考慮鐵損時(shí)異步電機(jī)模糊PI控制的調(diào)速研究

劉學(xué)飛，彭 曉，李謨發(fā)，宋運(yùn)雄

(1.湖南工業(yè)大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院，株洲 412008；2.湖南工程學(xué)院 電氣信息學(xué)院，湘潭 411101)

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考慮鐵損時(shí)異步電機(jī)模糊PI控制的調(diào)速研究

劉學(xué)飛1，彭 曉2，李謨發(fā)1，宋運(yùn)雄1

(1.湖南工業(yè)大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院，株洲 412008；2.湖南工程學(xué)院 電氣信息學(xué)院，湘潭 411101)

隨著工業(yè)的發(fā)展，控制系統(tǒng)復(fù)雜程度的不斷加大，參數(shù)隨機(jī)多變，傳統(tǒng)PI速度控制器已經(jīng)不能滿足系統(tǒng)對(duì)性能的要求，在傳統(tǒng)PI速度控制器基礎(chǔ)上，根據(jù)模糊控制理論，設(shè)計(jì)了模糊PI控制器，利用MATLAB / Simulink進(jìn)行傳統(tǒng)PI控制器和模糊PI控制器的仿真，對(duì)比仿真結(jié)果說(shuō)明模糊PI控制器具有更加好的穩(wěn)定性和魯棒性.

異步電機(jī)；鐵耗；模糊PI控制器；仿真

0 引 言

異步電機(jī)因具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉、運(yùn)行可靠以及效率高等優(yōu)點(diǎn)得到廣泛應(yīng)用，是工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中得到應(yīng)用最為廣泛的一種電機(jī)，異步電機(jī)本身是一個(gè)多變量、強(qiáng)耦合的非線性系統(tǒng)，相比直流電機(jī)轉(zhuǎn)矩控制要困難的多.異步電機(jī)現(xiàn)在常用的控制方式就是雙閉環(huán)的PI控制.PI控制得到廣泛應(yīng)用，因?yàn)樗旧斫Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，穩(wěn)定性也不錯(cuò)，但是比較依賴于控制器參數(shù)，需要對(duì)其進(jìn)行嚴(yán)格的整定，當(dāng)系統(tǒng)參數(shù)有變化時(shí)，不能跟隨參數(shù)變化而做相應(yīng)調(diào)整，因此采用PI控制器已經(jīng)不能提高控制性能.

隨著控制對(duì)象的復(fù)雜性、非線性、滯后性和耦合性的增加，人們獲得精確指示量的能力相對(duì)減少，這便產(chǎn)生了模糊控制.模糊理論給出了一套有效的方法，它可以將人類(lèi)的語(yǔ)言表達(dá)式和規(guī)則轉(zhuǎn)化為數(shù)學(xué)表達(dá)式，從而能夠使計(jì)算機(jī)識(shí)別和運(yùn)用.模糊控制是基于自然語(yǔ)句、模糊推理的計(jì)算機(jī)控制手段.它不再依賴于系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，取而代之的是自然語(yǔ)句轉(zhuǎn)化成的“模糊規(guī)則”，是一種智能控制. 本文主要是對(duì)轉(zhuǎn)速外環(huán)電流內(nèi)環(huán)的矢量控制系統(tǒng)中用到的PI控制器進(jìn)行設(shè)計(jì)，用模糊PI控制器代替?zhèn)鹘y(tǒng)的PI控制器，以求使系統(tǒng)達(dá)到更好的穩(wěn)定性和魯棒性.控制對(duì)象為考慮鐵損的的異步電機(jī)，該電機(jī)模型是自己利用MATLAB / Simulink仿真軟件搭建的考慮鐵損的電機(jī)模型.

1 考慮鐵損的異步電機(jī)轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.1 考慮鐵損的異步電機(jī)仿真模型

利用MATLAB/Simulink仿真軟件根據(jù)公式推導(dǎo)搭建考慮鐵耗的異步電機(jī)仿真模型如圖1所示.

圖 1 考慮鐵損的異步電機(jī)仿真模型

1.2 傳統(tǒng)PI控制器的轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

傳統(tǒng)PI控制器的函數(shù)表達(dá)式為：

由實(shí)測(cè)轉(zhuǎn)速值和給定值作差得到轉(zhuǎn)速誤差，經(jīng)比例環(huán)節(jié)和積分環(huán)節(jié)輸出轉(zhuǎn)矩給定值，其結(jié)構(gòu)如圖2所示.

