CN111245316A

CN111245316A - 基于双模糊pi控制的航空宽变频三级式电机调压方法

Info

Publication number: CN111245316A
Application number: CN202010160543.5A
Authority: CN
Inventors: 曹俊鹏; 王慧贞; 宋洁; 路通; 黄泽雷
Original assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Current assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Priority date: 2020-03-10
Filing date: 2020-03-10
Publication date: 2020-06-05
Anticipated expiration: 2040-03-10
Also published as: CN111245316B

Abstract

本发明公布了一种基于双模糊PI控制的航空宽变频三级式电机调压方法，在电压调节的过程中检测调节点反馈电压与参考电压的偏差，并求得偏差的微分，根据偏差与偏差的微分制定模糊控制的第一模糊控制器来确定PI值的变化量，另外根据转速为输入量，制定第二模糊控制器来确定上述第一模糊控制器PI值变化围绕的的中心点，通过两个模糊控制器根据实际转速和误差以及误差的变化率信息确定电压环的比例参数与积分参数，控制发电机实现更好的稳态与动态性能。本发明克服了传统方法不能适应航空三级式发电机宽转速变化范围内负载变化的情况。

Description

基于双模糊PI控制的航空宽变频三级式电机调压方法

技术领域

本发明属于航空变频发电系统的数字技术领域，尤其涉及一种于双模糊PI控制的航空宽变频三级式电机调压方法。

背景技术

航空发电机电压调节器通过调节发电机的励磁电流的大小使调压点的电压稳定在固定值。在原动机转速发生变化、机载负载发生变化等情况下，可能会使调压点电压不稳定，此时调压调节器通过电压闭环调节输出电压恒定。

变频电源系统有着结构简单，重量轻，体积小，效率高的优点，已经逐渐替代变速恒频发电系统成为未来大型航空电源系统的发展方向，目前先进的多电飞机如波音787与空客A380均为三级式发电机发电的变速变频发电系统。由于发电机的转速变化较大，负载变化大，尤其是脉冲负载，航空供电系统要求的动态调节时间小于50ms，这对调压器的控制提出了更高的要求。晶体管模拟调压器已不能适应现在航空发电机的控制需求，数字调压器具有受环境因素影响相对较小、较强的非线性调节能力、控制参数调节简单、数据通讯与记录功能等优点。

数字调压器常用的是电压外环、电流内环的双环控制结构，其调压系统电路框图如图1所示，励磁主电路采用不对称半桥。调节点反馈电压与参考电压经过电压环PI调节得到励磁电流参考值，励磁电流参考值与励磁电流经过励磁电流环PI调节得到调制信号U_f，然后与三角载波交截得到占空比信号驱动励磁功率管。

三级式发电机是典型的的非线性系统，采用传统的双闭环PI控制的线性控制模式难以应对突加卸负载情况，且宽变频三级式发电机频率变化范围在360～800Hz，转速变化范围大，输出电压频率变化范围宽，发电机系统的前向通道在不同转速条件下增益有较大变化，使得普通的双闭环PI控制难以获得较好的控制效果。

发明内容

发明目的：针对现有技术存在控制效果不佳等问题，本发明提供一种基于双模糊PI控制的航空宽变频三级式电机调压方法。

技术方案：本发明提供一种基于双模糊PI控制的航空宽变频三级式电机调压方法，用于三级式发电机中，具体包括如下步骤：

步骤1、将永磁副励磁机的输出线电压的输出波形调整为与输出线电压频率相同的方波信号；捕获该方波信号上连续的2个上升沿的时间差，根据该时间差计算的得到永磁副励磁机的频率f_pmg；

步骤2、根据永磁副励磁机与三级式发电机中的主发电机之间的极对数关系和f_pmg，计算得到主发电机交流信号的频率f，基于频率f确定主发电机的转速n；

步骤3、双模糊控制：调节点反馈电压，计算调节点反馈电压与参考电压的偏差e及偏差的微分ec，对偏差e以及偏差的微分ec进行模糊化处理，得到电压环的比例参数和积分参数的变化量ΔK_p与ΔK_i；对发电机的实时转速n进行模糊化处理，得到比例参数和积分参数的变化量的中心值K_pc与K_ic；根据ΔK_p、ΔK_i、K_pc、K_ic，确定电压环的比例参数K_p和积分参数K_i；

