周玉豐

（四川信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程系，廣元 628017）

0 引言

在當(dāng)代科技的飛速發(fā)展中，能源的可持續(xù)發(fā)展與環(huán)保是全球進(jìn)步的兩大主題。相對(duì)于內(nèi)燃機(jī)汽車，電動(dòng)汽車及混合動(dòng)力汽車，可以說(shuō)是一種低污染，甚至是零污染的交通工具[1,2]。太陽(yáng)能電動(dòng)車是一全新的領(lǐng)域，在推動(dòng)技術(shù)進(jìn)步和科技向生產(chǎn)力轉(zhuǎn)化方面起著積極作用。

太陽(yáng)能電動(dòng)車所處環(huán)境的多變性導(dǎo)致了太陽(yáng)能電池板的輸出特性也在不斷變化。本文在分析太陽(yáng)能電動(dòng)車的能源系統(tǒng)基礎(chǔ)上[3,4]，用模糊推理系統(tǒng)工具箱設(shè)計(jì)太陽(yáng)能電動(dòng)車的最大功率點(diǎn)跟蹤(MPPT)模糊控制器[5~7]，并在變化和隨機(jī)的外界環(huán)境下，應(yīng)用Matlab/Simulink仿真軟件包對(duì)MPPT模糊控制器控制的能源系統(tǒng)進(jìn)行仿真研究，以驗(yàn)證模糊控制器的控制性能和控制算法的有效性。

1 太陽(yáng)能電動(dòng)車的能源系統(tǒng)

太陽(yáng)能電動(dòng)車是通過(guò)貼在車身上的太陽(yáng)能電池板吸收太陽(yáng)能，通過(guò)光電轉(zhuǎn)換將電能儲(chǔ)存在車內(nèi)的電池里，供電機(jī)使用以驅(qū)動(dòng)汽車。在光照強(qiáng)度比較大的情況下，太陽(yáng)能電池板吸收的太陽(yáng)能通過(guò)光電轉(zhuǎn)換而來(lái)的電流可以直接驅(qū)動(dòng)汽車，也可以與蓄電池同時(shí)供電。儲(chǔ)存在電池中的多余的能量可以在不利的天氣(如多云、深夜、雨天)使用。太陽(yáng)能電池板的輸出特性隨著外界日照強(qiáng)度和溫度的變化而變化，且存在著最大功率點(diǎn)，因此，需要在太陽(yáng)能電池板與蓄電池之間加入直流斬波器(DC/DC變換器)，其功能是實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能電池板到蓄電池的電壓匹配和通過(guò)開(kāi)關(guān)的通斷實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)跟蹤(Maximum Power Point Tracking(MPPT))控制。DC/DC變換器中的開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)通常采用脈寬調(diào)制(Pulse Width Modulation(PWM))，通過(guò)MPPT控制器實(shí)時(shí)改變PWM波的占空比來(lái)調(diào)節(jié)和控制太陽(yáng)能電池板的輸出功率，使太陽(yáng)能電池板工作于最大功率點(diǎn)附近，使其輸出功率達(dá)到最大[8]。圖1為太陽(yáng)能電動(dòng)車能源系統(tǒng)原理圖。

圖1 太陽(yáng)能電動(dòng)車能源系統(tǒng)原理圖

2 模糊控制器的設(shè)計(jì)

2.1 模糊控制器的結(jié)構(gòu)

模糊控制的基本原理如圖2所示[9~12]。

圖2 模糊控制器的基本原理框圖

2.2 確定輸入變量和輸出變量

太陽(yáng)能電池板的輸出功率－電流特性曲線，如圖3所示。從圖3中可知，不管外界環(huán)境如何變化，在太陽(yáng)能電池板最大功率點(diǎn)處都有dP/dI =0，即功率－電流曲線斜率為零，即目標(biāo)值。要跟蹤太陽(yáng)能電池板的最大功率點(diǎn)可以采用功率曲線斜率和斜率的變化來(lái)進(jìn)行判斷，即作為模糊輸入變量E和EC。

圖3 太陽(yáng)能電池板輸出功率—電流特性曲線

輸出的控制量U選取占空比的變化量，通過(guò)占空比的變化來(lái)改變太陽(yáng)能電池板的輸出電流，使其向最大功率點(diǎn)處移動(dòng)。

對(duì)誤差E、誤差變化量EC及控制量U的語(yǔ)言變量的語(yǔ)言值及其論域定義如下：

EC和U的語(yǔ)言變量的語(yǔ)言值均為{NL，NM，NS，Z，PS，PM，PL}。E的語(yǔ)言變量的語(yǔ)言值為{NL，NM，NS，NZ，PZ，PS，PM，PL}，語(yǔ)言變量的語(yǔ)言值為8個(gè)，區(qū)分了NO和PO，主要是著眼于提高穩(wěn)態(tài)精度。

E 、EC和U的論域分別為X、Y和Z，量化等級(jí)均為13個(gè)，即：

X=Y=Z={-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6}。

2.3 模糊控制規(guī)則的設(shè)計(jì)

控制規(guī)則用模糊條件語(yǔ)句來(lái)描述：

1） if E=PL and EC=PL then U=PL

2） if E=PL and EC=PM then U=PL

3） if E=PL and EC=PS then U=PL

…

54）if E=NL and EC=NS then U=NL

55）if E=NL and EC=NM then U=NL

56）if E=NL and EC=NL then U=NL

2.4 確定模糊變量的賦值表

所謂對(duì)模糊變量賦值，就是確定論域內(nèi)元素對(duì)模糊語(yǔ)言變量的隸屬度。選取隸屬函數(shù)為簡(jiǎn)化的三角形隸屬函數(shù)，如圖4所示。