圖2 傳統(tǒng)PI控制器的轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)控制仿真模型

圖3 傳統(tǒng)PI控制器仿真模型

1.3 模糊PI控制器的設(shè)計(jì)

PI控制器實(shí)現(xiàn)的是對(duì)系統(tǒng)的的控制，模糊控制主要是以誤差和誤差變化率作為輸入，依據(jù)模糊理論和方法對(duì)PI參數(shù)Kp、Ki進(jìn)行整定，以滿足不同誤差和誤差變化率對(duì)控制參數(shù)的要求，使控制對(duì)象得到良好的動(dòng)、靜態(tài)性能.

將模糊控制器輸入量的個(gè)數(shù)稱為模糊控制器的維數(shù)，如圖3所示，一維模糊控制器見(jiàn)圖4，輸入變量是系統(tǒng)的偏差；二維模糊控制器見(jiàn)圖5，輸入變量為系統(tǒng)偏差和其變化率；三維模糊控制器見(jiàn)圖6，輸入變量為系統(tǒng)的偏差、偏差變化率和偏差變化的變化率.

圖4 一維模糊控制器

圖5 二維模糊控制器

圖6 三維模糊控制器

當(dāng)模糊控制器的維數(shù)比較低的時(shí)候，控制較為粗糙，性能難以滿足控制的需要；維數(shù)越高，控制性能越好；維數(shù)過(guò)高時(shí)又會(huì)造成系統(tǒng)過(guò)于復(fù)雜，算法的實(shí)現(xiàn)比較困難.因此，本文選擇二維模糊控制器.

模糊PI控制器的的結(jié)構(gòu)如圖7所示.

圖7 模糊PI控制器的結(jié)構(gòu)

模糊PI控制器是通過(guò)在線推理的方法在線整定PI調(diào)節(jié)的比例系數(shù)Kp和積分系數(shù)Ki，輸入則是誤差信號(hào)e及其誤差信號(hào)的變化率ec，輸出為比例系數(shù)和積分系數(shù)的增量，以滿足不同時(shí)間段PI參數(shù)的要求，來(lái)對(duì)電機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行更好的控制.

1.4 模糊PI控制器的控制規(guī)則

參數(shù)自整定模糊PI控制器是找出比例系數(shù)、積分系數(shù)的模糊關(guān)系，并進(jìn)行不斷檢測(cè)，對(duì)輸出參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)修改，整定規(guī)則如下：

(1)誤差e較大時(shí)，Kup應(yīng)取較大值，Kui為0，從而達(dá)到提高系統(tǒng)響應(yīng)速度、避免產(chǎn)生超調(diào)以及消除誤差的目的；

(2)誤差e中等大小時(shí)，Kup應(yīng)取小一些，Kui應(yīng)取稍微大點(diǎn)的值，從而達(dá)到保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性、減小誤差、且避免產(chǎn)生超調(diào)和振蕩；

(3)誤差e比較小時(shí)，Kup應(yīng)更小些，Kui取大一點(diǎn)，從而使系統(tǒng)快速達(dá)到穩(wěn)定，并盡量消除靜態(tài)誤差；

(4)結(jié)合ec變化，e和ec沿著同方向變化時(shí)，Kup應(yīng)適當(dāng)增大，反之，則適當(dāng)減?。?/p>

(5)誤差變化率ec越小，Kup應(yīng)取較大值，Kui應(yīng)取較小值，反之，則Kup應(yīng)取較小值，Kui應(yīng)取較大值.

取e、ec、ΔKp、ΔKi模糊子集均為常用子集E={NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB}={負(fù)大，負(fù)中，負(fù)小，零，正小，正中，正大}，模糊論域均為[-6,6],得到ΔKp、ΔKi控制規(guī)則如表1、表2所示.

表1ΔKp模糊規(guī)則表

表2 ΔKi模糊規(guī)則表

1.5 模糊PI控制器比例因子的確定

模糊PI速度控制器就是通過(guò)整定使電機(jī)運(yùn)行在給定轉(zhuǎn)速，給定轉(zhuǎn)速450 r/min,傳統(tǒng)PI最佳比例因數(shù)Kp=0.15,Ki=1,誤差e變化范圍[-3,3],誤差變化率 變化范圍[-0.15,0.15], 的變化范圍[-0.02，0.02]，ΔKi變化范圍[-0.03,0.03].e、ec、ΔKp、ΔKi模糊論域?yàn)閇-6,6],得各個(gè)比例因子為：Ke=6/3=2,Kec=6/0.15=40,ΔKp=0.02/6=0.0033,ΔKi=0.03/6=0.005,對(duì)于其他給定速度，得到其特定整定比例因子.還需經(jīng)反復(fù)在線調(diào)試驗(yàn)證.

