雙直線電機往復(fù)泵恒流控制的研究

摘要：雙直線電機往復(fù)泵與傳統(tǒng)往復(fù)泵相比，具備結(jié)構(gòu)簡單、沖程長、沖次低、排量波動小、泵壓均勻和系統(tǒng)效率高等一系列優(yōu)點，是一種非常具有發(fā)展?jié)摿Φ男滦屯鶑?fù)泵。文章介紹了直線電機的工作原理，并利用模糊PI控制實現(xiàn)了雙直線電機的協(xié)調(diào)控制，從而在理論上實現(xiàn)了雙直線電機的恒流輸出。并通過建立控制系統(tǒng)的MATLAB/SIMULINK仿真模型，驗證此方法的有效性和可行性，從而為實際的直線電機控制打好理論基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：直線電機；模糊PI控制；恒流；MATLAB/SIMULINK仿真

中圖分類號：TM359.4 文獻標識碼：A 文章編號：1006—8937（2012）23—0115—02

傳統(tǒng)往復(fù)泵一般通過曲柄連桿機構(gòu)將旋轉(zhuǎn)電機的電能轉(zhuǎn)化為直線運動的機械能，具有效率低，輸出流量小，壓力脈動大，易損件壽命低的缺點。直線電機可以將電能直接轉(zhuǎn)化為直線運動機械能，將直線電機作為往復(fù)泵的動力端可以很好的克服以上問題。直線電機可以將電能直接轉(zhuǎn)換成直線運動機械能而不需要任何中間轉(zhuǎn)換機構(gòu)，因此雙直線電機往復(fù)泵與傳統(tǒng)的往復(fù)泵相比，具備結(jié)構(gòu)簡單、沖程長、沖次低、排量波動小、泵壓均勻和系統(tǒng)效率高等一系列優(yōu)點，其發(fā)展?jié)摿κ蔷薮蟮?，但是傳統(tǒng)的PI控制方式不能更好的滿足需要，本文提出了基于模糊PI控制的雙直線電機往復(fù)泵恒流控制的控制方法，通過建立MATLAB/SIMULINK仿真模型，驗證了控制方法的正確性和可行性。

1 直線電機的數(shù)學(xué)模型建立

直線電機由于其復(fù)雜的電磁關(guān)系不能建立起精確的數(shù)學(xué)模型，但它與永磁同步旋轉(zhuǎn)電機的數(shù)學(xué)模型基本相同，所以我們做一些假設(shè)，以方便建立數(shù)學(xué)模型：忽略鐵芯飽和的影響；渦流損耗和磁滯損耗忽略不計；永磁體沒有阻尼作用；反電動勢波形是正弦的。

基于上面的假設(shè)，選用定子電流ia、ib、ic，速度v及位移x為狀態(tài)變量，由電壓方程、機械運動方程和位移方程共同構(gòu)成了直線電機的數(shù)學(xué)模型：

可以看出，直線電機數(shù)學(xué)模型是一個非線性耦合系統(tǒng)?？捎米鴺俗儞Q使各物理量從靜止坐標系變換到同步旋轉(zhuǎn)坐標系，從而使各交變的物理量都變成直流量，從而實現(xiàn)d、q兩軸的解耦。

2 模糊PI控制器設(shè)計

傳統(tǒng)的PID調(diào)節(jié)器整定要求被控對象有精確數(shù)學(xué)模型。而建立起直線感應(yīng)電動機的精確動態(tài)數(shù)學(xué)模型是不易的，本文采用模糊控制實現(xiàn)雙直線電機往復(fù)泵的恒流控制。模糊控制適用于非線性系統(tǒng)，具有響應(yīng)速度快、動態(tài)響應(yīng)特性好的優(yōu)點，但模糊控制的動作不夠精細，導(dǎo)致其穩(wěn)態(tài)精度較差，因此將模糊控制與PI控制相結(jié)合，實現(xiàn)控制的目標，其控制原理圖如圖2所示。

由圖2所示，為了使直線電機具有更好的動靜態(tài)響應(yīng)特性，模糊PI調(diào)節(jié)器根據(jù)不同的誤差E和誤差變化率Ec對參數(shù)進行調(diào)整，以達到理想的效果。

