基于智能方法的矢量控制變頻調(diào)速系統(tǒng)仿真研究

江蘇省徐州技師學院 陳 斌

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基于智能方法的矢量控制變頻調(diào)速系統(tǒng)仿真研究

江蘇省徐州技師學院 陳 斌

【摘要】近年來，新興的人工智能技術(shù)與矢量控制相結(jié)合的智能控制方法的研究取得了長足的發(fā)展，國內(nèi)外對其研究和應用十分活躍。本文在介紹模糊控制的基礎上，設計出模糊控制器并將其與矢量控制相結(jié)合，搭建出模糊控制器構(gòu)成的矢量控制模型并進行仿真驗證系統(tǒng)的可行性。

【關(guān)鍵詞】異步電機；模糊控制；變頻調(diào)速；仿真

1　模糊控制的基本原理

模糊的基本原理是1965年 美國加利福尼亞大學控制理論專家L.A.Zadeh教授在Information&Control雜志上發(fā)表了模糊集“Fuzzy Set”一文，首次提出了模糊集合的概念。用模糊集合（Fuzzy Set）來描述模糊事物的概念，很快為科技工作者所接受。

在許多情況下，被控對象由于其過程復雜，機理有不明之處，一些檢測方法和檢測裝置無法進入被測模型，導致控制過程數(shù)學模型無法構(gòu)建。因此用常規(guī)控制理論和控制方法去實現(xiàn)對這類對象的控制難以實現(xiàn)。假如把人的操作經(jīng)驗歸納成一系列的規(guī)則，存放在計算機中，利用模糊集理論將它定量化，使控制器模仿人的操作策略，這就是模糊控制器，采用模糊控制器構(gòu)成的控制系統(tǒng)即模糊控制系統(tǒng)。

模糊控制相對于常規(guī)控制而言有以下優(yōu)點：

（1）無須建數(shù)學模型，是解決不確定性系統(tǒng)的一種有效途徑。（2）具有較強的魯棒性，可用于非線性、時變、時滯系統(tǒng)的控制。（3）控制規(guī)則能進行分層聯(lián)接，并且每條規(guī)則可以再延伸聯(lián)接一個子規(guī)則庫，這就可以組成多級控制。

2　模糊控制器設計

模糊控制器設計一般采用硬件和軟件兩種方法實現(xiàn)。在計算量較小時，模糊控制器的功能可采用軟件設計實現(xiàn)，若到計算量較大并且實時性要求較高時，其功能可以通過采用硬件設備實現(xiàn)。模糊控制器設計的內(nèi)容與步驟如下：

（1）模糊化

模糊化與反模糊化過程可看作為模糊規(guī)則與真實環(huán)境間的接口。一個實際值輸入應表示為模糊集的形式，才能進行推理計算。而模糊輸出集的信息應被轉(zhuǎn)換為一個單值，這就是模糊推理系統(tǒng)的輸出實值。模糊化就是采用一個模糊集表示實值信號的過程。

（2）模糊推理規(guī)則的建立

模糊規(guī)則表示為“if…then…”條件語句。更清楚的表示是，對多個變化條件的前提經(jīng)推理產(chǎn)生一個決策結(jié)果。在應用中，通常將采用的模糊規(guī)則用模糊控制規(guī)則表的形式表示出來。模糊規(guī)則可以通過相關(guān)領域的專家給出，也可以通過大量的試驗數(shù)據(jù)結(jié)出。無論應用哪種方法，得到的模糊規(guī)則都是近似的，因而還需要解決這些規(guī)則的協(xié)調(diào)問題。既要保證模糊規(guī)則的完備性，即對于任何模糊輸入狀態(tài)，都必須產(chǎn)生一個模糊控制器的輸出，又要保證模糊規(guī)則的相容性問題，即模糊規(guī)則之間不能得到相互矛盾的結(jié)論。解決這兩個問題，往往需要一定工程經(jīng)驗積累和試驗數(shù)據(jù)。

