基于無(wú)人機(jī)應(yīng)急充電特性 應(yīng)用模糊控制解決辦法

無(wú)人機(jī)應(yīng)急電源指無(wú)人機(jī)飛行中主電源發(fā)生故障時(shí)，為機(jī)載用電設(shè)備提供電能的供電電源。本校某型無(wú)人機(jī)應(yīng)急電源由20節(jié)鎳鎘電池單元組成。現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)對(duì)武器裝備的要求空前嚴(yán)酷，具體到無(wú)人機(jī)系統(tǒng)，則包括了大力縮短準(zhǔn)備時(shí)間，提高系統(tǒng)檢測(cè)精度，提高系統(tǒng)整體可靠性，增強(qiáng)系統(tǒng)采集情報(bào)信息的質(zhì)量等諸多方面。但是，目前無(wú)人機(jī)應(yīng)急電源大都采用及時(shí)維護(hù)，提前一天充電的方法來(lái)保證其戰(zhàn)斗力，耗時(shí)長(zhǎng)。另外，人工維護(hù)偶爾造成的疏漏也不可避免，這些都是影響戰(zhàn)斗力發(fā)揮的嚴(yán)重隱患。

1 無(wú)人機(jī)應(yīng)急電源的充電特性

無(wú)人機(jī)應(yīng)急電源之所以要提前一天采用小電流充電是因?yàn)樗某浞烹娛且粋€(gè)復(fù)雜的電化學(xué)變化過(guò)程，為了保證壽命，只能犧牲充電的速度。

1．1 多變量

影響充電過(guò)程的因素很多，如電解液濃度、極板活性物的活度、環(huán)境溫度都可以對(duì)充電速度產(chǎn)生影響。這使得簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)對(duì)提高充電效率無(wú)法起到顯著作用。

1．2 非線(xiàn)性

無(wú)人機(jī)應(yīng)急電源的最佳充電電壓在整個(gè)充電過(guò)程中是時(shí)間的變指數(shù)函數(shù)，在不同階段將呈現(xiàn)不同的變化規(guī)律。充電特性曲線(xiàn)如圖1所示。

從圖1中可以看出，無(wú)人機(jī)應(yīng)急電源的充電過(guò)程可分為A-B段、B-C段、C-D段。其中A-B段是充電的初始階段，電量基本用完，這一階段可采用恒定小電流充電；B-C段是電壓變化最為劇烈的一段，如果采用恒流充電，電流大，易損壞電池，電流小，不能充分發(fā)掘時(shí)間；C-D段的電壓從最高點(diǎn)開(kāi)始下降，可采用涓流充電。

1．3 獨(dú)特性

無(wú)人機(jī)應(yīng)急電源依據(jù)其具體不同的使用狀況，其充電電流有很大的不同，即使同一套無(wú)人機(jī)系統(tǒng)同時(shí)配發(fā)相同容量、相同型號(hào)的電源也不例外。

裝備現(xiàn)用的充電技術(shù)沒(méi)有考慮充電過(guò)程的非線(xiàn)性變化，無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)人機(jī)應(yīng)急電源的適應(yīng)性充電，只能以相對(duì)較小的電流實(shí)施充電，從而導(dǎo)致充電速度慢，而且充電后期析氣嚴(yán)重，對(duì)電源內(nèi)部造成損壞，不僅不能快速充電，還大大縮短了電源的使用壽命，必須加以改善。經(jīng)綜合比較，可選用成本較低，且適應(yīng)性較強(qiáng)的模糊控制策略。

2 模糊控制充電器的設(shè)計(jì)

模糊控制不需要掌握被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型，特別適合這種非線(xiàn)性控制。它對(duì)過(guò)程參數(shù)的變化具有較強(qiáng)的適應(yīng)性，并且可加入一些人為的經(jīng)驗(yàn)因數(shù)，使控制過(guò)程更易于按照人的要求來(lái)實(shí)現(xiàn)?？梢灶A(yù)期這種模糊控制充電器的工作原理是預(yù)先設(shè)計(jì)一張控制策略表存入單片機(jī)的ROM中?？刂茣r(shí)根據(jù)采樣結(jié)果計(jì)算輸入量的值，然后通過(guò)量化因子將其模糊化，以得到其論域。再查表得到相應(yīng)的控制量。將該控制量與比例因子相乘，即可作為輸出量，對(duì)充電過(guò)程實(shí)施控制。

2．1 輸入和輸出量的確定

模糊控制器輸入量的選擇對(duì)系統(tǒng)性能的影響很大，電源溫度、電源端電壓以及充電電流都可作為輸入量，但是這些方法的工程實(shí)現(xiàn)難度大且效果差。根據(jù)圖1，B-C段是電壓變化最為劇烈的一段，并且持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，可將這一段電壓的變化率△U／△t作為模糊控制的輸入量，再輔以電源實(shí)時(shí)電壓與可充最高電壓之間的差值△E，便可實(shí)現(xiàn)較完美的控制。輸出量則以PWM波的占空比增量△ton調(diào)節(jié)的充電電流作為標(biāo)準(zhǔn)。

