太陽能電動車的模糊控制研究

1、基于太陽能車的模糊控制單位：嘉興市交通學校 姓名：楊建偉摘要：目前世界汽車年產(chǎn)量達5000萬輛，汽車保有量近7億輛。我國汽車工業(yè)經(jīng)過40多年的建設(shè)和發(fā)展，取得了長足的進步，特別是70年代末以來，汽車產(chǎn)量以年均12.7%的速度增長。隨著汽車保有量的迅速增長，汽車將成為石油資源的主要消耗者和大氣環(huán)境的主要污染源。太陽能電動車將對解決人類發(fā)展所面臨的能源危機和環(huán)境污染具有重要意義，因此，越來越受到世界各國的重視。太陽能電動汽車的構(gòu)造主要有太陽電池方陣、電力系統(tǒng)、電力控制系統(tǒng)、電動機。所以本文主要對電動機的控制進行了設(shè)計，然后結(jié)合太陽能電動汽車的動力學參數(shù)進行動力性分析，并詳細闡述了直流電動機的速度調(diào)

2、節(jié)原理，并用DSP進行控制，簡要對直流電機硬件部分進行了設(shè)計與分析。關(guān)鍵詞：太陽能電動汽車；模糊控制 正文圖1-1為太陽能汽車的工作原理圖：太陽光照射到太陽能電池板(陣列)時，太陽能電池產(chǎn)生光伏反應，產(chǎn)生直流電，對負載和蓄電池供電，電機控制器控制電機的運行，電機帶動車輪轉(zhuǎn)動并驅(qū)動車輛運動。圖1-1太陽能車的工作原理1模糊控制在電壓控制中的應用在太陽能電動車中，太陽能電池的輸出、蓄電池的自放電及負載(電機)的特性均為不確定量，難以建立精確的數(shù)學模型。采用模糊控制技術(shù)可以較好的滿足工程的要求。1.1模糊控制的概述 概括來講，模糊控制具有以下特點: (l)它是一種非線性控制方法，工作范圍寬，適用范圍

3、廣，特別適合于非線性系統(tǒng)的控制。 (2)它不依賴于對象的數(shù)學模型，對無法建?；蚝茈y建模的復雜對象，也能利用人的經(jīng)驗知識來設(shè)計模糊控制器完成控制任務。而傳統(tǒng)的控制方法都要己知被控對象的數(shù)學模型，才能設(shè)計控制器。 (3)它具有內(nèi)在的并行處理機制，對被控對象的特性變化不敏感，模糊控制器的時間參數(shù)容易選擇調(diào)整。 (4)算法簡單，執(zhí)行快，容易實現(xiàn)。 (5)不需要很多的控制理論知識，容易掌握。 模糊自動控制理論是以模糊集合論、模糊語言變量及模糊邏輯推理為基礎(chǔ)的一種計算機數(shù)字控制。從線性控制與非線性控制的角度分類，模糊控制是一種非線性控制;從控制器的智能性看，模糊控制屬于智能控制的范疇。在模糊控制中，用傳感

4、器代替人的感官，執(zhí)行機構(gòu)代替人手，用模糊控制器代替人腦做出決策。1.2模糊控制的重要概念1.2.1模糊集合與隸屬函數(shù)在經(jīng)典集合論中，任何一個元素與任何一個集合的關(guān)系，只有“屬于”和“不屬于”兩種情況，兩者必居其一，而且只居其一，絕對不允許有模棱兩可。比如“不大于6 的自然數(shù)”是個清晰的概念，該概念的內(nèi)涵和外延是明確的?？墒牵覀兂Ｓ龅?jīng)]有明確外延的概念，它實質(zhì)上和模糊概念。比如“比6 大的多的自然數(shù)”就是一個模糊概念，它不能劃分一個明確的界限，使得在這個界限內(nèi)所有的自然數(shù)比6 大的多，而界限之外的所有自然數(shù)不比6 大的多。只能說某個數(shù)屬于“比6 大的多”的程度高，而另一個數(shù)屬于“比6 大的多”

