一种基于PLC控制的船用UPS智能控制系统的制作方法

本发明涉及船舶电气自动化，具体是指一种基于plc控制的船用ups智能控制系统。

背景技术：

1、船用ups不间断电源装置是保障船舶关键负载在主电源失电等工况下持续稳定运行的核心设备，具备双变换在线式拓扑结构、零中断切换、宽电压适应、高可靠性、抗振动、耐腐蚀等船用专属特性。传统船用ups系统控制方式多为基于固定阈值的开关量控制或简单的比例积分微分控制，存在突出问题：缺乏对环境参数的实时感知与融合利用；蓄电池状态监测手段单一，长期运行中累计误差持续放大；边缘侧仅完成数据透传，无本地预处理与智能分析能力；控制策略呈开环或半开环模式，环境变化与电池状态退化无法实时反馈至控制参数。

2、在船用ups应用场景中，蓄电池实际劣化速率与盐雾浓度和振动强度的乘积项呈显著非线性相关，其决定系数远高于与单一环境因素的相关性。盐雾-振动复合加速老化进一步揭示：盐雾在蓄电池端子表面形成的腐蚀产物层在静态条件下具有一定保护性，但在船舶持续振动应力作用下，该腐蚀层不断产生微裂纹，暴露新鲜金属表面，引发“腐蚀-振动-加速腐蚀”的循环。现有技术长期将温度、盐雾、振动等视为独立因素，采用简单线性叠加修正，未识别亦未纳入上述耦合效应，导致蓄电池寿命预测严重失准、保护策略滞后、突发失效风险显著增加。

3、因此，现有技术中缺少一种能够专门针对船用ups应用场景，识别并定量表征盐雾与振动耦合加速效应，并将该耦合效应深度嵌入状态估计与控制决策全链路的智能控制系统。

技术实现思路

1、本发明克服了现有技术的不足，提供了一种基于plc控制的船用ups智能控制系统，针对现有船用ups控制技术中盐雾-振动耦合加速效应未被识别与建模、环境感知缺失、状态估计精度不足及控制闭环反馈薄弱的问题，构建了集多源环境感知、边缘计算、耦合应力特征提取、电池状态联合估计与plc自适应控制为一体的完整体系。系统通过在ups及其周边环境布设多源传感器，实时获取温度、湿度、盐雾浓度、振动加速度及蓄电池电气参数等多维信息；在边缘计算单元中完成时戳同步、异常剔除、扩展卡尔曼滤波去噪与数据补全，确保输入数据的完整性与可靠性，并从盐雾浓度和振动加速度数据中提取盐雾-振动耦合应力特征；电池状态估计模块采用耦合应力修正的自适应融合滤波算法，对蓄电池荷电状态与健康状态进行联合在线估计，其中过程噪声协方差矩阵与内阻老化项通过同一耦合应力敏感系数形成关联约束；plc主控单元融合环境特征、耦合应力特征及状态估计结果，动态执行充电电流非线性多维修正与供电模式切换决策。系统通过“盐雾-振动耦合效应全链路贯通+双向反馈自适应增强”机制，将数据驱动学习与腐蚀机理建模相结合，使耦合应力特征同步服务于状态估计精度提升和控制策略动态优化，并通过执行反馈反向优化特征提取权重，形成“感知-耦合特征提取-状态估计修正-控制决策-执行反馈”的协同增效闭环，显著提升了船用ups在恶劣船舶环境下的适应性、供电可靠性与蓄电池寿命。

2、本发明采取的技术方案如下：本方案提供了一种基于plc控制的船用ups智能控制系统，包括环境感知层、电池感知层、边缘计算单元、电池状态估计模块、plc主控单元、执行与反馈模块。

3、环境感知层，采集船舶机舱环境数据，包括温度、相对湿度、盐雾浓度和振动加速度；

4、电池感知层，采集ups中的蓄电池组运行数据；

5、边缘计算单元，接收环境数据和运行数据，进行时戳同步、异常剔除、去噪平滑和丢包补全，得到预处理后的运行数据；从环境数据中提取环境特征，从盐雾浓度和振动加速度数据中提取盐雾-振动耦合应力特征，并从预处理后的运行数据中提取电气特征；边缘计算单元将预处理后的运行数据和耦合应力特征发送至电池状态估计模块，将环境特征、电气特征和耦合应力特征发送至plc主控单元；

6、电池状态估计模块，接收预处理后的运行数据和耦合应力特征，采用耦合应力修正的自适应融合滤波算法对电池的荷电状态与健康状态进行联合在线估计，得到状态估计结果，并实时发送至plc主控单元；其中，耦合应力特征修正自适应融合滤波算法中的过程噪声协方差矩阵和电池等效电路模型中的内阻老化项，且过程噪声协方差矩阵的修正系数和内阻老化项的修正系数通过同一耦合应力敏感系数关联；

7、plc主控单元，接收边缘计算单元输出的环境特征、电气特征、耦合应力特征以及电池状态估计模块输出的状态估计结果；根据状态估计结果中的电池有效荷电状态和预设的标准充电曲线确定基础充电电流，并根据状态估计结果中的电池健康状态、基于环境特征中的温度数据确定的温度补偿因子、基于耦合应力特征确定的耦合应力衰减因子，对基础充电电流进行多维修正，生成充电电流参考值；plc主控单元执行智能充放电控制策略与供电模式动态切换决策，基于充电电流参考值向ups的整流器、逆变器及充电回路输出控制指令；其中，耦合应力衰减因子采用非线性函数形式，使得耦合应力超过预设阈值后修正幅度以超线性方式增大，非线性函数的指数参数通过实船运行数据辨识确定；

