備用通信電源新設計

1硬件設計方案

　　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，在保證轉速不變的情況下調節(jié)勵磁電流的大小，才能保證輸出電壓的恒壓特性。

　　本設計采用了雙閉環(huán)控制電路，如圖1所示。分別是轉速閉環(huán)和輸出電壓控制閉環(huán)。轉速閉環(huán)使發(fā)電機始終保持在額定轉速下運行；電壓控制閉環(huán)通過調節(jié)勵磁電流來動態(tài)調整輸出額定電壓。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)生產中，它以極短的掃描周期，豐富的性能，極大地提高了生產效率。并且能夠適應于惡劣的工作環(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)定性好和驅動功率小的優(yōu)點，又具有GTR通態(tài)電壓低，導通損耗小而耐壓值高的優(yōu)點。因此，IGBT在電氣傳動、電源技術等方面獲得廣泛應用。

　　光電編碼器：它實現(xiàn)了對轉速的高精度采樣。
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。兩端的電壓大或內通有效電流大，油門拉大，則油機用油量大，轉速快。本系統(tǒng)選用了1T型直流可控電磁鐵。

　　2．1轉速閉環(huán)設計

　　轉速閉環(huán)如圖2由光電編碼器對轉速采樣，輸入到可編程邏輯控制器（PLC）的輸入側，PLC通過控制算法輸出脈寬調制（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，達到轉速N的在線實時調節(jié)。

　　2．2 輸出電壓控制閉環(huán)設計

　　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)轉換模塊（AD/DA），PLC通過控制算法輸出脈寬調制（PWM）到IGBT，從而控制發(fā)電機勵磁繞組電流，達到輸出電壓U的在線調整。

　　2． 3 流短路保護電路設計

　　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，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)電機的設計

　　同樣，對于三相交流發(fā)電機的設計方案如圖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)學模型或引起對象數(shù)學模型的改變，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，它能夠起到快速調節(jié)的作用；對于高精度細調被控量，要用神經(jīng)元算法，它能夠使被控量在線實時調整到高精度。

　　2． 1 速閉環(huán)軟件設計

　　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。所以為避免復雜的計算與實驗，本設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分別為模擬調節(jié)器的比例增益、積分時間、微分時間；y(t)為調節(jié)器的輸出信號；e(t)為調節(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)絡的輸入層為：
x1=e(k)
x2=e(k-1)
x3=e(k-2)
網(wǎng)絡的輸出層為：
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)絡控制器具有PID控制器結構，其權系數(shù)就等于PID控制器的三個參數(shù)?？刂破鞯娜蝿站褪蔷褪钦{整控制量u(k)，使得輸出y(k)等于r。

　　由此，可以在線修正權神經(jīng)網(wǎng)絡系數(shù)。

　　控制效果分析

　　采樣周期T=50ms，學習步長為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到給定值。

　　2． 3 保護電路

　　對于電流短路保護，設置采樣周期為3秒，當在采樣周期內電流達到2倍的額定電流時，停止運行程序，并有相應指示燈顯示為電流短路。

　　同時，系統(tǒng)還設有限速保護。例如，當在2秒內轉速一直達到2倍的額定轉速時，停止運行程序，并且也設有相應的指示燈，并另設置限速開關保護裝置。

3結束語

　　本文提出的應急、備用通信電源的設計方案，既可以用于通信電源機房，也可以用于移動式應急電源車。通過使用高精度的控制設備，與模糊、神經(jīng)元算法的應用，做過相關的模擬實驗。使本系統(tǒng)具有操作簡單、運行可靠、輸出電源質量高和環(huán)保節(jié)能的特點，在備用電源設計中具有一定的通用性，而且本文的設計在實際中得到了較好的應用。