5、的程度低。如60屬于“比6 大的多”的程度比16 屬于“比6 大的多”的程度高。也就是說模糊集合的邊界是不明確的，它是以不同強度(隸屬度)具備某種特性的元素的整體。L.A.Zadeh 在1965 年把普通集合中的元素對集合的隸屬度只能取0 和1 這兩個值，推廣到可以取區(qū)間0,1的任何一個值。即用隸屬度定量去描述論域U 中的元素符號概念的程度，實現(xiàn)對普通集合中絕對隸屬關(guān)系的擴充和模糊的定量化表示，從而用隸屬函數(shù)表示模糊集合，用模糊集合表示模糊概念。模糊集合的數(shù)學描述如下:A=(x,A(x),xX)A(x)為元素x 屬于模糊集合A 的隸屬度，X 是元素x 的論域。模糊數(shù)學把集合的特征函數(shù)的取值范圍

6、擴大為0,1閉區(qū)間任意值的連續(xù)邏輯，并稱之為模糊集合的隸屬函數(shù)，它是模糊集合的重要組成部分，在理論上隸屬函數(shù)描述了一個論域中所有元素屬于模糊集合的強度。模糊系統(tǒng)中常用的隸屬函數(shù)有高斯型、雙側(cè)高斯型、鐘型、sigmoid 函數(shù)型、Z 型、S 型、三角型隸屬函數(shù)，隸屬函數(shù)可以是任意形狀的曲線，取什么形狀取決于它的使用是否簡單、快速、有效，唯一的約束條件是隸屬函數(shù)的值域為0,1。1.2.2模糊關(guān)系及模糊推理描述元素之間是否相關(guān)的數(shù)學模型稱為關(guān)系，描述元素之間相關(guān)程度的數(shù)模型稱為模糊關(guān)系。顯然模糊關(guān)系是普遍關(guān)系的拓寬和發(fā)展，而普通關(guān)系可認是模糊關(guān)系的特例。模糊關(guān)系是模糊數(shù)學的重要組成部分。當論域有限時

7、，可模糊矩陣表示模糊關(guān)系，模糊矩陣為模糊關(guān)系的運算帶來了極大的方便，成為模糊關(guān)系的主要運算工具。模糊關(guān)系是描述元素之間相關(guān)的程度的數(shù)學模型，其定義為:兩個非空集合U和V 之間的直積U×V=（u,v);uU,vV中的一個模糊子集R 被稱為U 到V 的模糊關(guān)系，又稱為二元模糊關(guān)系。其特性可以用下面的隸屬函來描述R: U×V0,1，隸屬函數(shù)R（u,v）表示序偶(u,v)的隸屬函數(shù)。當論域為n 個集合Ui(i=1，2，3，n)的直積U1×U2×U3××Un 時，它們對應的模糊關(guān)系R 則稱為n 元模糊關(guān)系。推理就是根據(jù)己知的一些命題，按照一定的

8、法則，去推斷一個新的命題的思維過程和思維方式。簡言之就是從已知條件求未知結(jié)果的思維過程就是推理。使用傳統(tǒng)的二值邏輯進行演繹推理和歸納推理時，只要大前提和推理規(guī)則是正確的，小前提是肯定的，那么就一定會得到正確的結(jié)論。然而，在顯示生活中，我們獲取的信息往往是不精確的、不完善的，或者是事實本身就是模糊而不完全正確的，但有必須利用且只能利用這些信息進行判斷和決策。模糊邏輯推理是一種新的推理方法，其基礎(chǔ)是模糊邏輯，它是在二值邏輯三段論的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。由于它缺少現(xiàn)代形式邏輯中的性質(zhì)及理論上的不完善，這種推理方法還未得到一致的公認。但是，這種推理方法所得到的結(jié)論與人的思維一致或相近，在實踐中證明是有用的

