基于模糊控制的無人機應急電源快速充電方法

無人機應急電源指無人機飛行中主電源發生故障時，為機載用電設備提供電能的供電電源。本校某型無人機應急電源由20節鎳鎘電池單元組成。現代戰爭對武器裝備的要求空前嚴酷，具體到無人機系統，則包括了大力縮短準備時間，提高系統檢測精度，提高系統整體可靠性，增強系統采集情報信息的質量等諸多方面。但是，目前無人機應急電源大都采用及時維護，提前一天充電的方法來保證其戰斗力，耗時長。另外，人工維護偶爾造成的疏漏也不可避免，這些都是影響戰斗力發揮的嚴重隱患。

　　1 無人機應急電源的充電特性

　　無人機應急電源之所以要提前一天采用小電流充電是因為它的充放電是一個復雜的電化學變化過程，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、環境溫度都可以對充電速度產生影響。這使得簡單控制系統對提高充電效率無法起到顯著作用。

　　1．2 非線性

　　無人機應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函數，在不同階段將呈現不同的變化規律。充電特性曲線如圖1所示。

　　從圖1中可以看出，無人機應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，不能充分發掘時間；C-D段的電壓從最高點開始下降，可采用涓流充電。

　　1．3 獨特性

　　無人機應急電源依據其具體不同的使用狀況，其充電電流有很大的不同，即使同一套無人機系統同時配發相同容量、相同型號的電源也不例外。

　　裝備現用的充電技術沒有考慮充電過程的非線性變化，無法實現對無人機應急電源的適應性充電，只能以相對較小的電流實施充電，從而導致充電速度慢，而且充電后期析氣嚴重，對電源內部造成損壞，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。經綜合比較，可選用成本較低，且適應性較強的模糊控制策略。

　　2 模糊控制充電器的設計

　　模糊控制不需要掌握被控對象的數學模型，特別適合這種非線性控制。它對過程參數的變化具有較強的適應性，并且可加入一些人為的經驗因數，使控制過程更易于按照人的要求來實現。可以預期這種模糊控制充電器的工作原理是預先設計一張控制策略表存入單片機的ROM中。控制時根據采樣結果計算輸入量的值，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現難度大且效果差。根據圖1，B-C段是電壓變化最為劇烈的一段，并且持續時間較長，可將這一段電壓的變化率△U／△t作為模糊控制的輸入量，再輔以電源實時電壓與可充最高電壓之間的差值△E，便可實現較完美的控制。輸出量則以PWM波的占空比增量△ton調節的充電電流作為標準。

　　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，當輸入量AE的基本論域為[0，18]時，量化因子即為：

　　相應地，由實驗得出△U／△t的最大值為5．236 0×10-4V／s，量化因子即為：

　　當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(負大)，NM(負中)，NS(負小)，NO(零負)，PO(零正)，PS(正小)，PM(正中)和PB(正大)，采用正態函數模型μA(X)=e-(x-a/b)2構造隸屬度函數，如圖2所示。其中：參數a取適當的值使集合{-4，-3，-2，-1，0，+1，+2，+3，+4}映射到集合{NB，NM，NS，NO，PO，PS，PM，PB}；參數6決定隸屬函數的形狀。可根據系統誤差的調整得到合適的控制靈敏度和穩定性。在這里，當模糊化將精確值映射到相應模糊量的論域中時采用單點模糊法。

　　2．3 模糊控制策略表的建立

　　由第1．3節的論述可知，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作為主要判別標準，必然會給控制結果帶來較大的偏差。基于此認識，可以采用增加△U／△t權值的途徑加以改善。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，適當增加權值，令α=0．6，經過上式運算，再經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輸出的電流值。

　　3 組成與實現

　　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，根據模糊知識庫進行模糊推理和模糊判決(解模糊)，得到精確控制的變量。但是由于系統采用在ROM中預存模糊控制表的方法，將在線推理運算轉變成了查表運算，大大提高了系統的響應速度，其結構組成如圖3所示。

　　3．1 微處理機模塊

　　圖3中模糊化、模糊決策以及解模糊環節都是在微處理機模塊中完成的。在此選用Motorola公司的單片機MC68HC05SR3，其內部資源豐富，ROM和RAM空間較大，便于實施模糊控制。另外，它還帶有4個A／D轉換器，十分便于對模擬量的檢測。由該單片機與相應的接口電路配合，構成系統的控制核心。

　　3．2 負反饋電路

　　電壓電流檢測電路是通過A／D轉換器檢測系統充電電流的；電池端電壓、電池溫度等參數是通過采樣電路、熱敏電阻等形成負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制方式把交流市電轉換為所需的直流電壓，然后根據負反饋電路檢測系統得到的充電電壓、電流，經微處理機模塊計算出最佳變化量，將此變化量加到充電電路中，經PWM輸出，便得到所需的最佳充電電流。

　　4 結 語

　　通過對無人機應急電源端電壓變化率的監測得到了模糊控制所依據的最佳充電電壓曲線，以此曲線為輸入量設計了模糊控制策略表，并實現智能跟蹤模糊控制。通過與傳統充電方法對比證實，這種基于模糊控制的無人機應急電源快速充電方法具有以下優點：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，采用該技術可以實現無人機應急電源充電過程的快速化和智能化，對無人機武器系統作戰能力的穩定發揮具有重大意義。