圖4 語(yǔ)言變量X、Y、Z的隸屬度函數(shù)

2.5 模糊控制計(jì)算和模糊判決

首先求每條規(guī)則所描述的模糊關(guān)系Ri，然后求系統(tǒng)的總模糊關(guān)系R，即：

利用Matlab進(jìn)行矩陣計(jì)算較簡(jiǎn)單。然后進(jìn)行模糊推理，推理方式采用Mamdani極大極小運(yùn)算法。最后用加權(quán)平均法分別對(duì)輸出模糊集合Uij進(jìn)行模糊判決。

3 仿真模型

利用Matlab/Simulink軟件建立太陽(yáng)能電動(dòng)車MPPT模糊控制系統(tǒng)仿真模型和仿真圖分別如圖5、圖6所示。

4 仿真與結(jié)果分析

圖5 太陽(yáng)能電動(dòng)車MPPT模糊控制系統(tǒng)仿真模型

圖6 太陽(yáng)能電動(dòng)車MPPT模糊控制系統(tǒng)仿真圖

4.1 變化外界環(huán)境下仿真

由于太陽(yáng)能電池板主要受日照強(qiáng)度和溫度的影響，因此需要在日照強(qiáng)度和溫度變化的外界環(huán)境下對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真。

4.1.1 日照強(qiáng)度變化下的系統(tǒng)仿真

太陽(yáng)能電動(dòng)車行駛環(huán)境多種多樣，特別是道路傾角以及路邊樹(shù)蔭等，都將影響太陽(yáng)能電池板上日照強(qiáng)度的變化，日照強(qiáng)度變化也會(huì)出現(xiàn)急劇、緩慢等情況。

日照強(qiáng)度變化模擬如圖7所示。

圖7 日照強(qiáng)度變化模擬曲線

系統(tǒng)在日照強(qiáng)度變化下的模糊控制策略仿真結(jié)果如圖8所示。由圖8可知，功率變化趨勢(shì)與日照強(qiáng)度變化保持一致，且功率波動(dòng)較小。

圖8 日照強(qiáng)度變化時(shí)模糊控制功率曲線

4.1.2 溫度變化下的系統(tǒng)仿真

溫度變化不同于日照強(qiáng)度，因?yàn)樘?yáng)能電池板的溫度不可能急劇增加，然而卻可以因?yàn)橄掠旰推渌蛩丶眲〗档汀Ｒ虼诉@里考慮溫度的急劇降低和緩慢變化。

溫度變化模擬如圖9所示。

圖9 溫度變化模擬曲線

系統(tǒng)在溫度變化下的兩種控制策略仿真結(jié)果如圖10所示。由圖10可知，在溫度急劇變化時(shí)，功率變化幅度不大，模糊控制的功率維持在近似的最大功率點(diǎn)附近，達(dá)到了控制要求，顯示了MPPT模糊控制優(yōu)越的控制性能，并且功率波動(dòng)較微小，獲得了較高的功率水平。

4.2 隨機(jī)外界環(huán)境下仿真

為了更接近于外界環(huán)境，在隨機(jī)的外界環(huán)境條件下，采用 MPPT模糊控制對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了仿真。其中，日照強(qiáng)度和溫度均采用用Matlab/Simulink中白噪聲(White Noise)來(lái)模擬，使仿真結(jié)果更具有通用性和說(shuō)服力。

圖10 溫度變化時(shí)模糊控制功率曲線

外界環(huán)境日照強(qiáng)度和溫度變化模擬分別如圖11、圖12所示。

圖11 隨機(jī)外界環(huán)境日照強(qiáng)度變化模擬曲線

圖12 隨機(jī)外界環(huán)境溫度變化模擬曲線

在上述隨機(jī)日照強(qiáng)度和溫度下，直流斬波器(DC/DC變換器)的占空比輸入如圖13所示?？梢?jiàn)，占空比調(diào)整趨勢(shì)同日照強(qiáng)度和溫度基本一致，證明了MPPT模糊控制實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)跟蹤控制。

圖13 隨機(jī)外界環(huán)境下占空比控制曲線

系統(tǒng)在隨機(jī)外界環(huán)境下的模糊控制策略仿真結(jié)果如圖14所示。由圖14看出，太陽(yáng)能電池板的輸出功率基本上隨日照強(qiáng)度和溫度的變化而變化，顯示了MPPT模糊控制優(yōu)越的控制性能。

圖14 隨機(jī)外界環(huán)境下太陽(yáng)能電池板的功率曲線

5 結(jié)論

通過(guò)在變化和隨機(jī)外界環(huán)境下所作的仿真，可以看出MPPT模糊控制在變化的外界環(huán)境下能夠有效地抑制工作點(diǎn)偏離，從而抑制了功率波動(dòng)，使系統(tǒng)維持了較高的功率輸出水平，具有陣列重構(gòu)法和虛擬負(fù)載法無(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn)，適應(yīng)了太陽(yáng)能電動(dòng)車多變外界環(huán)境的要求，顯示了模糊控制策略優(yōu)越的控制性能，適合在太陽(yáng)能電動(dòng)車中應(yīng)用。研究結(jié)果說(shuō)明了本文的模糊控制方案是正確的，所設(shè)計(jì)的模糊控制器具有較高的穩(wěn)態(tài)性和較強(qiáng)的魯棒性，達(dá)到了預(yù)期的目的，為太陽(yáng)能電動(dòng)車的應(yīng)用提供了參考。

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