1.6 模糊PI控制器的建立

我們可以利用MATLAB模糊邏輯控制工具箱提供的GUI工具，建立我們所需要的模糊PI控制器，模糊邏輯工具箱有5個(gè)GUI工具，分別為：(1)FIS編輯器，用于編輯輸入、輸出等信息；(2)隸屬函數(shù)編輯器，定義變量的隸屬函數(shù)；(3)模糊規(guī)則編輯器，用于編輯控制規(guī)則；(4)模糊規(guī)則觀察器，用于觀察推理圖；(5)輸出曲面觀察期.

我們用Mamdani型推理系統(tǒng)，設(shè)置模糊論域，選擇模糊子集的隸屬度函數(shù)為常用對(duì)稱三角形，依照表1和表2，用If-then語(yǔ)句編寫(xiě)49條模糊控制規(guī)則，如下：

……

共49條模糊控制規(guī)則.

2 仿真分析

2.1 模糊PI控制器的仿真參數(shù)

模糊PI仿真器仿真模型如圖8所示.

圖8 模糊PI控制器仿真模型

圖1中用模糊PI控制器代替?zhèn)鹘y(tǒng)PI控制器，建立的FIS文件與matlab仿真模型連接后就可以進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)了，我們應(yīng)用一臺(tái)異步電機(jī)實(shí)測(cè)參數(shù)進(jìn)行仿真，轉(zhuǎn)速給定450 r/min,U=380 V,f=50 Hz,Rr=0.45 Ω,np=2,Rs=0.68 ，Lm=0.1468 H,Lsl=0.0042 H,J=0.05 kg* m2,Rm=46.63 Ω,負(fù)載轉(zhuǎn)矩10 N·m.

2.2 仿真結(jié)果對(duì)比

系統(tǒng)額定負(fù)載啟動(dòng)，系統(tǒng)在迷糊PI控制器自整定參數(shù)控制下，轉(zhuǎn)速曲線如圖9所示，轉(zhuǎn)矩曲線如圖10所示,虛線表示傳統(tǒng)PI控制器控制下轉(zhuǎn)速變化曲線.

圖9 轉(zhuǎn)速仿真曲線圖

圖10 轉(zhuǎn)矩仿真曲線圖

由對(duì)比圖可知，在模糊PI控制下，系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間短，控制效果更加好，超調(diào)量明顯減少，響應(yīng)速度明顯提高，克服了傳統(tǒng)PI控制器易產(chǎn)生超調(diào)，調(diào)節(jié)時(shí)間長(zhǎng)的缺點(diǎn).為效率優(yōu)化控制奠定一定的基礎(chǔ).

3 結(jié) 語(yǔ)

本文主要是考慮到異步電機(jī)雙閉環(huán)控制系統(tǒng)中傳統(tǒng)PI控制器易超調(diào)、響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)等缺點(diǎn)，用模糊PI控制器代替?zhèn)鹘y(tǒng)PI控制器，應(yīng)用到異步電機(jī)雙閉環(huán)控制系統(tǒng)中，通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果充分說(shuō)明模糊PI控制器相比于傳統(tǒng)PI控制器：響應(yīng)速度快，抗干擾能力強(qiáng)，魯棒性大大增強(qiáng)，說(shuō)明本文所構(gòu)建的模糊PI控制器在實(shí)際應(yīng)用中的可行性.

[1] Liang ZH. Study of Intelligent Control for Permanent Manget Synchornous Motor of AC Servo System[D]. Shenyang: Shenyang University of Technology ,2009.

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[5] 馮冬青,謝宋和.模糊智能控制[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,1998.

Research on Fuzzy PI Contronl of Induction Motor with Iron Loss

LIU Xue-fei1, PENG Xiao2,LI Mo-fa1,SONG Yun-xiong1

(1.College of Elect,and Information Eng.,Hunan University of Technology, Zhuzhou 412008, China；2.College of Elect.and Information,Hunan Institute of Engineering, Xiangtan 411101, China)

With the development of industry, the control system complexity continues to increase. The random variable parameters and the traditional PI controller can not meet the performance requirements of the system.Based on the traditional PI speed controller and the fuzzy control theory, the fuzzy PI controller is designed by using MATLAB/Simulink to simulate traditional PI controller and a fuzzy PI controller.The simulation results show that the fuzzy PI controller has better stability and robustness.

induction motor; iron loss; fuzzy PI controller；simulation

2014-09-05

湖南省科技計(jì)劃資金項(xiàng)目(2013GK3033)；湘潭市科技計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目(ZD20141002)；湖南省科技計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目(2013XK4013).

劉學(xué)飛(1989- ), 男，碩士研究生，研究方向：現(xiàn)代交流調(diào)速系統(tǒng).

TU225

A

1671-119X(2015)01-0001-04