3‰的偏差,并且PLC的運算周期短,對PLC 的性能要求要低很多,這在實際中會節(jié)省一大部分硬件投資。這在實際中也是最需要的簡單、快速和高精度的控制算法。
2. 2出電壓控制閉環(huán)設(shè)計
由于勵磁電流變化范圍小,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、積分時間、微分時間;y(t)為調(diào)節(jié)器的輸出信號;e(t)為調(diào)節(jié)器的偏差輸入信號,是給定制與采樣值的差e(t)=r(t)-y(t)。
其中:y(k)是第k次采樣時刻計算機的輸出;e(k)為第k次偏差;
稱為積分系數(shù); 稱為微分系數(shù)。
采用B-P算法,使用非線性函數(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控制器的三個參數(shù)??刂破鞯娜蝿?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)步長為0.001,神經(jīng)元PID在穩(wěn)定狀態(tài)運行時,讀取發(fā)電機系統(tǒng)輸出電壓值與額定值偏差小于±5‰,當有擾動時也能很快的恢復(fù)到給定值。
2. 3 保護電路
對于電流短路保護,設(shè)置采樣周期為3秒,當在采樣周期內(nèi)電流達到2倍的額定電流時,停止運行程序,并有相應(yīng)指示燈顯示為電流短路。
同時,系統(tǒng)還設(shè)有限速保護。例如,當在2秒內(nèi)轉(zhuǎn)速一直達到2倍的額定轉(zhuǎn)速時,停止運行程序,并且也設(shè)有相應(yīng)的指示燈,并另設(shè)置限速開關(guān)保護裝置。
3結(jié)束語
本文提出的應(yīng)急、備用通信電源的設(shè)計方案,既可以用于通信電源機房,也可以用于移動式應(yīng)急電源車。通過使用高精度的控制設(shè)備,與模糊、神經(jīng)元算法的應(yīng)用,做過相關(guān)的模擬實驗。使本系統(tǒng)具有操作簡單、運行可靠、輸出電源質(zhì)量高和環(huán)保節(jié)能的特點,在備用電源設(shè)計中具有一定的通用性,而且本文的設(shè)計在實際中得到了較好的應(yīng)用。
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