CN113311696A - 一种基于模糊控制的光纤电流互感器闭环控制系统的设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于模糊控制的光纤电流互感器闭环控制系统的设计方法。步骤1：根据光纤电流互感器闭环控制系统结构参数确定模糊PID控制器初始化参数值；步骤2：根据模糊PID控制器初始化参数值，建立模糊控制规则表；步骤3：对步骤2的模糊控制规则表，去模糊化，得到参数可随外界环境变化的PID控制器。本发明用以解决减小光纤电流互感器系统中由于舰船环境中的外界环境变化引起的误差的问题。

Description

一种基于模糊控制的光纤电流互感器闭环控制系统的设计 方法

技术领域

本发明属于全光纤电流传感领域；具体涉及一种基于模糊控制的光纤电流互感器闭环控制系统的设计方法。

背景技术

光纤电流互感器是一种基于法拉第旋光效应的光纤类传感器，由于其具有体积小、绝缘性好、量程大和高暂态响应等优点，可及时感知和定位发生故障的电网线段，为继电保护装置的保护动作提供有效的判断信息，保护舰船综合电力系统安全稳定，满足舰船综合电力系统智能化设计需求，是舰船综合电力系统的最佳选择。其中主要限制系统准确度的因素是源于系统工作环境的不理想。偏振光在光纤中传输时会由于电流产生的磁场而产生相位差，但实际使用中由于其外界环境的变化如温度变化或振动等会产生额外得相位误差，这会导致系统中产生一个与法拉第效应无法区分的误差信号，进而降低了系统测量电流的准确度。

因此，为了提高系统于舰船综合电力系统中测量电流的准确度，需要考虑抑制外界环境造成的误差影响。现有的主流方案为采用单积分控制器和比例积分微分(PID)控制器。这种控制器是通过设定合适的比例环节、积分环节和微分环节来减小误差。然而，这种方案现在还存在一些问题。第一，舰船环境复杂多变，这也就意味着由环境原因引入的误差也是不均匀的，这会使得固定参数的控制器难以满足抑制误差的要求。第二，舰船综合电力系统对互感器的瞬时响应能力要求较高，传统结构的PID控制器无法同时满足高速响应时间和较低的误差精度。闭环控制回路中存在的这些问题都限制了系统于舰船综合电力系统中的进一步应用。

发明内容

本发明提供一种基于模糊控制的光纤电流互感器闭环控制系统的设计方法，用以解决减小光纤电流互感器系统中由于舰船环境中的外界环境变化引起的误差的问题。

本发明通过以下技术方案实现：

一种基于模糊控制的光纤电流互感器闭环控制系统的设计方法，所述设计方法包括以下步骤：

步骤1：根据光纤电流互感器闭环控制系统结构参数确定模糊PID控制器初始化参数值；

步骤2：根据模糊PID控制器初始化参数值，建立模糊控制规则表；

步骤3：对步骤2的模糊控制规则表，去模糊化，得到参数可随外界环境变化的PID控制器。

进一步的，所述步骤1的初始化参数值具体为输入量的模糊集合和隶属函数、输出量的模糊集合和隶属函数。

进一步的，所述步骤1具体为，设e(k)、ec(k)分别为第k个解调周期内的解调电流差值和解调电流差值变化率，根据e(k)、ec(k)的模糊量化值经模糊推理可得本解调周期内的控制参数调整量ΔK_p、ΔK_i、ΔK_d；输出调整后的PID控制参数K_p、K_i、K_d；具体的模糊控制输出参数计算方法为：

式中，K_p0、K_i0、K_d0为PID控制器初始化参数值；式(1)中各参数的模糊子集均为{NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB}，分别划分为负大量NB，负中量NM，负小量NS，零ZO，正小量PS，正中量PM，正大量PB这7个量化等级。

进一步的，设置输出PID控制参量的隶属函数为三角型，其函数表达式为：

输入量的隶属函数为高斯型，其函数表达式为：

μ(x)＝exp{-[(x-a)/b]²}

(3)。

进一步的，所述步骤2根据光纤电流互感器闭环控制系统结构参数，分别将输入输出的所有组合参数输入至FPGA上的模糊控制器模型中，获得模糊控制规则表。

进一步的，所述步骤2在对输入量e和ec进行模糊量化后，还需根据相应规则库进行模糊推理，即根据输入模糊量化值推理出系统输出控制参量调整值ΔK_p、ΔK_i、ΔK_d，最终输出本解调周期的PID控制参数K_p、K_i、K_d。模糊推理过程基于系统长期调试和运行经验所建立的模糊规则。