首先，模糊PI控制的模糊部分需將誤差和誤差變化率進行模糊化，然后根據(jù)模糊控制規(guī)則進行推理得到 △Kp和△KI，之后進行去模糊化，得到△Kp和△KI的值，通過以上兩步得到PI調(diào)節(jié)器的PI值為：

Kp=Kp0+△KpKI=KI0+△KI（6）

其中：Kp0為 Kp的基準值，KI0為KI的基準值。PI調(diào)節(jié)器不斷的調(diào)整PI參數(shù)的值，而使被控對象穩(wěn)定可靠的運行。在雙直線電機的控制系統(tǒng)中，對速度環(huán)采用模糊PI控制，以速度值的偏差E，偏差變化率Ec作為輸入量，輸出為△Kp和△Ki。選取E、Ec的語言值為{負大（NB），負小（NS），零（ZO），正?。≒S），正大（PB）}，選取輸出變量△Kp和△Ki的語言值為{負大（NB），負?。∟S），零（ZO），正小（PS），正大（PB）}。

對PI參數(shù)的調(diào)整，需要根據(jù)一定的原則和經(jīng)驗，最終得到△Kp和△KI的模糊控制規(guī)則表如表1、表2所示。

3 系統(tǒng)仿真與結(jié)果分析

直線電機采用特定的等加速—勻速—等減速運動規(guī)律和120°或60°的運動相位，從而理論上實現(xiàn)系統(tǒng)的恒流量控制。下面利用Matlab進行仿真，本系統(tǒng)采用雙閉環(huán)控制策略。

首先建立模糊控制器。在命令行輸入fuzzy ，就可以進入模糊推理系統(tǒng)編輯器（fiseditor）。利用這個工具可制作一個*.fis文件。如上面所述，本文采用偏差E和偏差變化率Ec兩個量作為模糊控制器的輸入，接著確定隸屬函數(shù)。雙擊黃色和綠色的方框就可以進入隸屬函數(shù)編輯對話框。設(shè)置E， Ec的range為[—2，2]，U的range為[—1，1]。matlab提供了11種隸屬函數(shù)，第一次使用選擇常用的三角形trimf。三角形隸屬函數(shù)有三個點確定，其實是三角形底邊兩個端點和中點。最后根據(jù)上面的規(guī)則表確定模糊控制規(guī)則。以E為例，如圖3所示。

模糊PI控制模塊利用Matlab模糊邏輯工具箱函數(shù)中的fuzzy函數(shù)，對雙直線電機我們采用雙閉環(huán)的控制策略，實現(xiàn)電機的穩(wěn)定運行和協(xié)調(diào)控制，以達到抗干擾和恒流量輸出的目的，系統(tǒng)空載的情況下，整個控制系統(tǒng)的仿真圖形如圖4所示。

對整個系統(tǒng)采用模糊控制后，系統(tǒng)的抗干擾特性得到了加強，圖5為電機誤差曲線。

圖5中曲線1是在常規(guī)PI控制下的雙直線電機的同步誤差，2是采用模糊PI控制的誤差曲線，很明顯模糊控制的性能要優(yōu)越常規(guī)的PI控制。我們可以得出，模糊控制對直線電機往復(fù)泵的控制可以達到更理想的效果。

4 結(jié) 語

對于直線電機往復(fù)泵因為其結(jié)構(gòu)簡單有著巨大的發(fā)展?jié)摿?，在這種背景下本文探索了使用模糊PI控制的實現(xiàn)恒流輸出的方法。從仿真的波形來看，模糊控制的優(yōu)越性比較明顯，外界對往復(fù)泵的干擾也能得到很好的抑制。為以后雙直線電機往復(fù)泵的控制提供了理論指導(dǎo)，并能很好的促進往復(fù)泵的發(fā)展。

參考文獻：

[1] 葉云岳.直線電機原理與應(yīng)用[M].北京：機械工業(yè)出版社，2000.

[2] 王玉華.基于模糊控制的直線感應(yīng)電動機控制系統(tǒng)的研究[D].吉林：吉林大學(xué)，2007.

[3] 翁秀華，郭慶鼎，劉德君.基于模糊自適應(yīng)PDI的雙直線電機同步驅(qū)動系統(tǒng)控制[J].組合機床與加工技術(shù)，2004，（9）：28—29.