利用该比例参数K_p和积分参数K_i对调节点反馈电压与参考电压进行电压环的PI调节，得到励磁电流参考值；

步骤4、采集励磁绕组上的电流I_if，并计算I_if与步骤3中励磁电流参考值的差值，对该差值进行励磁电流环的PI调节，得到励磁电压信号U_f；

步骤5、将U_f与三角波进行交截比较得到PWM调制信号；当PWM调制信号为高电平时，将永磁发电机经过三相不控整流后的电压U_PMG输入至励磁绕组，作为励磁绕组的磁源；当PWM调制信号为低电平时，断开U_PMG与励磁绕组的连接。

进一步的，所述步骤3中计算得到电压环的比例参数和积分参数的变化量ΔK_p与ΔK_i的具体方法为：

计算ΔK_p：利用隶属度函数，求得偏差、偏差的微分对预设的第一输入模糊语言的隶属度；根据该隶属度、预设的第一模糊规则，模糊推理得到电压环比例参数的变化量ΔK_p对预设的第一输出模糊语言的隶属度；使用加权平均算法对模糊推理的结果进行清晰化处理，得到ΔK_p；

计算ΔK_i：利用隶属度函数，求得e、ec对预设好的第二输入模糊语言的隶属度；根据该隶属度、预设的第二模糊规则，模糊推理得到积分参数的变化量ΔK_i对预设的第二输出模糊语言的隶属度；使用加权平均算法对模糊推理的结果进行清晰化处理，得到ΔK_i；

计算K_pc：利用隶属度函数，得到n对预设好的第三输入模糊语言的隶属度；根据该隶属度、预设的第三模糊规则，模糊推理得到比例参数变化量的中心值K_pc对预设的第三输出模糊语言的隶属度，使用加权平均算法对模糊推理的结果进行清晰化处理，得到K_pc；

计算K_ic：利用隶属度函数，得到n对预设的第四输入模糊语言的隶属度；根据该隶属度、预设的第四模糊规则，模糊推理得到积分参数变化量的中心值K_ic对预设的第四输出模糊语言的隶属度，使用加权平均算法对模糊推理的结果进行清晰化处理，得到K_ic。

进一步的，所述预设的第一～第四输入模糊语言值均为NB、NM、NS、Z、PS、PM、PB；所述预设的第一～第四输出模糊语言值也均为NB、NM、NS、Z、PS、PM、PB；其中，PB表示正大，PM表示正中，PS表示正小，Z表示零，NS表示负小，NM表示负中，NB表示负大；计算e、ec对第一、二输入模糊语言的隶属度时，e和ec的论域均为{-6、-4、-2、0、2、4、6}；计算n对第三、四输入模糊语言的隶属度时，n的论域也均为{-6、-4、-2、0、2、4、6}。

进一步的，所述第一模糊规则如表1所示：表1

所述第二模糊规则如表2所示：

表2

所述第三模糊规则如表3所示：

表3

所述第四模糊规则如表4所示：

表4

进一步的，所述隶属度函数采用三角形隶属度函数和上下梯形隶属度函数。

进一步的，所述步骤3中：根据ΔK_p、ΔK_i、K_pc、K_ic，确定电压环的比例参数K_p和积分参数K_i具体为：K_pΔΔK_p+K_pc；K_i＝ΔK_i+K_ic。

进一步的，所述步骤5中基于U_f，得到PWM调制信号具体为：将U_f与三角波进行交截比较得到PWM调制信号

进一步的，所述步骤3中的双模糊控制由总控制器实现，所述总控制器包括双输入双输出的第一模糊控器和单输入双输出的第二模糊控制器；所述第一模糊控器的两个输入为e和ec；第二模糊控制的输入为n；第一模糊控制器的第一、二输出结果为ΔK_p、ΔK_i；

