基于模糊控制的電機節(jié)能控制器的研究設(shè)計

摘要：文章從電機未達到額定荷載、效率利用率低的問題出發(fā)，利用了模糊控制理論，通過導(dǎo)通角來控制晶閘管的各種情況，以降低兩端電壓，提高電機功率因數(shù)，從而達到輕載節(jié)能的目的。

關(guān)鍵詞：三相異步電機；輕載節(jié)能；模糊控制；晶閘管；電機節(jié)能控制器 文獻標(biāo)識碼：A

中圖分類號：TM343 文章編號：1009-2374（2016）06-0090-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.06.045

1 模糊控制的理論概述

1.1 PID控制簡介

PID控制器產(chǎn)生于1915年，近來控制方法花樣很多，但PID控制器一直顯得比較優(yōu)越，具有魯棒性強、結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性好、容易操作等優(yōu)點，在工業(yè)過程控制當(dāng)中用得非常多。模糊控制在工程方面大的應(yīng)用，在理論上的研究都突顯得特別快，是智能控制的，很活躍，研究和應(yīng)用在控制方面領(lǐng)域。模糊集合理論的控制是一類相當(dāng)好用的控制方法。模糊控制對工業(yè)來講價值不可估量，我們從如下的兩種情況可以分析得出：（1）模糊這種新的機制被提出來針對控制領(lǐng)域的規(guī)律。它是知識甚至是語義描述的一個敘述過程；（2）非線性的控制器，模糊控制器提出了一個相當(dāng)容易的方法，對于系統(tǒng)的不確定性用它可以很方便地解決，特別是針對被控制的裝置含有非線以及特別難用規(guī)律來衡量時，此刻模糊控制是相當(dāng)有效的。

1.2 模糊集理論基礎(chǔ)

普通的集合出現(xiàn)后，有越來越多的應(yīng)用限制，不同的模糊集合理論是論域符合概念上的元素的程度，0和1是不能絕對模糊的，而是介于0和1之間的實數(shù)。在模糊的集合論中，我們知道地位的重要程度是通過各量之間模糊的關(guān)系來決定的，這種情況是每個數(shù)值元素之間的最基本普通關(guān)系。它們是否有關(guān)系，關(guān)系到什么程度，這就要利用我們新的控制模糊了。我們在手動的控制中，被控制的對象是被執(zhí)行的量，我們可以采集這些信息數(shù)值量化，之后通過我們的頭腦進行分析，我們依靠原來的已有知識去總結(jié)和判斷，結(jié)合專家經(jīng)驗分析綜合利用，從而得到相對應(yīng)的數(shù)值量操作控制器，我們需要一個過程來進行精確的數(shù)值量到模糊量的換化，這樣我們就可以用原來有的語言化的規(guī)則、控制的經(jīng)驗，利用專家的決策知識進行。然后將這種轉(zhuǎn)化后輸入到計算機，我們的思想被模仿，去執(zhí)行一些控制操作的現(xiàn)象，讓被控制的對象得到的控制，這樣就形成了模糊的控制系統(tǒng)。

1.3 模糊控制規(guī)則的制定與推理

在很多工業(yè)控制領(lǐng)域的系統(tǒng)，很多人工控制都是在最基本的用手來控制的，但是對于我們所遇到的超精細的準確化模型來說，控制對象的模型肯定是復(fù)雜的，那么普通的控制規(guī)則很難精確實現(xiàn)這個過程的操作，但是如果操作的工作人員可以非常準確地操作這個系統(tǒng)，模糊想要的規(guī)則、控制目標(biāo)的策略、控制磁場沖擊的規(guī)則，關(guān)鍵問題的出現(xiàn)并非是容易的事，況且手動過程精確也不簡單，我們的操作員基本的想法思路不是一天能形成的，是經(jīng)過不斷學(xué)習(xí)，利用之前專家總結(jié)的積累的知識原理形成的?？刂频姆绞绞谴尜A目標(biāo)集合在技術(shù)的知識，用我們自己的話來進行控制的方式，我們提取有用的信息的方法可以是手動控制的形式，就能模糊控制制定出所想要的規(guī)則，那么系統(tǒng)的控制目標(biāo)也就可以實現(xiàn)了。核心就是我們前面提的規(guī)則，即模糊規(guī)則?，F(xiàn)在我們要考慮的關(guān)鍵問題是如何建好它。