进一步的，所述步骤2中的去模糊化具体为，采用重心法将推理得到的模糊化控制参数转化为准确的控制参数；具体的重心法计算公式为：

式(4)中，输出U₀为去模糊化后得到的准确控制参数；μ(U_i)为U_i的隶属度值。

本发明的有益效果是：

本发明代替了原有的单积分控制器方案，不仅具有响应速度快的优点，还通过设计PID参数模糊子集提升了光纤电流互感器系统电流测量的准确度，使得系统受外界环境的影响大大减小。

减小光纤电流互感器系统中由于舰船环境中的外界环境变化引起的误差，进而提高光纤电流互感器系统在舰船综合电力系统中电流测量的准确度与响应速率。

附图说明

附图1是本发明的模糊PID控制器结构图。

附图2是本发明的模糊PID控制器FPGA程序流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

一种基于模糊控制的光纤电流互感器闭环控制系统的设计方法，所述设计方法包括以下步骤：

步骤1：根据光纤电流互感器闭环控制系统结构参数确定模糊PID控制器初始化参数值；

步骤2：根据模糊PID控制器初始化参数值，建立模糊控制规则表；

步骤3：对步骤2的模糊控制规则表，去模糊化，得到参数可随外界环境变化的PID控制器。

进一步的，所述步骤1的初始化参数值具体为输入量的模糊集合和隶属函数、输出量的模糊集合和隶属函数。

进一步的，所述步骤1具体为，设e(t)、ec(t)分别为t时刻的解调电流差值和解调电流差值变化率，K_p、K_i、K_d为本时刻的PID控制参数，u(t)为t时刻经过控制器输出的解调电流差值，e(k)、ec(k)分别为第k个解调周期内的解调电流差值和解调电流差值变化率，根据e(k)、ec(k)的模糊量化值经模糊推理可得本解调周期内的控制参数调整量ΔK_p、ΔK_i、ΔK_d；输出调整后的PID控制参数K_p、K_i、K_d；具体的模糊控制输出参数计算方法为：

式中，K_p0、K_i0、K_d0为PID控制器初始化参数值；式(1)中各参数的模糊子集均为{NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB}，分别划分为负大量NB，负中量NM，负小量NS，零ZO，正小量PS，正中量PM，正大量PB这7个量化等级。

进一步的，设置输出PID控制参量的隶属函数为三角型，其函数表达式为：

输入量的隶属函数为高斯型，其函数表达式为：

μ(x)＝exp{-[(x-a)/b]²} (3)。

进一步的，所述步骤2根据光纤电流互感器闭环控制系统结构参数，分别将输入输出的所有组合参数输入至FPGA上的模糊控制器模型中，获得模糊控制规则表。

进一步的，所述步骤2在对输入量e和ec进行模糊量化后，还需根据相应规则库进行模糊推理，即根据输入模糊量化值推理出系统输出控制参量调整值ΔK_p、ΔK_i、ΔK_d，最终输出本解调周期的PID控制参数K_p、K_i、K_d。模糊推理过程基于系统长期调试和运行经验所建立的模糊规则。

进一步的，所述步骤2中的去模糊化具体为，采用重心法将推理得到的模糊化控制参数转化为准确的控制参数；具体的重心法计算公式为：

式(4)中，输出U₀为去模糊化后得到的准确控制参数；μ(U_i)为U_i的隶属度值。

实施例2

根据系统结构参数确定模糊PID控制器输入输出量的模糊集合和隶属函数，其结构如图1所示。设e(k)、ec(k)分别为第k个解调周期内的解调电流差值和解调电流差值变化率，根据e(k)、ec(k)的模糊量化值经模糊推理可得本解调周期内的控制参数调整量ΔK_p、ΔK_i、ΔK_d。输出调整后的PID控制参数K_p、K_i、K_d。具体的模糊控制输出参数计算方法为：

式中，K_p0、K_i0、K_d0为PID控制器初始化参数值。取以上各参数的模糊子集均为{NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB}，分别划分为负大量(NB)，负中量(NM)，负小量(NS)，零(ZO)，正小量(PS)，正中量(PM)，正大量(PB)这7个量化等级。设置输出PID控制参量的隶属函数为三角型，其函数表达式为：

输入量的隶属函数为高斯型，其函数表达式为：

μ(x)＝exp{-[(x-a)/b]²} (3)

在对输入量e和ec进行模糊量化后，还需根据相应规则库进行模糊推理，即根据输入模糊量化值推理出系统输出控制参量调整值ΔK_p、ΔK_i、ΔK_d，最终输出本解调周期的PID控制参数K_p、K_i、K_d。模糊推理过程基于系统长期调试和运行经验所建立的模糊规则。具体的模糊控制规则如表1、2、3所示。