第二模糊控制器的第一、二输出结果为K_pc、K_ic；总控制将ΔK_p和K_pc进行合并，将ΔK_i和K_ic进行合并。

有益效果：本发明提出的基于双模糊PI控制的航空宽变频三级式电机调压方法可以根据电机实际转速以及负载的变化情况，对电压环调节器的控制参数P、I进行非线性处理，得到相应的PI参数。此方法在不同负载变化与不同转速条件下提高了系统的动态与稳态性能。

附图说明

图1为传统的双环控制结构调压系统电路框图；

图2为典型的模糊PI控制器系统框图；

图3为本发明的电路框图；

图4为两个模糊控制器中隶属度函数示意图；

图5(a)为双模糊控制器确定电压环比例参数K_p的结构图；(b)为双模糊控制器确定积分参数K_i的的结构图。

具体实施方式

构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

如图1、2所示，传统的数字调压器常用的是电压外环、电流内环的双环控制结构，励磁主电路采用不对称半桥。调节点反馈电压与参考电压经过电压环PI调节得到励磁电流参考值，励磁电流参考值与励磁电流经过励磁电流环PI调节得到调制信号U_f，然后与三角载波交截得到占空比信号驱动励磁功率管。

如图3所示，本实施例提供一种基于双模糊PI控制的航空宽变频三级式电机调压方法：

步骤A，永磁副励磁机的线电压经过调理整形为同频率的方波信号，送到DSP捕获口中计算方波两个上升沿的时间差，然后由方波周期得到永磁副励磁机频率f_pmg；

步骤B，根据永磁副励磁机与三级式发电机中的主发电机之间的极对数关系和f_pmg，计算得到主发电机交流信号的频率f，基于频率f确定主发电机的转速n；

步骤C，将主发电机的输出电压作为调节点反馈电压，计算调节点反馈电压U_port与参考电压U_ref的偏差e及偏差的微分ec，根据偏差及偏差的微分由第一模糊控制器得到在该状态下电压环的比例参数和积分参数的变化量ΔK_p与ΔK_i，再根据转速变量确定电压环构造单输入双输出的第二模糊控制器来确定比例参数和积分参数变化的中心值K_pc与K_ic，两者相加确定电压环的比例参数K_p和积分参数K_i，调节点反馈电压U_port与参考电压U_ref进行电压环的PI调节得到励磁电流参考值I_ref；

步骤D，对检测的励磁上的励磁电流信号I_if与步骤B中计算的励磁电流参考值I_ref进行励磁电流环的PI调节得到调制信号U_f；

步骤E，永磁发电机三相整流后的电压作为励磁源，调制信号U_f与三角载波进行交截得到PWM调制信号；

步骤F，对PWM波调制信号进行调制得到占空比信号,驱动电路根据占空比信号得到励磁功率管驱动信号；当PWM调制信号为高电平时，通过不对称半桥电路将永磁发电机经过三相不控整流后的电压U_PMG输入至励磁绕组，作为励磁绕组的磁源；当PWM调制信号为低电平时，通过不对称半桥电路，断开U_PMG与励磁绕组的连接。

作为本实施例航空宽变频三级式发电机模糊PI控制进一步的优化方案,基于双模糊PI控制的航空宽变频三级式电机调压方法的具体操作步骤如下：

首先求电压环模糊PI控制器的比例参数K_p:在第一模糊控制器中，将调压点反馈电压U_port与参考电压U_ref的差值e以及差值的变化率ec进行模糊化，通过比例K_pe与K_pec，将差值以及差值的变化率归一到[-6，6]的范围内，根据第一模糊控制器的第一输入模糊语言PB、PM、PS、Z、NS、NM、NB及其隶属函数u，求得偏差e及偏差的微分ec分别对PB、PM、PS、Z、NS、NM、NB的隶属度，隶属度函数采用三角形和上下梯形隶属度函数，如图4所示；

