李 嵐 欒曉偉

（太原理工大學(xué)電氣與動力工程學(xué)院，太原 030024）

1 引言

變速恒頻發(fā)電就是在繞線異步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子側(cè)施加三相低頻交流電以實(shí)現(xiàn)交流勵磁，通過控制勵磁電流的幅值、頻率、相位能夠?qū)崿F(xiàn)輸出電能的恒頻恒壓。傳統(tǒng)的控制方法要求對被控對象建立精確的數(shù)學(xué)模型，而且過于依靠準(zhǔn)確的系統(tǒng)參數(shù)，穩(wěn)定性方面有所欠缺。模糊控制的特點(diǎn)是以自然語言的形式對控制對象傳達(dá)控制信息，無須精確的數(shù)學(xué)模型，且使自然語言能夠轉(zhuǎn)化為計(jì)算機(jī)所能接受的算法語言，優(yōu)秀的實(shí)踐操作經(jīng)驗(yàn)和專家意見被引進(jìn)到了控制系統(tǒng)之中，達(dá)到控制目的[1-2]。

本文根據(jù)雙饋發(fā)電系統(tǒng)矢量控制的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了轉(zhuǎn)速閉環(huán)二維模糊控制器，經(jīng)過模糊推理計(jì)算及清晰化處理，得出轉(zhuǎn)子有功電流分量。基于TMS320LF2812的雙饋發(fā)電機(jī)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺，進(jìn)行了轉(zhuǎn)速環(huán)模糊控制試驗(yàn)，驗(yàn)證了轉(zhuǎn)速閉環(huán)模糊控制器設(shè)計(jì)的正確性，實(shí)現(xiàn)了雙饋發(fā)電機(jī)的變速恒頻控制。

2 雙饋發(fā)電系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型

m-t坐標(biāo)系下，定子側(cè)基于發(fā)電機(jī)慣例，轉(zhuǎn)子側(cè)基于電動機(jī)慣例。

采用定子磁場定向矢量控制, 將定子磁鏈?zhǔn)噶?ψ方向作為m軸的正方向。根據(jù)文獻(xiàn)[3]中的公式推導(dǎo)，可得雙饋發(fā)電機(jī)矢量控制基本方程

由式（8）可知，sP、sQ與定子電流t、m軸分量tsi﹑msi成正比,調(diào)節(jié)tsi﹑msi即可獨(dú)立地調(diào)節(jié)sP、sQ。

表1 語言變量e、ec、u的賦值表

3 模糊控制器設(shè)計(jì)

模糊控制器在常規(guī)控制器基礎(chǔ)上，應(yīng)用模糊集合理論,由模糊控制器輸出最終控制結(jié)果，來保證電機(jī)在不同的運(yùn)行狀態(tài)下都能具有良好的動、靜態(tài)性能[4]。

典型的模糊控制器組成如圖1所示。

圖1 模糊控制器系統(tǒng)方框圖

3.1 論域及語言變量值

選取偏差E、偏差變化量EC、控制量U的模糊集均為{NB，NM，NS，ZE，PS，PM，PB}，其中，NB、NM、NS、ZE、PS、PM、PB分別為負(fù)大、負(fù)中、負(fù)小、零、正小、正中、正大。

本系統(tǒng)中選隸屬度為正態(tài)分布函數(shù)，并據(jù)此建立語言變量E、EC、U的賦值表如表1所示。

3.2 模糊控制規(guī)則

對于采用二維模糊控制器的模糊推理控制系統(tǒng)，其控制規(guī)則一般采用“IF andecTHENu”來描述，控制狀態(tài)如表2所示。

表2 模糊控制狀態(tài)表

3.3 清晰化

模糊推理得到的是一個模糊集合，它反映了控制語言的不同取值。但是，對于實(shí)際系統(tǒng)來說，被控對象只能接受一個確定的控制量，因此，必須將控制量變換為實(shí)際用于控制的清晰量0u。本文采用加權(quán)平均法進(jìn)行清晰化計(jì)算，計(jì)算公式為

經(jīng)計(jì)算可以得到模糊控制器控制量值的查詢表，如表3所示。

表3 模糊控制器控制量值查詢表

求得清晰量u0后，還需根據(jù)實(shí)驗(yàn)操作經(jīng)驗(yàn)，經(jīng)尺度變換，乘以系數(shù)0.66666，變?yōu)閷?shí)際的控制量u'，這就是模糊控制器的最終輸出值，即轉(zhuǎn)子電流的有功分量itr*，通過u'的調(diào)整控制作用，使偏差e盡量小。