8、执行与反馈模块，接收plc主控单元的控制指令，驱动ups的电力电子器件执行相应的充放电动作与模式切换，并从电力电子器件的运行反馈中获取实际执行参数；将实际执行参数反馈至plc主控单元，同时根据电池感知层采集的运行数据获取电池的实际充放电深度和温度变化，并反馈至边缘计算单元，优化耦合应力特征的提取权重；

9、进一步的，边缘计算单元从盐雾浓度和振动加速度数据中提取盐雾-振动耦合应力特征，具体包括：对盐雾浓度序列和振动加速度序列进行滑动窗口互相关分析，获取盐雾浓度变化与振动事件之间的时滞相关系数；对振动加速度波形执行雨流计数处理，获取各级应力幅值下的循环次数，基于疲劳累积损伤准则计算振动疲劳累积损伤量；基于时滞相关系数和振动疲劳累积损伤量，构建耦合加速因子，耦合加速因子包含材料相关指数和耦合系数；将耦合加速因子与盐雾浓度、振动加速度融合，生成耦合应力特征；其中，材料相关指数和耦合系数的取值范围是通过针对船用阀控密封式铅酸蓄电池的盐雾-振动复合加速老化试验标定确定的。

10、进一步的，电池状态估计模块采用耦合应力修正的自适应融合滤波算法对电池的荷电状态与健康状态进行联合在线估计，具体包括：建立蓄电池单体的等效电路模型，在等效电路模型的内阻老化项中引入基于耦合应力特征构建的耦合应力修正项；基于扩展卡尔曼滤波算法估计电池荷电状态，其中过程噪声协方差矩阵根据耦合应力特征进行自适应缩放，过程噪声协方差矩阵的修正系数与内阻老化项的耦合应力敏感系数满足预设的比例约束关系；基于双卡尔曼滤波架构同步估计电池健康状态，健康状态的状态转移方程中引入基于耦合应力特征构建的耦合应力加速退化项；通过比较蓄电池组中各单体的荷电状态，取最小值为电池组有效荷电状态。

11、进一步的，plc主控单元执行智能充放电控制策略，具体包括：将电池组有效荷电状态、电池健康状态、温度补偿因子和耦合应力衰减因子进行多维修正，动态计算最优充电电流参考值；多维修正中，温度补偿因子和耦合应力衰减因子以乘积形式作用于基础充电电流；耦合应力衰减因子在耦合应力特征低于预设第一阈值时取值为1，在耦合应力特征超过预设第一阈值后以幂函数形式衰减，幂函数的指数参数通过实船运行数据的最小二乘辨识确定，是针对船用ups蓄电池在真实航行工况下优化确定的，区别于陆地固定式储能系统常用的线性或对数衰减形式。

12、进一步的，执行与反馈模块将电池的实际充放电深度和温度变化反馈至边缘计算单元后，边缘计算单元调整耦合应力特征的提取权重，具体为：根据温度变化计算电池温度变化率，当检测到电池温度变化率超过预设阈值时，增大耦合应力特征中振动分量的权重系数；根据电池感知层采集的运行数据获取电池内阻实际变化率，当检测到电池内阻实际变化率与状态估计结果中的内阻变化率之间的偏差超过预设阈值时，采用梯度下降法调整耦合加速因子中的材料相关指数和耦合系数，使内阻变化率逐步逼近电池内阻实际变化率。

13、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

14、（1）通过环境感知层实时采集盐雾浓度与振动加速度，利用边缘计算单元进行滑动窗口互相关分析和雨流计数处理，构建耦合加速因子并生成盐雾-振动耦合应力特征，定量表征了盐雾与振动耦合效应对蓄电池寿命的非线性加速规律，解决了现有技术将盐雾与振动视为独立因素、采用线性叠加修正导致的寿命预测失准问题；

15、（2）通过电池状态估计模块采用耦合应力修正的自适应融合滤波算法，在内阻老化项中引入耦合应力修正项，并使过程噪声协方差矩阵与内阻老化项的修正系数满足预设比例约束关系，避免了参数独立调节导致的状态估计发散，显著提升了恶劣环境下电池荷电状态与健康状态的估计精度，解决了现有技术中状态估计累计误差持续放大的问题；

16、（3）通过plc主控单元基于电池健康状态、温度补偿因子和耦合应力衰减因子对基础充电电流进行非线性多维修正，其中耦合应力衰减因子在耦合应力超过阈值后以超线性方式增大修正幅度，指数参数通过实船数据动态辨识，使充电策略实时匹配环境应力水平，解决了现有技术控制策略开环、无法实时反馈环境变化与电池退化的问题；

17、（4）通过执行与反馈模块将实际执行参数反馈至plc主控单元，并将电池的实际充放电深度与温度变化反馈至边缘计算单元，调整耦合应力特征的振动权重系数和模型参数，形成“感知-特征提取-状态估计-控制决策-执行反馈”的协同增效闭环，解决了现有技术边缘侧无本地预处理与智能分析能力的问题，显著提升了系统的环境适应性与蓄电池寿命。