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        基于智能方法的矢量控制變頻調(diào)速系統(tǒng)仿真研究

        2016-08-09 05:38:32江蘇省徐州技師學院
        電子世界 2016年13期
        關(guān)鍵詞:變頻調(diào)速異步電機仿真

        江蘇省徐州技師學院 陳 斌

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        基于智能方法的矢量控制變頻調(diào)速系統(tǒng)仿真研究

        江蘇省徐州技師學院 陳 斌

        【摘要】近年來,新興的人工智能技術(shù)與矢量控制相結(jié)合的智能控制方法的研究取得了長足的發(fā)展,國內(nèi)外對其研究和應用十分活躍。本文在介紹模糊控制的基礎(chǔ)上,設(shè)計出模糊控制器并將其與矢量控制相結(jié)合,搭建出模糊控制器構(gòu)成的矢量控制模型并進行仿真驗證系統(tǒng)的可行性。

        【關(guān)鍵詞】異步電機;模糊控制;變頻調(diào)速;仿真

        1 模糊控制的基本原理

        模糊的基本原理是1965年 美國加利福尼亞大學控制理論專家L.A.Zadeh教授在Information&Control雜志上發(fā)表了模糊集“Fuzzy Set”一文,首次提出了模糊集合的概念。用模糊集合(Fuzzy Set)來描述模糊事物的概念,很快為科技工作者所接受。

        在許多情況下,被控對象由于其過程復雜,機理有不明之處,一些檢測方法和檢測裝置無法進入被測模型,導致控制過程數(shù)學模型無法構(gòu)建。因此用常規(guī)控制理論和控制方法去實現(xiàn)對這類對象的控制難以實現(xiàn)。假如把人的操作經(jīng)驗歸納成一系列的規(guī)則,存放在計算機中,利用模糊集理論將它定量化,使控制器模仿人的操作策略,這就是模糊控制器,采用模糊控制器構(gòu)成的控制系統(tǒng)即模糊控制系統(tǒng)。

        模糊控制相對于常規(guī)控制而言有以下優(yōu)點:

        (1)無須建數(shù)學模型,是解決不確定性系統(tǒng)的一種有效途徑。(2)具有較強的魯棒性,可用于非線性、時變、時滯系統(tǒng)的控制。(3)控制規(guī)則能進行分層聯(lián)接,并且每條規(guī)則可以再延伸聯(lián)接一個子規(guī)則庫,這就可以組成多級控制。

        2 模糊控制器設(shè)計

        模糊控制器設(shè)計一般采用硬件和軟件兩種方法實現(xiàn)。在計算量較小時,模糊控制器的功能可采用軟件設(shè)計實現(xiàn),若到計算量較大并且實時性要求較高時,其功能可以通過采用硬件設(shè)備實現(xiàn)。模糊控制器設(shè)計的內(nèi)容與步驟如下:

        (1)模糊化

        模糊化與反模糊化過程可看作為模糊規(guī)則與真實環(huán)境間的接口。一個實際值輸入應表示為模糊集的形式,才能進行推理計算。而模糊輸出集的信息應被轉(zhuǎn)換為一個單值,這就是模糊推理系統(tǒng)的輸出實值。模糊化就是采用一個模糊集表示實值信號的過程。

        (2)模糊推理規(guī)則的建立

        模糊規(guī)則表示為“if…then…”條件語句。更清楚的表示是,對多個變化條件的前提經(jīng)推理產(chǎn)生一個決策結(jié)果。在應用中,通常將采用的模糊規(guī)則用模糊控制規(guī)則表的形式表示出來。模糊規(guī)則可以通過相關(guān)領(lǐng)域的專家給出,也可以通過大量的試驗數(shù)據(jù)結(jié)出。無論應用哪種方法,得到的模糊規(guī)則都是近似的,因而還需要解決這些規(guī)則的協(xié)調(diào)問題。既要保證模糊規(guī)則的完備性,即對于任何模糊輸入狀態(tài),都必須產(chǎn)生一個模糊控制器的輸出,又要保證模糊規(guī)則的相容性問題,即模糊規(guī)則之間不能得到相互矛盾的結(jié)論。解決這兩個問題,往往需要一定工程經(jīng)驗積累和試驗數(shù)據(jù)。