4 模糊控制器軟件設(shè)計(jì)

完成上述準(zhǔn)備工作后，基于 TMS320LF2812的雙饋發(fā)電機(jī)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺上，編寫模糊控制器的程序，設(shè)計(jì)模糊控制器，系統(tǒng)試驗(yàn)平臺如圖 2所示。其程序流程圖如圖3所示。

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

基于上述軟、硬件，保證無功功率給定不變，在不同給定轉(zhuǎn)速下，進(jìn)行了雙饋發(fā)電勵磁模糊控制實(shí)驗(yàn)，測得模糊控制器輸出量itr*及轉(zhuǎn)子側(cè)的電壓。表4給出了給定轉(zhuǎn)速n?= 1385r/min 時模糊控制器輸出量itr*、轉(zhuǎn)子側(cè)的電壓分量及SVPWM電壓旋轉(zhuǎn)矢量幅值的關(guān)系。

圖2 實(shí)驗(yàn)平臺結(jié)構(gòu)簡圖

表4 模糊控制器輸出值與轉(zhuǎn)子電壓對照表

圖3 系統(tǒng)程序流程方框圖

根據(jù)公式（8）可得，當(dāng)無功功率給定保持不變時，定子電流的m軸分量ims保持不變，再根據(jù)公式（4）可知，此時轉(zhuǎn)子電流的m軸分量imr保持不變。在這種情況下，保持電機(jī)轉(zhuǎn)速n不變，即保持轉(zhuǎn)差角速度ωs不變，根據(jù)公式（6）、（7）可知，轉(zhuǎn)子側(cè)的電壓分量只與模糊控制器的輸出量itr*有關(guān)，即SVPWM電壓旋轉(zhuǎn)矢量幅值只與模糊控制器的輸出量itr*有關(guān)。經(jīng)過模糊控制器后，不同轉(zhuǎn)速下轉(zhuǎn)子側(cè)線電壓實(shí)測波形如圖4所示。當(dāng)轉(zhuǎn)速發(fā)生變化時，雙饋發(fā)電機(jī)定、轉(zhuǎn)子電流變化波形如圖5所示。

由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出：

（1）轉(zhuǎn)差角速度ωs不變，轉(zhuǎn)子側(cè)SVPWM電壓旋轉(zhuǎn)矢量幅值與轉(zhuǎn)子側(cè)電壓分量隨著模糊控制器輸出量的變化而變化，可見，模糊控制器通過調(diào)節(jié)器輸出量itr*，達(dá)到了控制轉(zhuǎn)子側(cè)電壓的目的，即模糊控制器的作用符合公式的理論推導(dǎo)，在系統(tǒng)調(diào)節(jié)中起到了作用。

圖4 不同轉(zhuǎn)速下轉(zhuǎn)子側(cè)線電壓波形

圖5 不同轉(zhuǎn)速下定﹑轉(zhuǎn)子電流波形

（2）給定轉(zhuǎn)速變化時，模糊控制器輸出電流分量及轉(zhuǎn)子側(cè)的電壓都會相應(yīng)變化，從而使轉(zhuǎn)子側(cè)電流頻率改變，保證了定子輸出電流頻率的恒定。

6 結(jié)論

模糊控制是一種非線性控制方式，具有較強(qiáng)的魯棒性，特別適用于控制方式復(fù)雜、實(shí)際控制系統(tǒng)所在自然環(huán)境不易把握、系統(tǒng)穩(wěn)定性要求高而數(shù)學(xué)模型卻非線性、多耦合的生產(chǎn)過程。本文在分析了雙饋發(fā)電機(jī)變速恒頻交流勵磁系統(tǒng)原理的基礎(chǔ)上，基于其控制平臺，設(shè)計(jì)了轉(zhuǎn)速閉環(huán)的模糊控制器，并通過實(shí)驗(yàn)，證明了此控制器完全滿足雙饋發(fā)電機(jī)變速恒頻運(yùn)行的控制要求，為雙饋發(fā)電系統(tǒng)模糊控制的進(jìn)一步研究奠定了基礎(chǔ)。

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