苗建林, 王玉華
(長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院,吉林長(zhǎng)春 130012)
矢量控制系統(tǒng)的誕生[1],使感應(yīng)電機(jī)可以像直流電機(jī)那樣在控制精度要求較高的工業(yè)場(chǎng)合中使用,矢量控制是在準(zhǔn)則為產(chǎn)生同樣的旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)的情況下,通過(guò)定子交流電流三相/兩相變換在三相坐標(biāo)系上,使之等效為兩相靜止坐標(biāo)系上的交流電,然后再同步旋轉(zhuǎn),則可等效為直流電流。近年來(lái),為了進(jìn)一步提高矢量控制系統(tǒng)的控制效果,許多研究者進(jìn)行了大量的研究,如模糊控制的矢量控制系統(tǒng):通常的模糊控制是不需要建立精確數(shù)學(xué)模型的[2-3],而是基于規(guī)則的控制。在采用模糊控制的情況下,雖然可以獲得很好的動(dòng)態(tài)特性,但是系統(tǒng)的靜態(tài)誤差卻難以消除;傳統(tǒng)的PID控制器一般是調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)的偏差,目的是使被控對(duì)象的實(shí)際值與預(yù)定值達(dá)到一致,但是存在的問(wèn)題就是待PID參數(shù)整定后,在剩下的控制過(guò)程中就不能再改變,很難使系統(tǒng)達(dá)到最佳的控制效果[4]。
通過(guò)以上對(duì)比,普通的模糊控制器和傳統(tǒng)的PID控制器雖然都有各自的控制優(yōu)點(diǎn),但是都不能使控制系統(tǒng)達(dá)到最佳的控制效果。針對(duì)這兩種控制器的特點(diǎn),文中提出了基于模糊PID控制器(Fuzzy-PID)的交流異步電動(dòng)機(jī)矢量控制系統(tǒng),通過(guò)對(duì)Fuzzy-PID和傳統(tǒng)的PID控制系統(tǒng)進(jìn)行Matlab/Simulink仿真實(shí)驗(yàn)及試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比,可以看到Fuzzy-PID具有更好的控制性能。
交流異步電動(dòng)機(jī)是一個(gè)復(fù)雜的高階時(shí)變系統(tǒng),它具有多變量、強(qiáng)耦合、非線性等特點(diǎn)。矢量控制采用的基本方法是三相/兩相變換,在這個(gè)過(guò)程中,直角坐標(biāo)系的三相坐標(biāo)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換成復(fù)平面的兩相坐標(biāo)系統(tǒng),用d-q坐標(biāo)系表示,所以,可以推導(dǎo)出矢量控制系統(tǒng)的磁通模型和坐標(biāo)變換關(guān)系[5]:
式中:Tr——轉(zhuǎn)子時(shí)間常數(shù);
imr——轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電流;
id,iq——兩相坐標(biāo)系下定子電流d軸和q軸分量;
θ——三相/兩相坐標(biāo)變換下d軸與a軸夾角;
ia,ib,ic——定子三相電流;
ωr——轉(zhuǎn)子角速度;
ωmr——轉(zhuǎn)子磁鏈角速度。
用轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向坐標(biāo)軸系下的定子電流給定參考量和取代磁通模型中的實(shí)際電流id和iq,另外假設(shè)控制系統(tǒng)不需要弱磁控制,在這種情況下,可認(rèn)為轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電流是恒定的,可以去掉式(1)中的微分項(xiàng),就構(gòu)造出一個(gè)間接型的矢量控制系統(tǒng)。其系統(tǒng)框圖如圖1所示。
圖1 Fuzzy-PID矢量控制系統(tǒng)原理
從Fuzzy-PID的矢量控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖可以看出,在模仿直流電機(jī)的過(guò)程中,磁鏈調(diào)節(jié)器和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器分別控制Ψr和ω,為了使兩個(gè)子系統(tǒng)完全解耦,除了坐標(biāo)變換外,另外多了Fuzzy-PID控制器,以此來(lái)盡量抵消轉(zhuǎn)子磁鏈Ψr對(duì)電磁轉(zhuǎn)矩的影響,該圖中主要是把轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出信號(hào)除以Ψr,使控制器的坐標(biāo)反變換與電機(jī)中的坐標(biāo)變換對(duì)消,且此時(shí)變頻器的滯后作用可以忽略,這時(shí),兩個(gè)系統(tǒng)在Fuzzy-PID的調(diào)解下,可以看成兩個(gè)完全獨(dú)立的子系統(tǒng)[6]。