表1ΔK_p的模糊控制规则

表2ΔK_i的模糊控制规则

表3ΔK_d的模糊控制规则

在本发明中，采用重心法将推理得到的模糊化控制参数转化为准确的控制参数。具体的重心法计算公式为：

式中，输出U₀为去模糊化后得到的准确控制参数；μ(U_i)为U_i的隶属度值。

根据控制系统参数，分别将输入输出的所有组合参数输入至模糊控制器模型中，获得模糊控制规则表，最终得到参数可随外界环境变化的PID控制器，具体实现的顶层设计如图2所示。其中，模糊化模块的具体实现步骤为：首先，根据e和ec的基本论域进行模糊量化分割，对模糊量化后的七级论域进行编码，分别得到e和ec的模糊量化后编码值e_addre和ec_addre，代表不同论域赋值的地址信号。根据FOCT系统结构参数，可将e和ec的基本论域划分为{-6，-4，-2，0，2，4，6}七个离散值，每个值对应一个四位编码，其中0011代表6，0010代表4，0001代表2，0000代表0，1001代表-2，1010代表-4，1011代表-6。最后将e和ec的编码e_addre(3:0)和ec_addre(3:0)组合成一个8位地址信号Address(7:0)，输出至查找表模块。查找表模块的主要功能是根据输入地址信号Address(7:0)，查找FPGA内部ROM中存储的PID参数修正量ΔK_p、ΔK_i、ΔK_d，并经过运算修正此解调周期的PID参数Kp(7:0)、Ki(7:0)、Kd(7:0)，输出至PID运算模块，并在外界输入时钟clk的控制下实现模糊PID控制算法设计。最后，将模糊PID控制器加入FOCT的解调模块中，进行电流解调运算。

Claims (7)

1.一种基于模糊控制的光纤电流互感器闭环控制系统的设计方法，其特征在于，所述设计方法包括以下步骤：

步骤1：根据光纤电流互感器闭环控制系统结构参数确定模糊PID控制器初始化参数值；

步骤2：根据模糊PID控制器初始化参数值，建立模糊控制规则表；

步骤3：对步骤2的模糊控制规则表，去模糊化，得到参数可随外界环境变化的PID控制器。

2.根据权利要求1所述一种基于模糊控制的光纤电流互感器闭环控制系统的设计方法，其特征在于，所述步骤1的初始化参数值具体为输入量的模糊集合和隶属函数、输出量的模糊集合和隶属函数。

3.根据权利要求1所述一种基于模糊控制的光纤电流互感器闭环控制系统的设计方法，其特征在于，所述步骤1具体为，设e(k)、ec(k)分别为第k个解调周期内的解调电流差值和解调电流差值变化率，根据e(k)、ec(k)的模糊量化值经模糊推理可得本解调周期内的控制参数调整量ΔK_p、ΔK_i、ΔK_d；输出调整后的PID控制参数K_p、K_i、K_d；具体的模糊控制输出参数计算方法为：

式中，K_p0、K_i0、K_d0为PID控制器初始化参数值；式(1)中各参数的模糊子集均为{NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB}，分别划分为负大量NB，负中量NM，负小量NS，零ZO，正小量PS，正中量PM，正大量PB这7个量化等级。

4.根据权利要求3所述一种基于模糊控制的光纤电流互感器闭环控制系统的设计方法，其特征在于，设置输出PID控制参量的隶属函数为三角型，其函数表达式为：

输入量的隶属函数为高斯型，其函数表达式为：

μ(x)＝exp{-[(x-a)/b]²} (3)。

5.根据权利要求1所述一种基于模糊控制的光纤电流互感器闭环控制系统的设计方法，其特征在于，所述步骤2根据光纤电流互感器闭环控制系统结构参数，分别将输入输出的所有组合参数输入至FPGA上的模糊控制器模型中，获得模糊控制规则表。

6.根据权利要求1所述一种基于模糊控制的光纤电流互感器闭环控制系统的设计方法，其特征在于，所述步骤2在对输入量e和ec进行模糊量化后，还需根据相应规则库进行模糊推理，即根据输入模糊量化值推理出系统输出控制参量调整值ΔK_p、ΔK_i、ΔK_d，最终输出本解调周期的PID控制参数K_p、K_i、K_d。模糊推理过程基于系统长期调试和运行经验所建立的模糊规则。

7.根据权利要求1所述一种基于模糊控制的光纤电流互感器闭环控制系统的设计方法，其特征在于，所述步骤2中的去模糊化具体为，采用重心法将推理得到的模糊化控制参数转化为准确的控制参数；具体的重心法计算公式为：

式(4)中，输出U₀为去模糊化后得到的准确控制参数；μ(U_i)为U_i的隶属度值。

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