（3）確定權(quán)與規(guī)則信度

明確地建立模糊規(guī)則的權(quán)和知識庫中模糊規(guī)則信度之間的關(guān)系是相當重要的。例如，考慮規(guī)則置信矩陣是二位的，即對每一個輸入集，只有一個規(guī)則的信度是非零，其值為1、這個限制意味著。權(quán)值只能是有限個值（模糊輸出集的“中心”）中的一個。對每個模糊輸入隸屬函數(shù)，允許超過一個規(guī)則的可信度為有效，應用位于單位區(qū)間內(nèi)的信度.允許相應的權(quán)去估計任何位于模糊輸出集中的值。

（4）選擇合適的推理合成算法與關(guān)系生成方法

設計模糊控制器需要選擇適當?shù)年P(guān)系生成方法和推理合成算法。最常用的比較簡便的方法是Mamdanl方法，模糊推理算法與模糊規(guī)則直接相關(guān)。它的復雜性依賴于模糊規(guī)則語句中模糊集的隸屬函數(shù)的確定。選擇一些簡單的又能反映模糊推理結(jié)果的隸屬函數(shù)可以大大簡化模糊推理的計算過程。通常高斯隸屬函數(shù)、梯形隸屆函數(shù)和三角形隸屆函數(shù)是使用最多的隸屬函數(shù)。

（5）反模糊化

反模糊化就是壓縮模糊輸出集分布產(chǎn)生一個表達模糊系統(tǒng)輸出的單值，然后再經(jīng)過推理過程的輸出。

3　模糊控制器組成的矢量控制變頻調(diào)速仿真模型

Matlab軟件中具有豐富的工具箱，其中的模糊邏輯工具箱Fuzzy Logic Toolbox用于建立模糊控制器，在Matlab軟件命令窗口中輸入fuzzy，即可進入模糊控制器編輯界面，然后根據(jù)控制要求構(gòu)建一個二維的模糊控制器。模糊控制器中的e、ec、u ，分別代表輸入量誤差、誤差變化量和輸出控制量，它們都是的精確量且連續(xù)變化，所以應先將這些參數(shù)離散化。

如果［-n，n］是模糊子集的論域，［-x，x］為精確量的實際變化范圍，Ke=n/x則為誤差的量化因子，Kc=n/x為誤差變化量化因子，Ku=x/n為輸出控制量的比例因子。將e、ec、u劃分為七個模糊子集并進行量化，｛正?。≒S）、正中（PM）、正大（PB）、零（Z）、負大（NB）、負中（NM）、負小（NS）、｝分別表示語言變量，并確定其隸屬度。然后將控制規(guī)則編組表達出專家的操作經(jīng)驗，最后采用模糊推理建立模糊查詢表，這就把模糊控制器簡化為查表運算。

［-150rad/s，150 rad/s］是轉(zhuǎn)速誤差的基本論域值，［-60rad/S2，60rad/S2］是其誤差變化率的基本論域，作為輸出控制量，基本論域 ［-200N.m，200 N.m］是輸出控制量的轉(zhuǎn)矩給定值，量化論域設定為［-5，5］，因此比例因子和量化因子分別為：

模糊控制器的輸入為偏差及偏差變化，輸出為轉(zhuǎn)速估計增量。設模糊自適應信號的偏差、偏差變化的模糊變量分別為e，ec表示，輸出為u（如圖1）。

表1　模糊控制規(guī)則

圖1　兩輸入一輸出的模糊控制器結(jié)構(gòu)

模糊語言值最終是通過隸屬函數(shù)來描述的。隸屬函數(shù)的形狀越陡，分辨率就越高，控制靈敏度也較高；相反，隸屬函數(shù)的變化率越緩慢，則控制特性也較平緩，系統(tǒng)的穩(wěn)定性較好。選取各變量的隸屬度函數(shù)如圖2和圖3所示。

圖2　輸入變量e、de的隸屬度函數(shù)

圖3　輸出變量Δω的隸屬度函數(shù)