模糊PID控制器是以模糊規(guī)則實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)PID參數(shù)的一種自適應(yīng)控制系統(tǒng)。模糊規(guī)則給出的是在不同實(shí)時(shí)狀態(tài)下對(duì)PID參數(shù)的推理結(jié)果。模糊PID控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖2所示。
圖2 Fuzzy-PID控制器控制系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)
以誤差e和誤差變化率ec作為此處設(shè)計(jì)的Fuzzy-PID的輸入,通過(guò)利用模糊控制規(guī)則對(duì)PID參數(shù)不斷地修正,來(lái)滿足不同時(shí)刻e和ec對(duì)PID參數(shù)整定的要求,這樣就構(gòu)成了Fuzzy-PID控制器。模糊PID整定PID控制器的公式為:
式中:γp,γi,γd——校正速度。
該公式表明,控制器的下一步參數(shù)可以用當(dāng)前的控制器參數(shù)和模糊推理出的參數(shù)增量的加權(quán)和構(gòu)成,其公式為:
其中:
以模糊控制器的輸出Kp,Ki,Kd作為傳統(tǒng)PID控制器的比例、積分、微分的參數(shù)的修正值輸入量,Kp,Ki,Kd的模糊子集定義為{NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB},將它們的論域映射到[-3,3]上。e,ec和Kp,Ki,Kd的隸屬函數(shù)曲線如圖3所示。
圖3 隸屬函數(shù)及其模糊規(guī)則編輯器
在模糊PID控制器的設(shè)計(jì)中,其核心是模糊控制規(guī)則,模糊控制規(guī)則直接決定著該控制器的控制效果。為了獲得良好的控制結(jié)果,可以使參數(shù)Kp,Ki,Kd和e,ec的關(guān)系如下:
1)|e|較大時(shí),Kp應(yīng)該較大,而Ki,Kd應(yīng)較小,這樣可以加快系統(tǒng)響應(yīng)速度,并避免出現(xiàn)過(guò)大的超調(diào);
2)|e|中等時(shí),Kp應(yīng)較小,則超調(diào)較小,Ki,Kd取合適的值即可,這時(shí)注意Kd,它對(duì)系統(tǒng)的影響較大;
3)|e|較小時(shí),Kp,Ki應(yīng)該較大,使系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)態(tài)性能,同時(shí)Kd應(yīng)該適當(dāng),避免在平衡點(diǎn)出現(xiàn)震蕩。
根據(jù)已有的經(jīng)驗(yàn)和分析得出Kp,Ki,Kd模糊控制規(guī)則,分別見表1~表3。
表1 Kp的控制規(guī)則表
表2 Ki的控制規(guī)則表
表3 Kd的控制規(guī)則表
根據(jù)上述設(shè)計(jì),建立模糊控制、傳統(tǒng)PID、模糊PID的仿真模型如圖4所示。
圖4 控制器仿真模型
其中,模糊PID的仿真圖為圖(a)和圖(b)分別封裝后組成的。
在這次的仿真試驗(yàn)中,選用電機(jī)的參數(shù)為:
PN=4kW
UN=380V
fN=50Hz
nN=1 450r/min
定子電阻:
Rs=0.435Ω
定子電感:
Ls=0.071H
轉(zhuǎn)子電阻:
Rr=0.816Ω
轉(zhuǎn)子電感:
Lr=0.071H
互感:
Lm=0.069H
轉(zhuǎn)動(dòng)慣量:
J=0.19kg·m2
0.5s突加的負(fù)載為:
TL=30N·m
其轉(zhuǎn)速響應(yīng)曲線如圖5所示。
針對(duì)異步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)而設(shè)計(jì)的模糊PID控制器,綜合模糊控制器和傳統(tǒng)PID控制器的優(yōu)點(diǎn),不但克服被控對(duì)象參數(shù)變化和擾動(dòng)的影響,另外,又獲得快速響應(yīng)的最佳動(dòng)態(tài)參數(shù),從而達(dá)到提高系統(tǒng)性能的目的。通過(guò)對(duì)模糊PID控制器和傳統(tǒng)PID控制器的仿真,由仿真結(jié)果可以看出,模糊PID控制和傳統(tǒng)PID控制系統(tǒng)均含有積分控制作用,所以穩(wěn)態(tài)精度相同,但是,模糊PID比傳統(tǒng)PID具有更快的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性、更小的超調(diào)。所以,可以看出在模糊PID控制下,有更好的控制結(jié)果。
圖5 轉(zhuǎn)速響應(yīng)曲線
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