自適應(yīng)模糊PID控制在PLC變頻調(diào)速同步測試中的應(yīng)用

孫曉明， 馬 青， 曹 虎， 吳 杰， 柏瑞卿

(江陰職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子信息工程系，江蘇 江陰 214405)

0 引言

電機(jī)同步控制目前在電氣傳動(dòng)控制裝備中應(yīng)用比較廣泛，譬如包裝機(jī)械、農(nóng)業(yè)機(jī)械、煤礦設(shè)備、數(shù)控機(jī)床、紡織印染機(jī)械、機(jī)器人控制等領(lǐng)域[1-2]。伺服電機(jī)控制在電機(jī)同步控制中可以實(shí)現(xiàn)較高的控制精度，有相對(duì)成熟的控制方式，缺點(diǎn)是電機(jī)輸出功率較小，成本較高。異步電機(jī)變頻控制以優(yōu)異的調(diào)速性能，輸出功率范圍廣，高效節(jié)能等諸多優(yōu)點(diǎn)[3]是應(yīng)用最多的電機(jī)控制方式。同時(shí)采用異步電機(jī)實(shí)現(xiàn)同步控制是目前重點(diǎn)研究方向，由此期望降低成本，提高同步控制驅(qū)動(dòng)能力。本文采用電機(jī)主從控制結(jié)構(gòu)，構(gòu)建轉(zhuǎn)速自適應(yīng)模糊PID控制器，以PLC、變頻器、異步電機(jī)、編碼器構(gòu)成電機(jī)同步測試平臺(tái)，通過PLC變頻器串口通訊，實(shí)現(xiàn)異步電機(jī)同步控制。

1 同步控制系統(tǒng)構(gòu)成

電機(jī)同步控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。由旋轉(zhuǎn)編碼器產(chǎn)生的脈沖信號(hào)，經(jīng)PLC高速計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)測量處理得到的實(shí)際轉(zhuǎn)速與給定轉(zhuǎn)速形成偏差信號(hào)，經(jīng)過在PLC中設(shè)計(jì)的控制器處理，通過RS485通訊口輸出控制變頻器驅(qū)動(dòng)異步電機(jī)，實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制[4]。

圖1 電機(jī)同步控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

采用的主從控制方式[5-7]結(jié)構(gòu)圖如圖2所示，系統(tǒng)中的兩臺(tái)電機(jī)，一臺(tái)作為主電機(jī)，另一臺(tái)作為從電機(jī)。主電機(jī)由系統(tǒng)給定轉(zhuǎn)速輸入信號(hào)，從電機(jī)將主電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速信號(hào)作為輸入信號(hào)。

圖2 主從控制方式結(jié)構(gòu)圖

主從同步控制中，從電機(jī)只需要跟蹤主電機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)，從電機(jī)可以根據(jù)具體情況，選擇與主電機(jī)不同的控制方式，使整個(gè)同步控制性能更容易調(diào)整，從而達(dá)到更好的同步控制效果。主從同步控制方式存在缺點(diǎn)，從電機(jī)波動(dòng)會(huì)引起不同步。為了獲得更好的同步效果，主電機(jī)控制方式采用常規(guī)PID控制，從電機(jī)控制方式采用自適應(yīng)模糊PID控制[8]。另外，實(shí)際控制起動(dòng)時(shí)需要對(duì)從電機(jī)預(yù)置設(shè)定值，因?yàn)閺碾姍C(jī)起動(dòng)時(shí)不能做到立刻跟隨，需要一段極短時(shí)間調(diào)整，預(yù)設(shè)值由仿真及實(shí)際測試獲得。

2 自適應(yīng)模糊PID控制器設(shè)計(jì)

自適應(yīng)模糊PID控制器由參數(shù)模糊化、模糊推理、參數(shù)解模糊、PID控制器等組成，見圖3。n1為控制器輸入量即主電機(jī)轉(zhuǎn)速，n2為控制器輸出量即從電機(jī)轉(zhuǎn)速?？刂破鞴ぷ鲿r(shí)，不斷檢測轉(zhuǎn)速偏差信號(hào)e和偏差信號(hào)變化率ec，根據(jù)模糊規(guī)則及在線自校正從而獲得PID 3個(gè)參數(shù)，以期獲得系統(tǒng)更好動(dòng)靜態(tài)性能[9-11]。