2．2 語(yǔ)言變量、論域及隸屬度的確定

?。?4，-3，-2，-1，0，+1，+2，+3，+4）作為論域，當(dāng)輸入量AE的基本論域?yàn)椋?，18］時(shí)，量化因子即為：

相應(yīng)地，由實(shí)驗(yàn)得出△U／△t的最大值為5．236 0×10-4V／s，量化因子即為：

當(dāng)輸出量為充電電流時(shí)，其論域段的劃分方法同上，用I表示輸出控制量，則比例因子確定為：

對(duì)于論域（-4，-3，-2，-1，0，+1，+2，+3，+4），定義8個(gè)語(yǔ)言變量值：NB（負(fù)大），NM（負(fù)中），NS（負(fù)小），NO（零負(fù)），PO（零正），PS（正?。琍M（正中）和PB（正大），采用正態(tài)函數(shù)模型μA（X）=e-（x-a/b）2構(gòu)造隸屬度函數(shù)，如圖2所示。其中：參數(shù)a取適當(dāng)?shù)闹凳辜蟵-4，-3，-2，-1，0，+1，+2，+3，+4}映射到集合{NB，NM，NS，NO，PO，PS，PM，PB}；參數(shù)6決定隸屬函數(shù)的形狀。可根據(jù)系統(tǒng)誤差的調(diào)整得到合適的控制靈敏度和穩(wěn)定性。在這里，當(dāng)模糊化將精確值映射到相應(yīng)模糊量的論域中時(shí)采用單點(diǎn)模糊法。

2．3 模糊控制策略表的建立

由第1．3節(jié)的論述可知，不同電源或者是相同電源在不同的使用情況下，其具體充電性能也是不一樣的，如果只將△E作為主要判別標(biāo)準(zhǔn)，必然會(huì)給控制結(jié)果帶來(lái)較大的偏差?；诖苏J(rèn)識(shí)，可以采用增加△U／△t權(quán)值的途徑加以改善。其解析式為：

式中：α∈［0，1］稱(chēng)為修正因子；《…》表示四舍五入取整；E和EC分別是△E和△U／△t的模糊量化。

考慮到電池的差異性，適當(dāng)增加權(quán)值，令α=0．6，經(jīng)過(guò)上式運(yùn)算，再經(jīng)過(guò)最大隸屬度判決可得到模糊控制表。模糊控制表如表1所示。

表中：0表示維持現(xiàn)在的充電電流；+1表示充電電流增加一個(gè)等級(jí)；-1表示充電電流減小一個(gè)等級(jí)。依次類(lèi)推根據(jù)得出的電流等級(jí)乘以比例因子KU，即得到輸出的電流變化值。將此變化值加到前一時(shí)刻的電流值上就是此次應(yīng)輸出的電流值。

3 組成與實(shí)現(xiàn)

模糊控制器要完成輸入信號(hào)（給定信號(hào)和反饋信號(hào)的偏差和偏差的變化率）的模糊化，根據(jù)模糊知識(shí)庫(kù)進(jìn)行模糊推理和模糊判決（解模糊），得到精確控制的變量。但是由于系統(tǒng)采用在ROM中預(yù)存模糊控制表的方法，將在線(xiàn)推理運(yùn)算轉(zhuǎn)變成了查表運(yùn)算，大大提高了系統(tǒng)的響應(yīng)速度，其結(jié)構(gòu)組成如圖3所示。

3．1 微處理機(jī)模塊

圖3中模糊化、模糊決策以及解模糊環(huán)節(jié)都是在微處理機(jī)模塊中完成的。在此選用Motorola公司的單片機(jī)MC68HC05SR3，其內(nèi)部資源豐富，ROM和RAM空間較大，便于實(shí)施模糊控制。另外，它還帶有4個(gè)A／D轉(zhuǎn)換器，十分便于對(duì)模擬量的檢測(cè)。由該單片機(jī)與相應(yīng)的接口電路配合，構(gòu)成系統(tǒng)的控制核心。

3．2 負(fù)反饋電路

電壓電流檢測(cè)電路是通過(guò)A／D轉(zhuǎn)換器檢測(cè)系統(tǒng)充電電流的；電池端電壓、電池溫度等參數(shù)是通過(guò)采樣電路、熱敏電阻等形成負(fù)反饋回路參與控制的。

3．3 充電電流輸出電路

首先，變流電路通過(guò)脈寬調(diào)制方式把交流市電轉(zhuǎn)換為所需的直流電壓，然后根據(jù)負(fù)反饋電路檢測(cè)系統(tǒng)得到的充電電壓、電流，經(jīng)微處理機(jī)模塊計(jì)算出最佳變化量，將此變化量加到充電電路中，經(jīng)PWM輸出，便得到所需的最佳充電電流。

結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)對(duì)無(wú)人機(jī)應(yīng)急電源端電壓變化率的監(jiān)測(cè)得到了模糊控制所依據(jù)的最佳充電電壓曲線(xiàn)，以此曲線(xiàn)為輸入量設(shè)計(jì)了模糊控制策略表，并實(shí)現(xiàn)智能跟蹤模糊控制。通過(guò)與傳統(tǒng)充電方法對(duì)比證實(shí)，這種基于模糊控制的無(wú)人機(jī)應(yīng)急電源快速充電方法具有以下優(yōu)點(diǎn)：充電速度大大加快、電池溫升低，充電按照最佳曲線(xiàn)不損壞電源等。可見(jiàn)，采用該技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)應(yīng)急電源充電過(guò)程的快速化和智能化，對(duì)無(wú)人機(jī)武器系統(tǒng)作戰(zhàn)能力的穩(wěn)定發(fā)揮具有重大意義。