2 電機軟啟動和基于模糊控制的節(jié)能控制算法的設(shè)計

2.1 電機的軟啟動

我們知道電機運行時的啟動問題，開始時電流會上升很快，電壓的快速降低肯定會對定子的產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)的磁場沖擊很大，實際上電機經(jīng)歷強烈的電流，那么對于轉(zhuǎn)子而言危害相當(dāng)大。從上可以看出這種情形對電機的使用時間壽命來說影響巨大。因而對于電機的降壓節(jié)能來說，很自然地想到軟啟動的問題。

2.2 電機軟啟動實用算法

談到軟啟動，我們在設(shè)計論文是也考慮到這方面，以恒電流為主導(dǎo)思路，研究了相當(dāng)簡單的方法，下面分別來介紹：（1）已知設(shè)定的數(shù)值，通過慢慢增大它的導(dǎo)通角來計算；（2）通過儀器不斷檢測反饋電流，多次檢測的值與給定值相比較。定子端電流與設(shè)定的大于給定的數(shù)值，會停止增加角度，之后如果檢測到不過流，針對這種現(xiàn)象再次定量地漸漸增大電流的角度，這樣就可以實現(xiàn)恒電流的電機軟啟動。

2.3 模糊控制算法設(shè)計之于三相異步電機

要通過實際的硬件操作來制定模糊規(guī)則的確定和模糊推理的實現(xiàn)。對于節(jié)能來講，它是非線性的提法。電機的節(jié)能控制用傳統(tǒng)控制方法不能做到這點。首先要建立采樣模糊控制方法和系統(tǒng)的非線性數(shù)學(xué)模型，然后根據(jù)設(shè)定值的誤差控制、理論輸入變量和電機特點來設(shè)計，一個理想的控制模型要達到我們的控制要求，要能夠做到節(jié)能，除非能夠避免各種意外的情況，排除掉各種非線性的影響。我們把電動勢和電動勢的誤差變化的情況作為輸出量，導(dǎo)通的角度及功率因數(shù)的數(shù)值作為另外的輸入，設(shè)計二維的模糊異步電機因子的積分器。根據(jù)我們的觀察和測量，降低電壓運行的自由度因子，用積分函數(shù)來做數(shù)值量的輸入輸出變量，那么規(guī)則表就很好制定了，可以根據(jù)它的變化率來做。模糊隸屬度規(guī)則因子的測量選取直接決定了積分選取的誤差變化控制性能，那么我們所涉及的控制模糊系統(tǒng)的好壞與隸屬度函數(shù)因子的積分的選取有關(guān)，自由度比

較大。

3 節(jié)能控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計

3.1 系統(tǒng)總體的設(shè)計方案

顯示電路和過流問題，它們的過零點測量的三個相電壓與相電流的關(guān)系，計算出模糊控制器的異步電機，處理它們的功率因數(shù)角，我們所做的是節(jié)約能量，方法是降低電壓來進行，這樣可以減小開始的電流。關(guān)鍵問題是怎么才能做到這樣，如何控制導(dǎo)通的角度，我們采用了脈沖控制雙向晶閘管，這樣就可以達到要求了。這樣涉及的電路有主要的控制電路、電流電壓的采樣電路、功率因數(shù)角的檢測電路及觸發(fā)電路、雙向晶閘管電路及控制器供電電路等，再加上LED顯示電路和過流保護電路等。

3.2 硬件設(shè)計

3.2.1 主控制芯片和晶閘管模塊的選型。不管是系統(tǒng)還是設(shè)計，我們都會想到價值價格與效率問題，通過新型的保護電路外圍采樣、更高級的增強型的芯片、較長的壽命的存儲器，兼容性能非常強大。程序存儲器為8個字節(jié)的，數(shù)據(jù)觸發(fā)電路的存儲器為1024個字節(jié)的；數(shù)據(jù)的芯片存儲器為256個雙字節(jié)的；中斷的產(chǎn)生我們是通過設(shè)定的14個中斷源來做的，8條支路的10位的模擬量到數(shù)據(jù)量的轉(zhuǎn)換；運行觸發(fā)電路的速度相當(dāng)很快，時鐘芯片脈沖的輸入，這些性能可以很好地滿足我們的系統(tǒng)設(shè)定要求。電源的芯片采用直流電5伏來提供供電，而直流12伏的電源主要供給外部的。然后采樣和觸發(fā)電路需要再經(jīng)過7805芯片的高速處理，從而可以很好地保證正常供電了。

