經(jīng)GA優(yōu)化的電機(jī)模糊控制系統(tǒng)設(shè)計

高志斌,趙繼敏,王 芳

(1.上海交通大學(xué),上海 200240;2.中國礦業(yè)大學(xué),徐州 221008)

0 引 言

傳統(tǒng)電機(jī)保護(hù)控制系統(tǒng)采用交直流混合控制,但因元器件數(shù)量眾多,影響整個系統(tǒng),并使得系統(tǒng)的安全系數(shù)有所降低。

在電動機(jī)控制回路中,熱繼電器依靠雙金屬片發(fā)熱彎曲帶動輔助接點動作而起過流保護(hù)的作用,其精確度很低,且在長期使用或受到數(shù)次過載沖擊后,工作特性會發(fā)生很大變化,經(jīng)常發(fā)生誤動或拒動現(xiàn)象。

本文采用西門子公司的 SIMOCODE pro電動機(jī)保護(hù)及控制裝置,既能滿足各種控制方式需要,又極大地簡化了控制器設(shè)計,用一個部件取代眾多的控制元件,并從根本上解決了熱繼電器這一薄弱的保護(hù)環(huán)節(jié)。

1 控制器設(shè)計

傳統(tǒng)的自動控制,包括經(jīng)典理論和現(xiàn)代控制理論中有一個共同的特點,即控制器的綜合設(shè)計都要建立在被控對象精確數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上,但在實際工業(yè)生產(chǎn)中,很多系統(tǒng)的影響因素很多,十分復(fù)雜,建立精確的數(shù)學(xué)模型特別困難。而模糊控制不需要建立數(shù)學(xué)模型,根據(jù)實際系統(tǒng)的輸入輸出結(jié)果,參考現(xiàn)場操作人員的工作經(jīng)驗,就可以對系統(tǒng)進(jìn)行實時控制。模糊控制器具有速度較快、精度較高以及對參數(shù)不敏感等優(yōu)點,魯棒性極強(qiáng)。

在本設(shè)計中,我們采用裝有 SIMOCODE ES professional 2004+sp 3軟件的電腦通過PC電纜與基本單元或操作面板連接來上傳、下載及修改內(nèi)部程序從而進(jìn)行系統(tǒng)的設(shè)計。其總體設(shè)計圖如 1所示。

圖1 系統(tǒng)總體原理圖

我們考慮到調(diào)節(jié)器的復(fù)雜性和控制精度的要求,選用以位置誤差及誤差變化率為輸入的二維模糊控制器。這樣既避免了選擇一維控制器的動態(tài)性能不佳,也避免了采用三維模糊控制器的過于復(fù)雜、難以設(shè)計和占用計算機(jī)時間長、實時性差等弊端。此外,也會因限制采樣頻率提高,而直接影響控制精度,反而達(dá)不到滿意性能。

以E和EC分別代表誤差和誤差變化率的語言變量,V為驅(qū)動電壓給定的語言變量。定義逆時針旋轉(zhuǎn)方向為正,其模糊控制規(guī)則如表1所示。

表1 模糊控制規(guī)則表

由于輸入偏差E與誤差變化 EC的論域均為[-6,-5,-4,-3,-2,-1,0,1,2,3,4,5,6],故在此論域上定義模糊集為 7個:{NB,NM,NS,Z,S,M,B}。

隸屬函數(shù)均采用三角型隸屬函數(shù)。其控制器各變量的隸屬函數(shù)圖形如圖2所示。

圖2 控制器各變量的隸屬函數(shù)圖形

電機(jī)的模糊控制表參數(shù)我們依據(jù)經(jīng)驗,先設(shè)置 n串初始參數(shù),構(gòu)成初始群體,其中的遺傳算法有以下基本步驟:

(1)k=0,隨機(jī)產(chǎn)生 i個串,構(gòu)成初始群體。

(2)計算各串的適應(yīng)度(值)fi,i=1,2,…,n。

(3)以下步驟產(chǎn)生新的群體,直到新群體中串的總數(shù)達(dá)到n;

①以概率fi/-∑fi,fj/-∑fj從群體中選出兩個串Si、Sj。

②以概率 Pc對 Si,Sj進(jìn)行交換 ,得到新的串 S′i、S′j。

③以概率 Pm使 S′i、S′j中的各位產(chǎn)生突變 。

(4)k=k+1,返回第 2步。

其系統(tǒng)的總體軟件設(shè)計流程圖如圖3所示。在電機(jī)的模糊控制表形成過程中,隔一段時間給定電機(jī)不同的速度,以根據(jù)采集到的電機(jī)轉(zhuǎn)速變化曲線通過遺傳算法部分的程序,自動計算出控制器參數(shù)的最優(yōu)化結(jié)果,然后待控制器參數(shù)較為穩(wěn)定時,可以將遺傳算法優(yōu)化部分程序跳過執(zhí)行,使系統(tǒng)成為單純模糊控制系統(tǒng),從而達(dá)到加快上位機(jī)運行速度,減少控制器參數(shù)設(shè)計中人工開支的作用。

圖3 總體軟件流程圖

2 系統(tǒng)測試

選用測試電動機(jī)為ZJD120/42-8,1 200 kW;電樞電壓660 V;額定電流 1 950 A;額定轉(zhuǎn)速 400 r/min;過載倍數(shù)2.0;勵磁電壓 63 V;勵磁電流 88.2 A;磁場電阻 0.716Ω;勵磁回路時間常數(shù) 0.992s;電樞轉(zhuǎn)動慣量 37.356 kN?m2;電樞繞組電阻 Rsd=0.005 91Ω;換向繞組電阻 RHd=0.001 25 Ω;補償繞組電阻RBd=0.002 09Ω;補償聯(lián)線電阻 RGd=0.001 87Ω;整個提升系統(tǒng)轉(zhuǎn)動慣量 135 554 kN? m2。

在從第 1s開始的 10 V的階躍電壓作用下,系統(tǒng)的階躍響應(yīng)如圖4所示。

圖4 轉(zhuǎn)速環(huán)的階躍響應(yīng)

觀察電樞電流的起動過程的曲線,如圖5所示?？梢钥闯?突加給定電壓后,轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器很快進(jìn)入飽和狀態(tài),使電動機(jī)在恒流狀態(tài)下起動,當(dāng)轉(zhuǎn)速上升到給定轉(zhuǎn)速時,ASR開始退出飽和,直至 Id=Idl。

圖5 電樞電流的起動過程

3 結(jié) 語

此算法可以節(jié)省控制器設(shè)計的時間,提高系統(tǒng)控制部分軟件從開發(fā)到部署的速度。并且可以在當(dāng) SIMCODE-pro所控制的電機(jī)更換時,可以通過GA優(yōu)化程序很快找到合適控制器參數(shù),提高了工作效率。