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备用通信电源的设计方案
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摘 要： 设计了一种新型的应急、备用通信电源，硬件上采用了双闭环控制电路，软件上使用了神经元PID算法和提出了双模糊控制算法。 并且设计有软、硬件的保护电路。达到了简单、可靠、输出电源质量高和环保节能的效果。
关键词：通信电源；模糊控制；神经元算法；PID算法 ；可编程逻辑控制器（PLC）； PWM； IGBT；比例电磁铁
在通信企业中，电源是通信系统的“心脏”， 是全程全网畅通的根本保障。供电系统的可靠性、稳定性和供电质量，直接影响到通信网络能否稳定的运行。应急、备用通信电源是通信电源系统中不可缺少的部分。在特定的环境和特殊时期都发挥着不可替代的作用。现阶段的应急、备用通信电源，有的只采用了简单的闭环控制，有的甚至还采用着开环控制系统，这必然会造成电源与市电的切换过程时间长、输出电源质量差和消耗能源多的缺点，并且难以满足通信网络的稳定运行的要求。而进口应急、备用通信电源虽然能达到要求，但其价格昂贵，造成了企业开支较大。本文提出了一种新型的应急、备用通信电源的设计方案，能够达到可靠、稳定、操作简单和输出电源质量高的特点。并且由于本系统采用了模糊和神经元等先进的智能控制算法，在实际中必定能够减少能源的消耗。
1硬件设计方案
对于发电机输出电压U=Ceφ n
其中，Ce：电动势常数；φ：励磁磁通；n：转速（r/min）；而φ=KfIf （不考虑饱和影响），Kf为比例常数；If为励磁电流。
所以，在保证转速不变的情况下调节励磁电流的大小，才能保证输出电压的恒压特性。
本设计采用了双闭环控制电路，如图1所示。分别是转速闭环和输出电压控制闭环。转速闭环使发电机始终保持在额定转速下运行；电压控制闭环通过调节励磁电流来动态调整输出额定电压。主要控制器件选取如下：
可编程逻辑控制器（PLC）：可编程逻辑控制器已广泛用于工业生产中，它以极短的扫描周期，丰富的性能，极大地提高了生产效率。并且能够适应于恶劣的工作环境，和很强的联网和监控功能。本系统选用了SIMENS S7-200 CPU222 。
IGBT：它既具有功率MOSFET高输入阻抗、高速、热稳定性好和驱动功率小的优点，又具有GTR通态电压低，导通损耗小而耐压值高的优点。因此，IGBT在电气传动、电源技术等方面获得广泛应用。
光电编码器：它实现了对转速的高精度采样。
比例电磁铁：通过对它两端的电压控制达到对油机油门的线性控制。两端的电压大或内通有效电流大，油门拉大，则油机用油量大，转速快。本系统选用了1T型直流可控电磁铁。
2．1转速闭环设计
转速闭环如图2由光电编码器对转速采样，输入到可编程逻辑控制器（PLC）的输入侧，PLC通过控制算法输出脉宽调制（PWM）到IGBT，控制电磁铁中流过电流大小，从而由比例电磁铁控制油机的油门大小，达到转速N的在线实时调节。
2．2 输出电压控制闭环设计
输出电压控制闭环如图3，通过对电阻R1上的电压采样，即输出实际电压值。这样，采样电压输入到可编程逻辑控制器（PLC）的模数转换模块（AD/DA），PLC通过控制算法输出脉宽调制（PWM）到IGBT，从而控制发电机励磁绕组电流，达到输出电压U的在线调整。
2． 3 流短路保护电路设计
通过R2的压降对输出电流I采样到PLC（AD/DA），由PLC判断处理，例如：采样电流在3 s内，一直达到2倍额定电流时切断电路，起到保护作用。
2.4 三相交流发电机的设计
同样，对于三相交流发电机的设计方案如图5所示，加入了电压、电流互感器，对电压、电流进行采样，其控制过程与直流发电系统类似，本文就不再叙述。
2软件设计
实际中被控系统具有非线性、时变性、时滞性、且由于噪声、负载扰动等因数的干扰，难以建立精确的数学模型或引起对象数学模型的改变，造成控制精度达不到要求。模糊算法和神经元算法正是避免了对象的数学模型建立，就能达到快速、高精度的控制效果。实验中证实，对于被控量大起大落的情况需要模糊算法，它能够起到快速调节的作用；对于高精度细调被控量，要用神经元算法，它能够使被控量在线实时调整到高精度。
2． 1 速闭环软件设计
由于油机在运行中波动较大，特别是启动过程，这就要求使用模糊算法。由于传统的模糊算法需要建立高精度的模糊控制表，而建表要通过大量的计算与实验才能建立。所以为避免复杂的计算与实验，本设计提出了一种双模糊控制算法。
2．1模糊规则建立
将偏差E，偏差变化率EC和控制量U的论域都取为：
E=EC=U={-3，-2，-1，0，1，2，3}