自適應(yīng)模糊PID控制器選擇偏差絕對(duì)值|e|和偏差變化率絕對(duì)值|ec|為輸入變量，輸入變量取L、M、H(小、中、大)，模糊子集為，其隸屬函數(shù)分別如圖4、5所示。

圖3 自適應(yīng)模糊PID控制器

圖4 |e|隸屬函數(shù)

圖5 |ec|隸屬函數(shù)

根據(jù)隸屬函數(shù)及實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)模糊控制規(guī)則見表1，同時(shí)設(shè)計(jì)PID參數(shù)模糊矩陣，獲得修正參數(shù)Δkp，Δki，Δkd，修 正 參 數(shù) 模 糊 子 集 為 Δkp，Δki，Δkd={ L ，M，H}。

表1 模糊規(guī)則表

修正參數(shù)代入下式計(jì)算，實(shí)現(xiàn)對(duì)PID 3個(gè)參數(shù)的在線自校正:kp=kp/+Δkp;ki=ki/+Δki;kd=kd/+Δkd，其中 kp/、ki/、kd/為常規(guī)PID整定參數(shù)。

3 電機(jī)轉(zhuǎn)速測量

要實(shí)現(xiàn)高精度的同步控制，電機(jī)轉(zhuǎn)速測量是至關(guān)重要的。本文采用M法測速，在規(guī)定時(shí)間內(nèi)測量所產(chǎn)生的脈沖個(gè)數(shù)來獲得被測速度[12]。

選用的西門子PLC224XP集成2個(gè)精度為1 ms的定時(shí)器(T32、T96)，最大誤差1個(gè)脈沖，用T32、T96截取50 ms時(shí)間間隔，計(jì)時(shí)開始時(shí)高速計(jì)數(shù)器HSC的值放入VD0，計(jì)時(shí)結(jié)束時(shí)把HSC的值放入VD1，VD1減VD0的值即為50 ms內(nèi)的脈沖數(shù)Δm，這里高速計(jì)數(shù)器HSC選擇AB相正交工作方式，SMB47=16#F8，為4倍計(jì)數(shù)方式，同時(shí)選擇的旋轉(zhuǎn)編碼器分辨率為720 P/r，所以轉(zhuǎn)速 n為

4 同步仿真與測試

應(yīng)用Matlab建立同步仿真模型[13]，對(duì)常規(guī)PID控制及自適應(yīng)模糊PID控制主從電機(jī)轉(zhuǎn)速波形進(jìn)行仿真，給定轉(zhuǎn)速1 000 r/min，圖6為常規(guī)PID控制主電機(jī)轉(zhuǎn)速仿真波形，圖7為自適應(yīng)模糊PID控制從電機(jī)轉(zhuǎn)速仿真波形。從仿真可以看到，自適應(yīng)模糊PID控制比常規(guī)PID控制有更好的動(dòng)態(tài)性能。

圖6 常規(guī)PID控制主電機(jī)轉(zhuǎn)速仿真波形

圖7 自適應(yīng)模糊PID控制從電機(jī)轉(zhuǎn)速仿真波形

同步測試平臺(tái)具體設(shè)備型號(hào)及參數(shù)如下:PLC選用西門子PLC224XP;變頻器采用三菱變頻器 FRE740-1.5 kW;三相異步電機(jī)型號(hào) Y90S-4，額定功率1.1 kW，額定電流 2.8 A，額定轉(zhuǎn)速 1 400 r/min;旋轉(zhuǎn)編碼器型號(hào)歐姆龍E6C2-CWZ3E，分辨率720 P/r，配DP4-FR1轉(zhuǎn)速數(shù)顯表。同時(shí)設(shè)定相關(guān)參數(shù)[14-15]并測試，測試數(shù)據(jù)見表2。從測試數(shù)據(jù)可以看到，主從電機(jī)存在同步誤差，但誤差較小，低于0.5%，同步控制效果較好。

表2 同步測試數(shù)據(jù)

5 結(jié)語

針對(duì)變頻調(diào)速異步電機(jī)同步控制問題，采用主從控制方式，構(gòu)建自適應(yīng)模糊PID控制器，應(yīng)用Matlab得到主從電機(jī)同步轉(zhuǎn)速仿真波形。同時(shí)搭建由PLC、變頻器、異步電機(jī)、編碼器的同步測試平臺(tái)。測試數(shù)據(jù)表明，同步控制效果較好，構(gòu)建的自適應(yīng)模糊PID控制器及控制方案是可行的。

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