交-交變頻器自適應控制系統(tǒng)的設計及仿真

魯西坤，鞏銀苗，杜慶楠

（1.安陽工學院 電子信息與電氣工程學院，河南 安陽 455000；2.河南理工大學 電氣工程與自動化學院，河南 焦作 454000）

1 變頻器概述

變頻調(diào)速技術(shù)結(jié)合電機控制理論，根據(jù)調(diào)速系統(tǒng)的高性能要求，對電能進行控制。變頻調(diào)速系統(tǒng)可以分為功率變換和信息處理兩部分。電機的先進控制技術(shù)的演化、新型功率元器件拓撲結(jié)構(gòu)的發(fā)展以及智能控制技術(shù)的引入，在很大程度上推動了變頻調(diào)速技術(shù)的飛速發(fā)展[1-3]，同時也決定了變頻調(diào)速技術(shù)會向著基于先進控制理論的高水平控制策略，主電路拓撲結(jié)構(gòu)向多元化、系統(tǒng)高速處理的數(shù)字化、綠色變頻等方向發(fā)展。近幾年，隨著自適應調(diào)速理論的發(fā)展和完善，該控制方式在交-交變頻方向的應用也逐漸展開。

自適應控制是指系統(tǒng)能夠根據(jù)設定的參數(shù)的變化，作出最佳的調(diào)整策略，來提高系統(tǒng)的控制精度，降低系統(tǒng)的反應時間，從而達到對系統(tǒng)的最佳控制。比例積分微分（Proportion Integration Differentiation，PID）算法是自適應控制中一種比較好的控制算法，但是由于普通的PID控制算法的參數(shù)是一組固定的數(shù)值，雖然能夠?qū)崿F(xiàn)對變量的控制，但是在控制精度和靈敏度上，不能很好地適應系統(tǒng)的變化[4-5]。為了實現(xiàn)對系統(tǒng)的自適應控制，本文在交-交變頻調(diào)速系統(tǒng)內(nèi)，引入了專家PID控制算法，建立了專家知識庫，并建立了基于矩陣實驗室（Matrix Laboratory，Matlab）的仿真模型，利用專家控制策略，實行在線自動修正PID參數(shù)以及改變控制策略，使系統(tǒng)適應在不同工作狀態(tài)下的特性，從而實現(xiàn)交-交變頻的自適應控制。

2 專家PID控制算法

2.1 專家PID的構(gòu)成及具體實現(xiàn)

專家控制系統(tǒng)是基于知識或經(jīng)驗的控制系統(tǒng)，主要處理定性的、啟發(fā)或不確定的問題，根據(jù)專家知識庫，通過邏輯推理最終實現(xiàn)對系統(tǒng)的控制。專家PID結(jié)構(gòu)原理如圖1所示，專家控制部分主要包括：專家知識庫和邏輯推理，原理圖中的各個模塊都是由交-交變頻器的主控芯片來完成的，CPU根據(jù)轉(zhuǎn)差頻率、電網(wǎng)當前電壓、系統(tǒng)當前狀態(tài)來調(diào)整具體的PID參數(shù)，并按照PID參數(shù)進行運算，計算出下一時刻系統(tǒng)應該的輸出頻率和電壓值，從而達到調(diào)速效果，其具體實現(xiàn)的程序流程如圖2所示。

圖1 專家PID控制原理

圖2 專家PID程序流程

2.2 專家知識庫的建立

專家控制性能的好壞取決于知識庫的完整性和正確性，知識庫的獲取有多種途徑[6]，一是可以從控制領域?qū)＜夷抢铽@取調(diào)試規(guī)則，另外一種方法是通過系統(tǒng)仿真的方法間接獲取[7-9]。具體內(nèi)容如下。

（1）想要使系統(tǒng)的調(diào)速效果滿足系統(tǒng)在不同分頻不同負載情況下，不同的性能要求，所設置的PID控制器的比例、積分以及微分系數(shù)就應該選擇不同的參數(shù)值。在各個分頻下均選取一組能夠使系統(tǒng)運行良好的PID參數(shù)，如表1所示。

表1 不同分頻下的PID參數(shù)

（2）為了在調(diào)速的過程中，方便系統(tǒng)對輸出電壓的靈活控制，滿足調(diào)速系統(tǒng)要求，特將不同速度給定的情況按區(qū)域劃分，去調(diào)節(jié)系統(tǒng)的輸出，具體的劃分情況如表2所示。

表2 給定速度的區(qū)域劃分

2.3 專家PID控制規(guī)則

專家PID控制算法最主要的一點就是系統(tǒng)能夠根據(jù)建立的專家知識庫[10]，結(jié)合系統(tǒng)運行的具體狀態(tài)，去判斷選擇合適的PID參數(shù)，調(diào)整PID對變量的限幅值以及改變PID控制器的結(jié)構(gòu)，從而達到調(diào)速的目的。其中專家PID的控制規(guī)則如下。

（1）PID的上、下限幅值的調(diào)整規(guī)則。在對系統(tǒng)進行編程設定時，根據(jù)具體的參數(shù)情況，可以將系統(tǒng)的不同運行狀態(tài)進行區(qū)域劃分，并在不同的區(qū)域分別設定控制量的上限值和下限值。系統(tǒng)運行時，可以根據(jù)電機的運行狀態(tài)，判斷當前處于哪一個區(qū)域，系統(tǒng)根據(jù)對控制量的調(diào)節(jié)運算，決定具體的下一時刻的控制量的輸出。當PID運算的控制量的輸出值大于設定的上限值時，系統(tǒng)將強制把設定的上限值賦值給控制量，而當PID運算的控制量的應該輸出的值小于該區(qū)域設定的下限值時，系統(tǒng)會強制將控制變量的輸出幅值限定為下限值。