        (3)確定權(quán)與規(guī)則信度

        明確地建立模糊規(guī)則的權(quán)和知識庫中模糊規(guī)則信度之間的關(guān)系是相當重要的。例如,考慮規(guī)則置信矩陣是二位的,即對每一個輸入集,只有一個規(guī)則的信度是非零,其值為1、這個限制意味著。權(quán)值只能是有限個值(模糊輸出集的“中心”)中的一個。對每個模糊輸入隸屬函數(shù),允許超過一個規(guī)則的可信度為有效,應用位于單位區(qū)間內(nèi)的信度.允許相應的權(quán)去估計任何位于模糊輸出集中的值。

        (4)選擇合適的推理合成算法與關(guān)系生成方法

        設(shè)計模糊控制器需要選擇適當?shù)年P(guān)系生成方法和推理合成算法。最常用的比較簡便的方法是Mamdanl方法,模糊推理算法與模糊規(guī)則直接相關(guān)。它的復雜性依賴于模糊規(guī)則語句中模糊集的隸屬函數(shù)的確定。選擇一些簡單的又能反映模糊推理結(jié)果的隸屬函數(shù)可以大大簡化模糊推理的計算過程。通常高斯隸屬函數(shù)、梯形隸屆函數(shù)和三角形隸屆函數(shù)是使用最多的隸屬函數(shù)。

        (5)反模糊化

        反模糊化就是壓縮模糊輸出集分布產(chǎn)生一個表達模糊系統(tǒng)輸出的單值,然后再經(jīng)過推理過程的輸出。

        3 模糊控制器組成的矢量控制變頻調(diào)速仿真模型

        Matlab軟件中具有豐富的工具箱,其中的模糊邏輯工具箱Fuzzy Logic Toolbox用于建立模糊控制器,在Matlab軟件命令窗口中輸入fuzzy,即可進入模糊控制器編輯界面,然后根據(jù)控制要求構(gòu)建一個二維的模糊控制器。模糊控制器中的e、ec、u ,分別代表輸入量誤差、誤差變化量和輸出控制量,它們都是的精確量且連續(xù)變化,所以應先將這些參數(shù)離散化。

        如果[-n,n]是模糊子集的論域,[-x,x]為精確量的實際變化范圍,Ke=n/x則為誤差的量化因子,Kc=n/x為誤差變化量化因子,Ku=x/n為輸出控制量的比例因子。將e、ec、u劃分為七個模糊子集并進行量化,{正?。≒S)、正中(PM)、正大(PB)、零(Z)、負大(NB)、負中(NM)、負?。∟S)、}分別表示語言變量,并確定其隸屬度。然后將控制規(guī)則編組表達出專家的操作經(jīng)驗,最后采用模糊推理建立模糊查詢表,這就把模糊控制器簡化為查表運算。

        [-150rad/s,150 rad/s]是轉(zhuǎn)速誤差的基本論域值,[-60rad/S2,60rad/S2]是其誤差變化率的基本論域,作為輸出控制量,基本論域 [-200N.m,200 N.m]是輸出控制量的轉(zhuǎn)矩給定值,量化論域設(shè)定為[-5,5],因此比例因子和量化因子分別為:

        模糊控制器的輸入為偏差及偏差變化,輸出為轉(zhuǎn)速估計增量。設(shè)模糊自適應信號的偏差、偏差變化的模糊變量分別為e,ec表示,輸出為u(如圖1)。

        表1 模糊控制規(guī)則

        圖1 兩輸入一輸出的模糊控制器結(jié)構(gòu)

        模糊語言值最終是通過隸屬函數(shù)來描述的。隸屬函數(shù)的形狀越陡,分辨率就越高,控制靈敏度也較高;相反,隸屬函數(shù)的變化率越緩慢,則控制特性也較平緩,系統(tǒng)的穩(wěn)定性較好。選取各變量的隸屬度函數(shù)如圖2和圖3所示。

        圖2 輸入變量e、de的隸屬度函數(shù)

        圖3 輸出變量Δω的隸屬度函數(shù)

        為了得到輸出信號u,首先根據(jù)模糊的磁鏈誤差e,ec,結(jié)合模糊規(guī)則以及重心法,轉(zhuǎn)換成可識別信號,乘以合適的比例因子,從而得到最后的調(diào)節(jié)信號。輸入、輸出的各個模糊子集的隸屬度函數(shù)控制規(guī)則如表1所示。