3.2.2 電壓過零檢測、電流過零檢測以及過流保護電路。在半個周期內(nèi)檢測電路中的電流是否合格、是否滿足額定值，是通過檢查電機的電壓、觸發(fā)的角度、過零點的檢測等的分析來做到的。過零點的檢測電路，首先要去檢查交流220V電壓時過零點產(chǎn)生的程序中斷；異步定時長度的預(yù)定啟動改變可以分斷處理子程序中，在程序中采用的定時功能是用定時器實現(xiàn)的，打開后產(chǎn)生中央處理器觸發(fā)脈沖。

3.2.3 缺相保護和相序檢測。在缺相的判斷中，要想控制晶閘管的導(dǎo)通的順序，只有通過相序的不同，正確的脈沖電流才能進行控制。當(dāng)通過測量得到電壓，需要檢測當(dāng)通過零點時的信號量，還需要檢測流過的每一個相序，從而測得它們的電流數(shù)值量，這樣并不用再加什么附加的電路了。鼠籠型電動機的種類很多，用什么樣的鏈接方式，在斷相時首先要分析判斷清楚是什么性質(zhì)。

3.2.4 觸發(fā)電路。觸發(fā)電路中門極是否能夠可靠觸發(fā)，我們設(shè)計的節(jié)能控制器能否正常順利地運作，角度的導(dǎo)通是通過電路來控制的，必須要求電路具有超高的準確程度和穩(wěn)定性。為了保證電路可靠工作，需要滿足它的晶閘管的控制方式，可以通過測量電壓電流值通過觸發(fā)脈沖，這樣參數(shù)就會正確。此時，導(dǎo)通時間還受到上述因素的影響。我們在系統(tǒng)中進行了放大電路的設(shè)計，這都是需要進行準確的控制設(shè)計的。為了實現(xiàn)脈沖寬度的觸發(fā)，利用了控制放大電路，它是三極管觸發(fā)的控制電路。

3.2.5 系統(tǒng)的硬件抗干擾技術(shù)。電機的工作環(huán)境多種多樣，復(fù)雜惡劣程度不等。作為設(shè)計來講，應(yīng)考慮到多個方面。安全的運行、準確和可靠的工作是我們關(guān)注的非常突出的問題，設(shè)計制作過程中還應(yīng)盡可能避免來自系統(tǒng)內(nèi)外部的各種電氣干擾，系統(tǒng)可靠、安全運行的主要因素是由系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計安裝和外部環(huán)境條件等來決定的，應(yīng)采取相應(yīng)的方式來保證它的運行工作。

4 結(jié)語

模糊控制應(yīng)用到了一種異步電機節(jié)能控制器。采用模糊控制的方法來反饋功率的因數(shù)，這樣就可以達到我們的目的，即節(jié)約能源。本系統(tǒng)的設(shè)計里采用了比較常用的模糊控制方式，既節(jié)約了能源，又保持了電機的穩(wěn)定運行。當(dāng)然我們只是解決了小部分的問題，在生產(chǎn)的實踐中我們還會遇到許多問題，如電機的節(jié)能問題雖然做到了，但是它運行中的反應(yīng)速度比較慢，兩個方面是不能同時滿足要求的，它的工作就有了局限性，種種細節(jié)問題在實際的運行中還會常常碰到，這就需要我們努力去研究，以做到更好。

參考文獻

[1] 段向軍.異步電動機輕載節(jié)能控制系統(tǒng)開發(fā)[J].制造技術(shù)與機床，2011，（1）.

[2] 陳運軍.異步電機軟啟動控制器的研究與設(shè)計[J].工業(yè)儀表與自動化裝置，2012，（2）.

[3] 齊鵬逸，王維民，李燕，李啟行.透平機械穩(wěn)定性控制方法研究[J].機械與電子，2013，（9）.

[4] 許樂.直線型二級倒立擺系統(tǒng)的穩(wěn)定控制研究[D].長安大學(xué)，2013.

作者簡介：楊榮秀，女，山東濟寧人，濟寧市技師學(xué)院助理講師，研究方向：自動化。

（責(zé)任編輯：黃銀芳）