根据偏差e及偏差的微分ec对第一模糊控制器(模糊控制器I)的第一输入模糊语言的隶属度，模糊推理得到比例参数变化量ΔK_p对第一模糊控制器的第一输出语言PB、PM、PS、Z、NS、NM、NB的隶属度：通过偏差与偏差的微分输入模糊控制语言的笛卡尔积求得；最后使用加权平均法对模糊推理的结果进行清晰化，得到电压环调节器比例参数的变化量ΔK_p。此时采用的模糊规则如表1所示：

表1

求电压环调节器比例参数变化的中心值K_pc：在第二模糊控制器(模糊控制器II)中，将实时的转速信号n作为输入量输入到第二模糊控制器中进行模糊化，通过比例K_pn，将整个转速范围归一到[-6，6]的范围内，根据第二模糊控制器的第三输入模糊语言PB、PM、PS、Z、NS、NM、NB及其隶属函数u，求得电机转速n对第三输入模糊语言PB、PM、PS、Z、NS、NM、NB的隶属度，隶属度函数采用三角形和上下梯形隶属度函数，如图4所示；

根据转速n对模糊控制语言的隶属度，模糊推理得到比例参数变化量的中心值K_pc对第二模糊控器的第三输出模糊语言(所述第三输出模糊语言值为PB、PM、PS、Z、NS、NM、NB)的隶属度；使用加权平均法对模糊推理的结果进行清晰化得到电压环调节器比例参数的变化中心值K_pc。此时采用的模糊规则如表3所示：

表3

接下来求电压环模糊PI控制器的比例参数ΔK_i，在第一模糊控制器中，将调压点反馈电压U_port与参考电压U_ref的差值e以及偏差的微分ec进行模糊化通过比例K_ie与K_iec，将偏差以及偏差的微分归一到[-6，6]的范围内，根据第一模糊控制器的第二输入模糊语言值PB、PM、PS、Z、NS、NM、NB及其隶属函数u，求得偏差e及偏差的微分ec分别对第二输入模糊语言的隶属度，隶属度函数采用三角形和上下梯形隶属度函数，

根据偏差e及偏差的微分ec对第二输入模糊语的隶属度，模糊推理得到积分参数变化量ΔK_i对第一模糊控制器的第二输出模糊语言(第二输出模糊语言值为PB、PM、PS、Z、NS、NM、NB)的隶属度，使用加权平均法对模糊推理的结果进行清晰化，得到电压环调节器积分参数的变化量ΔK_i。此时的模糊规则如表2所示：

表2

求电压环调节器积分参数变化的中心值K_ic，在第二模糊控器中，将实时的转速信号n作为输入量输入到第二模糊控器中进行模糊化，通过比例K_pn，将整个转速范围归一到[-6，6]的范围内，根据第二模糊控器的第四输入模糊语言PB、PM、PS、Z、NS、NM、NB及其隶属函数u，求得电机转速n对第四输入模糊语的隶属度，隶属度函数采用三角形和上下梯形隶属度函数，如图4所示；

根据转速n对第四输入模糊控制语言的隶属度，模糊推理得到积分参数变化的中心值K_ic对第二模糊控器的第四输出模糊语言的隶属度(第四输出模糊语言值为PB、PM、PS、Z、NS、NM、NB)，使用加权平均法对模糊推理的结果进行清晰化得到电压环调节器比例参数的变化中心值K_ic。此时采用的模糊规则如表4所示：

表4

如图5所示，将求得的比例参数的变化量ΔK_p与中心值K_pc相加即可求得电压环的比例参数K_p。将比例参数的变化量ΔK_i与中心值K_ic相加即可求得电压环的积分参数K_i。

PB表示正大，PM表示正中，PS表示正小，Z表示零，NS表示负小，NM表示负中，NB表示负大。

如图4所示，计算e、ec对第一、二输入模糊语言的隶属度时，e和ec的论域均为{-6、-4、-2、0、2、4、6}；计算n对第三、四输入模糊语言的隶属度时，n的论域也均为{-6、-4、-2、0、2、4、6}。