為了得到輸出信號u，首先根據(jù)模糊的磁鏈誤差e，ec，結(jié)合模糊規(guī)則以及重心法，轉(zhuǎn)換成可識別信號，乘以合適的比例因子，從而得到最后的調(diào)節(jié)信號。輸入、輸出的各個模糊子集的隸屬度函數(shù)控制規(guī)則如表1所示。

模糊控制器構(gòu)成的矢量控制仿真模型如圖4所示：

圖4　模糊控制器構(gòu)成的矢量控制變頻調(diào)速仿真模型

4　仿真結(jié)果分析

圖5　突加負載時電流、轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速曲線

圖6　突減負載時電流、轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速曲線

從圖5的結(jié)果可以看出：給定速度150rad/s，空載運行，轉(zhuǎn)速上升需要0.5s時間，1.5s時加入200N·M擾動，轉(zhuǎn)矩減小，轉(zhuǎn)速幾乎無變化，系統(tǒng)穩(wěn)定性好。從圖6的結(jié)果可以看出：給定速度150rad/s，恒轉(zhuǎn)矩200N·M運轉(zhuǎn)速上升需要1.3s時間，1.5s時突減200N·M擾動，轉(zhuǎn)速幾乎無變化，系統(tǒng)穩(wěn)定性好。

圖7　轉(zhuǎn)速減少時電流、轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速曲線

圖8　轉(zhuǎn)速增加時電流、轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速曲線

從圖7的結(jié)果可以看出：給定速度150rad/s，恒轉(zhuǎn)矩200N·M運行，轉(zhuǎn)速上升需要1.3s時間，在1.5S時電機速度由150 rad/s突減至100 rad/s，穩(wěn)定時穩(wěn)定時間為0.2s。

從圖8的結(jié)果可以看出：給定速度100rad/s，恒轉(zhuǎn)矩200N·M運行，轉(zhuǎn)速上升需要0.8s時間，在1.5S時速度由100 rad/s突加至150 rad/s，穩(wěn)定時間為0.5S，轉(zhuǎn)速提升時間，跟隨性好。

從以上仿真圖形可以看出，從空載啟動到穩(wěn)定運行的過度時間為0.5秒，表明系統(tǒng)響應速度快，而且轉(zhuǎn)速加速過程無超調(diào)量。因此在系統(tǒng)中加入模糊控制器后，系統(tǒng)在響應速度和穩(wěn)定性等方面明顯優(yōu)于由PI控制器構(gòu)成的矢量控制系統(tǒng)。

速度上升時間短，響應時間快，在加速的過程中速度無超調(diào)量，速度的跟隨性、穩(wěn)定性和動態(tài)誤差等參數(shù)明顯優(yōu)于采用PI控制器的矢量控制系統(tǒng)。在1.5s時突加200N·M負載轉(zhuǎn)矩時，轉(zhuǎn)矩從零迅速突變?yōu)轭~定負載值之后保持不變，此時轉(zhuǎn)速迅速下降，但在下降的過程中動態(tài)速降很小。由此可見，當負載改變時對系統(tǒng)的響應幾乎無影響。仿真表明，在模糊控制下矢量控制變頻調(diào)速系統(tǒng)轉(zhuǎn)速上升時間比較快，達到穩(wěn)定的時間比較短，無超調(diào)，調(diào)整時間短，對負載變化不敏感，具有較強的魯棒性，明顯優(yōu)于PI控制器，達到了比較好的效果。

5　結(jié)論

本文首先介紹了模糊控制基本理論，模糊控制系統(tǒng)的組成和求解機理，然后將模糊控制與矢量理論相結(jié)合，設計出由模糊控制器構(gòu)成的矢量控制變頻調(diào)速模型，并在MATLAB/SIMULINK中進行了仿真實驗。與由PI控制器構(gòu)成的矢量控制模型相比，模糊矢量控制模型的穩(wěn)定性，速度跟隨性，抗擾動能力比前者要更好。

參考文獻

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作者簡介：

陳斌（1980—），男，江蘇徐州人，碩士研究生，江蘇省徐州技師學院講師，研究方向：交直流調(diào)速控制。