双模糊控制算法在本实验系统中有着良好的控制效果。它具有非常短的过渡过程，转速只有±3‰的偏差，并且PLC的运算周期短，对PLC 的性能要求要低很多，这在实际中会节省一大部分硬件投资。这在实际中也是最需要的简单、快速和高精度的控制算法。
2． 2出电压控制闭环设计
由于励磁电流变化范围小，又要求有很高的精度控制，所以本系统选用了神经元PID算法。
其中: Kc、Ti、Td分别为模拟调节器的比例增益、积分时间、微分时间；y(t)为调节器的输出信号；e(t)为调节器的偏差输入信号，是给定制与采样值的差e(t)=r(t)-y(t)。
其中：y(k)是第k次采样时刻计算机的输出；e(k)为第k次偏差；
称为积分系数； 称为微分系数。
采用B-P算法，使用非线性函数
网络的输入层为：
x1=e(k)
x2=e(k-1)
x3=e(k-2)
网络的输出层为：
Δu=ω1*x1+ω2*x2+ω3*x3
其中，ωi为其系数。从表达式可以看出神经网络控制器具有PID控制器结构，其权系数就等于PID控制器的三个参数。控制器的任务就是就是调整控制量u(k)，使得输出y(k)等于r。
由此，可以在线修正权神经网络系数。
控制效果分析
采样周期T=50ms，学习步长为0.001，神经元PID在稳定状态运行时，读取发电机系统输出电压值与额定值偏差小于±5‰，当有扰动时也能很快的恢复到给定值。
2． 3 保护电路
对于电流短路保护，设置采样周期为3秒，当在采样周期内电流达到2倍的额定电流时，停止运行程序，并有相应指示灯显示为电流短路。
同时，系统还设有限速保护。例如，当在2秒内转速一直达到2倍的额定转速时，停止运行程序，并且也设有相应的指示灯，并另设置限速开关保护装置。
3结束语
本文提出的应急、备用通信电源的设计方案，既可以用于通信电源机房，也可以用于移动式应急电源车。通过使用高精度的控制设备，与模糊、神经元算法的应用，做过相关的模拟实验。使本系统具有操作简单、运行可靠、输出电源质量高和环保节能的特点，在备用电源设计中具有一定的通用性，而且本文的设计在实际中得到了较好的应用。
参考文献：
[1] 阎平凡，张长水.人工神经网络与模拟进化计算[M].北京：清华大学出版社，2000.
[2]章卫国,杨向忠.模糊控制理论与应用[M] 西安：西北工业大学出版社，2000.
[3] 顾绳谷.电机及拖动基础[M]. 北京:机械工业出版社, 1997,第2版.
[4] SIMATIC S7-200 编程手册 1999年8月产品编程手册
来源：中国安全防护网
关键词：通信电源；模糊控制；神经元算法；PID算法 ；可编程逻辑控制器（PLC）； PWM； IGBT；比例电磁铁
在通信企业中，电源是通信系统的“心脏”， 是全程全网畅通的根本保障。供电系统的可靠性、稳定性和供电质量，直接影响到通信网络能否稳定的运行。应急、备用通信电源是通信电源系统中不可缺少的部分。在特定的环境和特殊时期都发挥着不可替代的作用。现阶段的应急、备用通信电源，有的只采用了简单的闭环控制，有的甚至还采用着开环控制系统，这必然会造成电源与市电的切换过程时间长、输出电源质量差和消耗能源多的缺点，并且难以满足通信网络的稳定运行的要求。而进口应急、备用通信电源虽然能达到要求，但其价格昂贵，造成了企业开支较大。本文提出了一种新型的应急、备用通信电源的设计方案，能够达到可靠、稳定、操作简单和输出电源质量高的特点。并且由于本系统采用了模糊和神经元等先进的智能控制算法，在实际中必定能够减少能源的消耗。
1硬件设计方案
对于发电机输出电压U=Ceφ n
其中，Ce：电动势常数；φ：励磁磁通；n：转速（r/min）；而φ=KfIf （不考虑饱和影响），Kf为比例常数；If为励磁电流。
所以，在保证转速不变的情况下调节励磁电流的大小，才能保证输出电压的恒压特性。
本设计采用了双闭环控制电路，如图1所示。分别是转速闭环和输出电压控制闭环。转速闭环使发电机始终保持在额定转速下运行；电压控制闭环通过调节励磁电流来动态调整输出额定电压。主要控制器件选取如下：
可编程逻辑控制器（PLC）：可编程逻辑控制器已广泛用于工业生产中，它以极短的扫描周期，丰富的性能，极大地提高了生产效率。并且能够适应于恶劣的工作环境，和很强的联网和监控功能。本系统选用了SIMENS S7-200 CPU222 。
IGBT：它既具有功率MOSFET高输入阻抗、高速、热稳定性好和驱动功率小的优点，又具有GTR通态电压低，导通损耗小而耐压值高的优点。因此，IGBT在电气传动、电源技术等方面获得广泛应用。
光电编码器：它实现了对转速的高精度采样。
比例电磁铁：通过对它两端的电压控制达到对油机油门的线性控制。两端的电压大或内通有效电流大，油门拉大，则油机用油量大，转速快。本系统选用了1T型直流可控电磁铁。