本发明公开了基于双模糊PI控制的航空宽变频三级式发电机调压方法，可以在宽的转速变化范围内将电压环的PI参数根据加卸载以及转速进行设定，改善了系统的动态性能；保证了系统的动态和稳态特性，根据转速、调压点电压与参考电压的误差大小及其变化率对控制参数PI进行非线性的处理，在误差大的时候动态性能提高，系统接近稳定后又能提高系统的稳态精度。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。

Claims

1.基于双模糊PI控制的航空宽变频三级式电机调压方法，应用于调节三级式发电机中，其特征在于，具体包括如下步骤：

步骤3、双模糊控制：将主发电机的输出电压作为调节点反馈电压，计算调节点反馈电压与参考电压的偏差e及偏差的微分ec，对偏差e以及偏差的微分ec进行模糊化处理，得到电压环的比例参数和积分参数的变化量ΔK_p与ΔK_i；对发电机的实时转速n进行模糊化处理，得到比例参数和积分参数的变化量的中心值K_pc与K_ic；根据ΔK_p、ΔK_i、K_pc、K_ic，确定电压环的比例参数K_p和积分参数K_i；

步骤4、实时采集励磁绕组上的电流I_if，并计算I_if与步骤3中励磁电流参考值的差值，对该差值进行励磁电流环的PI调节，得到励磁电压信号U_f；

步骤5、基于U_f，得到PWM调制信号，当PWM调制信号为高电平时，将永磁发电机经过三相不控整流后的电压U_PMG输入至励磁绕组，作为励磁绕组的磁源；当PWM调制信号为低电平时，断开U_PMG与励磁绕组的连接。

2.根据权利要求1所述的基于双模糊PI控制的航空宽变频三级式电机调压方法，其特征在于，所述步骤3中计算得到电压环的比例参数和积分参数的变化量ΔK_p与ΔK_i的具体方法为：

3.根据权利要求2所述的基于双模糊PI控制的航空宽变频三级式电机调压方法，其特征在于，所述预设的第一～第四输入模糊语言值均为NB、NM、NS、Z、PS、PM、PB；所述预设的第一～第四输出模糊语言值也均为NB、NM、NS、Z、PS、PM、PB；其中，PB表示正大，PM表示正中，PS表示正小，Z表示零，NS表示负小，NM表示负中，NB表示负大；计算e、ec对第一、二输入模糊语言的隶属度时，e和ec的论域均为{-6、-4、-2、0、2、4、6}；计算n对第三、四输入模糊语言的隶属度时，n的论域也均为{-6、-4、-2、0、2、4、6}。

4.根据权利要求3所述的基于双模糊PI控制的航空宽变频三级式电机调压方法，其特征在于，所述第一模糊规则如表1所示：

表1

所述第二模糊规则如表2所示：

表2

所述第三模糊规则如表3所示：

表3

所述第四模糊规则如表4所示：

表4

5.根据权利要求2所述的基于双模糊PI控制的航空宽变频三级式电机调压方法，其特征在于，所述隶属度函数采用三角形隶属度函数和上下梯形隶属度函数。

6.根据权利要求1所述的基于双模糊PI控制的航空宽变频三级式电机调压方法，其特征在于，所述步骤3中：根据ΔK_p、ΔK_i、K_pc、K_ic，确定电压环的比例参数K_p和积分参数K_i具体为：K_p＝ΔK_p+K_pc；K_i＝△K_i+K_ic。

7.根据权利要求1所述的基于双模糊PI控制的航空宽变频三级式电机调压方法，其特征在于，所述步骤5中基于U_f，得到PWM调制信号具体为：将U_f与三角波进行交截比较得到PWM调制信号。

8.根据权利要求1所述的基于双模糊PI控制的航空宽变频三级式电机调压方法，其特征在于，所述步骤3中的双模糊控制由总控制器实现，所述总控制器包括双输入双输出的第一模糊控器和单输入双输出的第二模糊控制器；所述第一模糊控器的两个输入为e和ec；第二模糊控制的输入为n；第一模糊控制器的第一、二输出结果为ΔK_p、ΔK_i；第二模糊控制器的第一、二输出结果为K_pc、K_ic；总控制将ΔK_p和K_pc进行合并，将ΔK_i和K_ic进行合并。