        模糊控制器構(gòu)成的矢量控制仿真模型如圖4所示:

        圖4 模糊控制器構(gòu)成的矢量控制變頻調(diào)速仿真模型

        4 仿真結(jié)果分析

        圖5 突加負載時電流、轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速曲線

        圖6 突減負載時電流、轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速曲線

        從圖5的結(jié)果可以看出:給定速度150rad/s,空載運行,轉(zhuǎn)速上升需要0.5s時間,1.5s時加入200N·M擾動,轉(zhuǎn)矩減小,轉(zhuǎn)速幾乎無變化,系統(tǒng)穩(wěn)定性好。從圖6的結(jié)果可以看出:給定速度150rad/s,恒轉(zhuǎn)矩200N·M運轉(zhuǎn)速上升需要1.3s時間,1.5s時突減200N·M擾動,轉(zhuǎn)速幾乎無變化,系統(tǒng)穩(wěn)定性好。

        圖7 轉(zhuǎn)速減少時電流、轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速曲線

        圖8 轉(zhuǎn)速增加時電流、轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速曲線

        從圖7的結(jié)果可以看出:給定速度150rad/s,恒轉(zhuǎn)矩200N·M運行,轉(zhuǎn)速上升需要1.3s時間,在1.5S時電機速度由150 rad/s突減至100 rad/s,穩(wěn)定時穩(wěn)定時間為0.2s。

        從圖8的結(jié)果可以看出:給定速度100rad/s,恒轉(zhuǎn)矩200N·M運行,轉(zhuǎn)速上升需要0.8s時間,在1.5S時速度由100 rad/s突加至150 rad/s,穩(wěn)定時間為0.5S,轉(zhuǎn)速提升時間,跟隨性好。

        從以上仿真圖形可以看出,從空載啟動到穩(wěn)定運行的過度時間為0.5秒,表明系統(tǒng)響應速度快,而且轉(zhuǎn)速加速過程無超調(diào)量。因此在系統(tǒng)中加入模糊控制器后,系統(tǒng)在響應速度和穩(wěn)定性等方面明顯優(yōu)于由PI控制器構(gòu)成的矢量控制系統(tǒng)。

        速度上升時間短,響應時間快,在加速的過程中速度無超調(diào)量,速度的跟隨性、穩(wěn)定性和動態(tài)誤差等參數(shù)明顯優(yōu)于采用PI控制器的矢量控制系統(tǒng)。在1.5s時突加200N·M負載轉(zhuǎn)矩時,轉(zhuǎn)矩從零迅速突變?yōu)轭~定負載值之后保持不變,此時轉(zhuǎn)速迅速下降,但在下降的過程中動態(tài)速降很小。由此可見,當負載改變時對系統(tǒng)的響應幾乎無影響。仿真表明,在模糊控制下矢量控制變頻調(diào)速系統(tǒng)轉(zhuǎn)速上升時間比較快,達到穩(wěn)定的時間比較短,無超調(diào),調(diào)整時間短,對負載變化不敏感,具有較強的魯棒性,明顯優(yōu)于PI控制器,達到了比較好的效果。

        5 結(jié)論

        本文首先介紹了模糊控制基本理論,模糊控制系統(tǒng)的組成和求解機理,然后將模糊控制與矢量理論相結(jié)合,設(shè)計出由模糊控制器構(gòu)成的矢量控制變頻調(diào)速模型,并在MATLAB/SIMULINK中進行了仿真實驗。與由PI控制器構(gòu)成的矢量控制模型相比,模糊矢量控制模型的穩(wěn)定性,速度跟隨性,抗擾動能力比前者要更好。

        參考文獻

        [1]張國良.模糊控制及其Matlab應用[M].西安:西安交通大學出版社,2003.16-28.

        [2]孔凡才.自動控制原理與系統(tǒng)[M].北京:機械工業(yè)出版社,2009:40-44.

        [3]李輝.MATLAB/SIMULINK軟件在電氣工程類專業(yè)畢業(yè)設(shè)計教學環(huán)節(jié)中的應用[J].電氣電子教學學報,2003,25(1):106-109.

        作者簡介:

        陳斌(1980—),男,江蘇徐州人,碩士研究生,江蘇省徐州技師學院講師,研究方向:交直流調(diào)速控制。

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