2．1转速闭环设计
转速闭环如图2由光电编码器对转速采样，输入到可编程逻辑控制器（PLC）的输入侧，PLC通过控制算法输出脉宽调制（PWM）到IGBT，控制电磁铁中流过电流大小，从而由比例电磁铁控制油机的油门大小，达到转速N的在线实时调节。
2．2 输出电压控制闭环设计
输出电压控制闭环如图3，通过对电阻R1上的电压采样，即输出实际电压值。这样，采样电压输入到可编程逻辑控制器（PLC）的模数转换模块（AD/DA），PLC通过控制算法输出脉宽调制（PWM）到IGBT，从而控制发电机励磁绕组电流，达到输出电压U的在线调整。
2． 3 流短路保护电路设计
通过R2的压降对输出电流I采样到PLC（AD/DA），由PLC判断处理，例如：采样电流在3 s内，一直达到2倍额定电流时切断电路，起到保护作用。
2.4 三相交流发电机的设计
同样，对于三相交流发电机的设计方案如图5所示，加入了电压、电流互感器，对电压、电流进行采样，其控制过程与直流发电系统类似，本文就不再叙述。
2软件设计
实际中被控系统具有非线性、时变性、时滞性、且由于噪声、负载扰动等因数的干扰，难以建立精确的数学模型或引起对象数学模型的改变，造成控制精度达不到要求。模糊算法和神经元算法正是避免了对象的数学模型建立，就能达到快速、高精度的控制效果。实验中证实，对于被控量大起大落的情况需要模糊算法，它能够起到快速调节的作用；对于高精度细调被控量，要用神经元算法，它能够使被控量在线实时调整到高精度。
2． 1 速闭环软件设计
由于油机在运行中波动较大，特别是启动过程，这就要求使用模糊算法。由于传统的模糊算法需要建立高精度的模糊控制表，而建表要通过大量的计算与实验才能建立。所以为避免复杂的计算与实验，本设计提出了一种双模糊控制算法。
2．1模糊规则建立
将偏差E，偏差变化率EC和控制量U的论域都取为：
E=EC=U={-3，-2，-1，0，1，2，3}
双模糊控制算法在本实验系统中有着良好的控制效果。它具有非常短的过渡过程，转速只有±3‰的偏差，并且PLC的运算周期短，对PLC 的性能要求要低很多，这在实际中会节省一大部分硬件投资。这在实际中也是最需要的简单、快速和高精度的控制算法。
2． 2出电压控制闭环设计
由于励磁电流变化范围小，又要求有很高的精度控制，所以本系统选用了神经元PID算法。
其中: Kc、Ti、Td分别为模拟调节器的比例增益、积分时间、微分时间；y(t)为调节器的输出信号；e(t)为调节器的偏差输入信号，是给定制与采样值的差e(t)=r(t)-y(t)。
其中：y(k)是第k次采样时刻计算机的输出；e(k)为第k次偏差；
称为积分系数； 称为微分系数。
采用B-P算法，使用非线性函数
网络的输入层为：
x1=e(k)
x2=e(k-1)
x3=e(k-2)
网络的输出层为：
Δu=ω1*x1+ω2*x2+ω3*x3
其中，ωi为其系数。从表达式可以看出神经网络控制器具有PID控制器结构，其权系数就等于PID控制器的三个参数。控制器的任务就是就是调整控制量u(k)，使得输出y(k)等于r。
由此，可以在线修正权神经网络系数。
控制效果分析
采样周期T=50ms，学习步长为0.001，神经元PID在稳定状态运行时，读取发电机系统输出电压值与额定值偏差小于±5‰，当有扰动时也能很快的恢复到给定值。
2． 3 保护电路
对于电流短路保护，设置采样周期为3秒，当在采样周期内电流达到2倍的额定电流时，停止运行程序，并有相应指示灯显示为电流短路。
同时，系统还设有限速保护。例如，当在2秒内转速一直达到2倍的额定转速时，停止运行程序，并且也设有相应的指示灯，并另设置限速开关保护装置。
3结束语
本文提出的应急、备用通信电源的设计方案，既可以用于通信电源机房，也可以用于移动式应急电源车。通过使用高精度的控制设备，与模糊、神经元算法的应用，做过相关的模拟实验。使本系统具有操作简单、运行可靠、输出电源质量高和环保节能的特点，在备用电源设计中具有一定的通用性，而且本文的设计在实际中得到了较好的应用。
参考文献：
[1] 阎平凡，张长水.人工神经网络与模拟进化计算[M].北京：清华大学出版社，2000.
[2]章卫国,杨向忠.模糊控制理论与应用[M] 西安：西北工业大学出版社，2000.
[3] 顾绳谷.电机及拖动基础[M]. 北京:机械工业出版社, 1997,第2版.
[4] SIMATIC S7-200 编程手册 1999年8月产品编程手册
来源：中国安全防护网
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