基于模糊自適應整定PI感應電動機直接轉(zhuǎn)矩控制的研究

湯仁彪

（江陰職業(yè)技術學院電子系,江蘇 江陰 214405）

1 引言

一般直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)中的速度調(diào)節(jié)器采用傳統(tǒng)的PI控制器，在確定PI參數(shù)的過程中，由于PI參數(shù)的整定值具有一定局域性的優(yōu)化值,而不是全局性的最優(yōu)值，因此，PI控制無法從根本上解決動態(tài)品質(zhì)和穩(wěn)態(tài)精度的矛盾［1］。特別是對于高精度、高動態(tài)性能的調(diào)速，傳統(tǒng)的PI控制不能滿足其要求。相比之下，模糊參數(shù)自適應控制器利用模糊推理,實時調(diào)整PI參數(shù),可以使PI控制適應異步電動機運行過程的變化,獲得了良好的控制性能［9、10］。本文在MATLAB中用M文件建立了一種模糊推理系統(tǒng)，利用SIMULINK/PLECS對異步電動機的直接轉(zhuǎn)矩控制進行了模糊自適應PI控制的仿真研究，并且對傳統(tǒng)PI速度調(diào)節(jié)器進行比較，驗證了該模糊算法的有效性。

2 異步電動機直接轉(zhuǎn)矩控制基本原理

2.1 異步電動機數(shù)學模型

在理想假設條件下，異步電動機在α，β坐標下各方程如下［2］。

磁鏈方程：

電壓方程為：

轉(zhuǎn)矩方程：

式中：Lσ=（LsLr-M2）/M2；δsr為定子與轉(zhuǎn)子磁鏈的角度差。pn為電動機的極對數(shù)。由式（3）可知，只要能快速改變定子磁鏈矢量旋轉(zhuǎn)速度，就可以獲得快速的電磁轉(zhuǎn)矩動態(tài)響應。

2.2 異步電動機直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)框圖

異步電動機直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)框圖如圖1所示［3］。它包括速度調(diào)節(jié)器、轉(zhuǎn)矩控制、磁鏈控制等。該系統(tǒng)采用定子磁場定向，在α，β坐標系下計算和控制異步電動機的轉(zhuǎn)矩，將實際轉(zhuǎn)矩、磁鏈分別與給定值進行比較，定子磁鏈與電磁轉(zhuǎn)矩控制的兩個狀態(tài)切換分別由兩個滯環(huán)比較器實現(xiàn)，形成轉(zhuǎn)矩、磁鏈的閉環(huán)控制。

圖1 直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)框圖

3 模糊自適應PI控制器的設計

3.1 自適應模糊PI控制器結構

模糊自適應PID控制系統(tǒng)主要由參數(shù)可調(diào)整PID和模糊推理系統(tǒng)兩部分組成［5］，以誤差e和誤差變化率ec作為模糊控制器的輸入，根據(jù)PI參數(shù)Kp和Ki與E和EC之間的模糊關系，在運行中不斷地檢測e和ec，根據(jù)模糊控制原理把ΔKp、ΔKi作為輸出量，從而對這2個參數(shù)進行在線修改，以滿足不同的E和EC對PI控制參數(shù)的不同要求，從而使系統(tǒng)具有良好的動、靜態(tài)性能和抗干擾能力，其結構如圖2所示。

圖2 自適應模糊控制器結構

3.2 模糊控制器的規(guī)則庫

Fuzzy Logic Control的設計是將速度誤差e、誤差變化率ec，相應的模糊變量E、Ec的論域量變化在［-3，3］，共為7個等級，取如下7個語言變量｛PB（正大），PM（正中），PS（正?。琙（零），NS（負?。琋M（負中），NB（負大）｝［6］。 模糊控制設計的核心是總結工程設計人員的技術知識和實際操作經(jīng)驗，建立合適的模糊規(guī)則表，然后在Matlab中建立M文件，用模糊邏輯工具箱中的命令得到模糊推理系統(tǒng)［7］。此處共有49條模糊規(guī)則如下:

4 仿真結果與分析

4.1 仿真模型的建立

圖3 異步電動機的模糊自適應控制系統(tǒng)模型

圖4 模糊自適應PI控制模型

利用SIMULINK與PLECS搭建了異步電動機的模糊自適應控制系統(tǒng)，如圖3所示，其中模糊邏輯推理系統(tǒng)采用前面已建立的系統(tǒng)［8］。速度控制模塊根據(jù)模糊推理系統(tǒng)的輸出實時調(diào)整PI控制的參數(shù)，系統(tǒng)結構如圖4所示。

4.2 仿真結果

異步電動機的參數(shù)220 V，Nn=1748.3 1/min，In=49.68 A，Pn=14.72 kW，其它采用PLECS中默認的參數(shù)仿真時間設置為6s。電機轉(zhuǎn)矩負載為40N·m，在給定轉(zhuǎn)速180rad/s下起動，3s時給定轉(zhuǎn)速端突加負載20rad/s的擾動，擾動時間為0.2s。異步電動機在常規(guī)PI控制與模糊自適應PI控制下的電機轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩曲線如圖5、6所示。

從仿真曲線上分析，常規(guī)PI控制器在受到擾動后，轉(zhuǎn)速產(chǎn)生了明顯的變化，而模糊自適應PI控制器由于能實時在線修改參數(shù)Kp和Ki，轉(zhuǎn)速基本保持穩(wěn)定。

5 結束語

本文設計了一種模糊自適應PI控制器，通過模糊自適應PI控制器來自動調(diào)整Kp、Ki兩個參數(shù)，使控制器具有更好的性能。仿真結果表明，模糊自適應PI控制器與常規(guī)PI控制相比，由于采用了模糊規(guī)則推理實時修改PI整定參數(shù)，使得系統(tǒng)各項性能指標明顯優(yōu)于普通PI控制器，從而取得了滿意的系統(tǒng)動、穩(wěn)態(tài)性能。

圖5 常規(guī)PI控制電機轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩曲線

圖6 模糊自適應PI控制電機轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩曲線

［1］紀志成，薛 花，沈艷霞.異步電機調(diào)速系統(tǒng)的新型模糊控制算法［J］.電機與控制學報，2004，31（4）:28-32.

［2］周揚忠，胡育文.交流電動機直接轉(zhuǎn)矩控制［M］.北京：機械工業(yè)出版社,2009，10.

［3］李 夙.異步電動機直接轉(zhuǎn)矩控制［M］.北京:機械工業(yè)出版社,2001.

［4］魏 欣，陳大躍.基于模糊空間矢量調(diào)制的直接轉(zhuǎn)矩控制方案［J］.系統(tǒng)仿真學報，2007，19（3）：1281-1283.

［5］汪利峰,王耀南,陳正龍.基于預測模糊PI的異步電機控制［J］.電氣傳動,2009,39（2）:52-55.

［6］李友善,李 軍.模糊控制理論及其在過程控制中的應用［M］.北京:國防工業(yè)出版社,1993.

［7］劉金琨.先進PID控制［M］.電子工業(yè)出版社，2004.

［8］張國良,曾 靜,柯熙政,鄧方林.模糊控制及其MATLAB應用［M］.西安交通大學出版社,2002.

［9］劉述喜,王明渝.模糊控制在感應電動機直接轉(zhuǎn)矩控制中的應用［J］.重慶大學學報,2005,28（12）：23-26.

［10］李 輝.利用模糊控制改善直接轉(zhuǎn)矩低速性能的研究［J］.電氣傳動自動化,2006,28（1）:32-33.