基于模糊控制的無人機(jī)應(yīng)急電源快速充電方法

無人機(jī)應(yīng)急電源指無人機(jī)飛行中主電源發(fā)生故障時，為機(jī)載用電設(shè)備提供電能的供電電源。本校某型無人機(jī)應(yīng)急電源由20節(jié)鎳鎘電池單元組成。現(xiàn)代戰(zhàn)爭對武器裝備的要求空前嚴(yán)酷，具體到無人機(jī)系統(tǒng)，則包括了大力縮短準(zhǔn)備時間，提高系統(tǒng)檢測精度，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，目前無人機(jī)應(yīng)急電源大都采用及時維護(hù)，提前一天充電的方法來保證其戰(zhàn)斗力，耗時長。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 無人機(jī)應(yīng)急電源的充電特性

　　無人機(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€復(fù)雜的電化學(xué)變化過程，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)境溫度都可以對充電速度產(chǎn)生影響。這使得簡單控制系統(tǒng)對提高充電效率無法起到顯著作用。

　　1．2 非線性

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

　　從圖1中可以看出，無人機(jī)應(yīng)急電源的充電過程可分為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)掘時間；C-D段的電壓從最高點(diǎn)開始下降，可采用涓流充電。

　　1．3 獨(dú)特性

　　無人機(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，即使同一套無人機(jī)系統(tǒng)同時配發(fā)相同容量、相同型號的電源也不例外。

　　裝備現(xiàn)用的充電技術(shù)沒有考慮充電過程的非線性變化，無法實(shí)現(xiàn)對無人機(jī)應(yīng)急電源的適應(yīng)性充電，只能以相對較小的電流實(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象的數(shù)學(xué)模型，特別適合這種非線性控制。它對過程參數(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)，使控制過程更易于按照人的要求來實(shí)現(xiàn)。可以預(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。控制時根據(jù)采樣結(jié)果計(jì)算輸入量的值，然后通過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，對充電過程實(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)時間較長，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 語言變量、論域及隸屬度的確定

　　取(-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)閇0，18]時，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，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：

　　對于論域(-4，-3，-2，-1，0，+1，+2，+3，+4)，定義8個語言變量值：NB(負(fù)大)，NM(負(fù)中)，NS(負(fù)小)，NO(零負(fù))，PO(零正)，PS(正小)，PM(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)，必然會給控制結(jié)果帶來較大的偏差。基于此認(rèn)識，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)過上式運(yùn)算，再經(jīng)過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等級；-1表示充電電流減小一個等級。依次類推根據(jù)得出的電流等級乘以比例因子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(給定信號和反饋信號的偏差和偏差的變化率)的模糊化，根據(jù)模糊知識庫進(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A／D轉(zhuǎn)換器，十分便于對模擬量的檢測。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

　　電壓電流檢測電路是通過A／D轉(zhuǎn)換器檢測系統(tǒng)充電電流的；電池端電壓、電池溫度等參數(shù)是通過采樣電路、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。

　　4 結(jié) 語

　　通過對無人機(jī)應(yīng)急電源端電壓變化率的監(jiān)測得到了模糊控制所依據(jù)的最佳充電電壓曲線，以此曲線為輸入量設(shè)計(jì)了模糊控制策略表，并實(shí)現(xiàn)智能跟蹤模糊控制。通過與傳統(tǒng)充電方法對比證實(shí)，這種基于模糊控制的無人機(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，充電按照最佳曲線不損壞電源等。可見，采用該技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)無人機(jī)應(yīng)急電源充電過程的快速化和智能化，對無人機(jī)武器系統(tǒng)作戰(zhàn)能力的穩(wěn)定發(fā)揮具有重大意義。