（2）KP，KI，KD的調(diào)整規(guī)則。PID控制器的主要參數(shù)變量為KP，KI和KD，根據(jù)列入的專家知識庫，在系統(tǒng)運行時會根據(jù)具體的區(qū)域，選擇專家知識庫中的對應的PID參數(shù)，以滿足系統(tǒng)對調(diào)節(jié)性能的需求。

（3）PID控制規(guī)則。通過改變PID控制器的各項參數(shù)，可以實現(xiàn)改變交-交變頻調(diào)速系統(tǒng)的性能。增加控制器的比例系數(shù)可以減少系統(tǒng)的響應時間，減小系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差；減小控制器的微分系數(shù)可以減小系統(tǒng)的超調(diào)量[49]；增大控制器的積分系數(shù)同樣可以減小系統(tǒng)超調(diào)量，加快響應速度。過分調(diào)節(jié)某一個參數(shù)又會使系統(tǒng)其他方面的性能減弱。

圖3 交-交變頻自適應控制系統(tǒng)仿真模型

3 仿真模型的建立

結(jié)合Matlab中Simulink環(huán)境下的電氣結(jié)構(gòu)特點，以及交-交變頻器的主電路結(jié)構(gòu)特點，文章建立了交-交變頻器自適應控制系統(tǒng)的仿真模型，為了使系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)更加簡潔明了，將相同功能的模塊進行了封裝，使其成為具有某一特定功能的子模塊，如圖3所示。由圖可知該系統(tǒng)主要由電源模塊，觸發(fā)S函數(shù)模塊，電機模塊，脈沖觸發(fā)及晶閘管模塊，小電流檢測模塊和其他一些檢測模塊、電機負載模塊、速度給定S函數(shù)模塊和自適應控制S函數(shù)模塊等構(gòu)成[11]。

4 仿真結(jié)果及分析

本設計在建立的交-交變頻自適應控制系統(tǒng)仿真模型中，加入專家PID控制算法，將專家PID控制規(guī)則寫入到專家PID知識庫之中，并結(jié)合交-交變頻器實時在線的控制算法，對仿真模型進行仿真探索，并對仿真結(jié)果進行分析。

為了驗證交-交變頻器中加入專家PID控制算法后的效果，文章對仿真模型進行分頻仿真研究，并對比加入專家PID控制算法前后的仿真效果，其對比效果如圖4所示。在系統(tǒng)仿真的時候設定系統(tǒng)的負載轉(zhuǎn)矩為1N·m，轉(zhuǎn)速給定設置為650 r/min的仿真效果圖，設定系統(tǒng)的靜態(tài)誤差為2 r/min。

圖4 給定450r/min交-交變頻啟動效果

對比圖4中的（a）和（b）可以看出：在加入專家PID控制前，系統(tǒng)從開始啟動，到系統(tǒng)最終穩(wěn)定下來，總共用時0.8 s，并且在啟動的過程中，系統(tǒng)出現(xiàn)了較大的振蕩，超調(diào)量較大，其超調(diào)量為4.1%；加入專家PID控制后，系統(tǒng)總共用時0.6 s便穩(wěn)定了下來，且系統(tǒng)在啟動的過程中，沒有出現(xiàn)大的振蕩，超調(diào)量較小，該情況下系統(tǒng)的超調(diào)量為1.7%，由于設定了系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差值，故系統(tǒng)穩(wěn)定后的穩(wěn)態(tài)誤差較小，幾乎無變化。

結(jié)合以上分析結(jié)果可以得出：在交-交變頻調(diào)速系統(tǒng)中加入自適應策略后，尤其是在加入專家PID控制算法后，可以明顯地降低系統(tǒng)的響應時間，減少系統(tǒng)啟動過程中出現(xiàn)的震動，降低系統(tǒng)的超調(diào)量，增加了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

5 結(jié)語

本文根據(jù)對交-交變頻器調(diào)速原理的分析，在系統(tǒng)中加入了自適應控制策略，引入了專家PID控制算法，在Matlab/Simulink環(huán)境中搭建了交-交變頻器自適應控制系統(tǒng)的仿真模型，并對該系統(tǒng)進行了簡要的介紹。通過仿真對比分析了在加入專家PID控制算法前后系統(tǒng)的各項性能的狀況；整體上由于在自適應控制策略中加入了專家PID算法，使得系統(tǒng)在調(diào)速的過程中，尤其是在啟動過程中（論文中分析的是啟動過程，其實對負載轉(zhuǎn)矩突變，轉(zhuǎn)速給定突變等情況同樣適用）適應性增強，同時也提高了系統(tǒng)的響應速度，提高了系統(tǒng)的控制精度，降低了系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差，使得系統(tǒng)能夠完全適應外界因素的變化。仿真結(jié)果證明在交-交變頻器中加入自適應控制策略可以明顯提高系統(tǒng)的響應速度，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，降低系統(tǒng)的超調(diào)量，有利于實現(xiàn)工業(yè)控制中對各種工況的需求，可以大面積地推廣使用。

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