9、。模糊推理是一種以模糊判斷為前提，運用模糊語言規(guī)則，推出一個新的近似的模糊判斷結(jié)論的方法。常用的推理方法有Zadeh 推理法和Mamdani 推理法。1.3模糊控制在電壓穩(wěn)壓中的應用圖1-3 電壓穩(wěn)壓控制系統(tǒng)框圖本車采用的鎳氫電池單體的最佳工作電壓在12.5V一12.7V，10組串聯(lián)后為125V127V；太陽能電池單體的最佳工作電壓在O.425V，330片串聯(lián)后的電壓為140V。由于鎳氫電池的卡位作用，供負載的電壓為鎳氫電池的端電壓。所以只有電機工作在12.5V12.7V之間，動力匹配最佳。但是，鎳氫電池的端電壓是時刻變化的，為了使電機工作在最佳狀態(tài)，則要使電機的輸入電壓保持在125V左右。模

10、糊控制通過模糊邏輯和近似推理方法，讓計算機把人的經(jīng)驗形式化、模型化，根據(jù)所得的語言控制規(guī)則進行模糊推理，給出模糊輸出判決，并將其轉(zhuǎn)化為精確量，作為饋送到被控對象(或過程)的控制作用。MATLAB中的SIMULINK模塊可以進行模糊控制器的設(shè)計。所設(shè)計的電壓穩(wěn)壓控制系統(tǒng)如圖1-3。模糊控制器采用如下3個模糊變量:VE(voltage error)一(蓄電池)電壓差RV(rate of voltage)一(蓄電池)電壓變化率a一占空比VE、RV為輸入模糊變量，a為輸出模糊變量。VE論域量化為13檔，即:一6，一5，一4，一3，一2，一l，0，1，2，3，4，5，6。選用的詞集為:NB，NM，NS，

11、Z，PS，PM，PB。其隸屬函數(shù)分布如圖1-4(a)；RV論域也量化為13檔，即:一6，一5，一4，一3，一2,一1，0，l，2，3，4，5，6。選用的詞集為:NB，NM，NS，Z，PS，PM，PB。其隸屬函數(shù)分布如圖1-4(b)；a的論域分為15檔，即:一7,一6，一5，一4，一3，一2,一1，0，l，2，3，4，5，6，7。選用的詞集為:NB，NM，NS，Z，PS，PM，PB。其隸屬函數(shù)分布如圖1-4(c)；圖1-4隸屬函數(shù)分布圖程序中隸屬函數(shù)全部采用三角形(trimf)(也可采用高斯型(gaussmf)、梯形(trapmf)等)；去模糊化采用重心法(centroid)(也可采用最大隸屬度

12、法(MOM)、中位值法(Bisector)。模糊控制規(guī)則一共有49條，它所形成的曲面見圖1-5。圖1-5控制規(guī)則曲面圖參考文獻l吳志新，斤玉梅等.清潔汽車和潔凈車用能源的發(fā)展.國際石油經(jīng)濟，2000,8(5):10-12.2張弓.電動汽車永磁無刷直流電動機直接馭動控制系統(tǒng)的研究:(碩士學位論文).哈爾濱工業(yè)大學,1998.3左大經(jīng).電動車輛用鎳氫電池的開發(fā).上海化工,1998,8:65-66.4高博，王勇.追日一我國第一代太陽能電動賽車駛出國門.汽車與安全.1999.5商國華.電動車用第二代電池.世界汽車.1999，(7):15-17.6張鵬，孟進等.鎳氫電池的原理及與鎳福電池的比較.國外電子元器件.1997，(5):16-18.7葉金虎，徐思海等.無刷直流電動機.科學出版社.2002.8章瑋，姚維等.數(shù)字信號處理器(DSP)在電機控制中的應用.中小型電機.2001，28(4):32-34.9國家機械工業(yè)委員會.電機原理.北京：機械工業(yè)出版社，1988.10門保全.電動汽車.湖南：湘潭大學出版社.201011施佩特，許實章等.電機運行理論導論.北京：機械工業(yè)