殷海雙，朱哲，徐建勇，常正勝，劉博

(1.東北石油大學(xué) 電氣信息工程學(xué)院，黑龍江 大慶 163318； 2.中如建工集團(tuán)有限公司, 江蘇 如皋 226500；3.大慶油田有限責(zé)任公司天然氣分公司，黑龍江 大慶 163457)

0 引 言

永磁同步電機(jī)(Permanent Magnet Synchronous Motor, PMSM)因其損耗與溫升低、單位功率密度大、維護(hù)方便、輕載運(yùn)行高效等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)，軍事，航天等領(lǐng)域[1]，如專門在水下使用的潛水電機(jī)，這種電機(jī)與泵直連，構(gòu)成一體，形成潛水電泵，長期潛入各種水質(zhì)的污水中工作。在潛水電機(jī)的研究領(lǐng)域內(nèi)，減少溫升與損耗并優(yōu)化電機(jī)結(jié)構(gòu)一直是熱點(diǎn)。文獻(xiàn)[2]針對水下環(huán)境，對45 kW充水式潛水電機(jī)改造并研制出MS200- 45型井用潛水電機(jī)并驗(yàn)證了電機(jī)功率因數(shù)和效率的提高；文獻(xiàn)[3]針對大型干式潛水電機(jī)，提出采用有限元法研究其內(nèi)部溫度場分布和電場的分布特性，并分析了電機(jī)定子電場對電機(jī)繞組絕緣的影響，對后續(xù)潛水電機(jī)的優(yōu)化與設(shè)計(jì)方向有重要的引領(lǐng)作用；文獻(xiàn)[4]通過有限元技術(shù)優(yōu)化永磁同步電機(jī)，并將這一技術(shù)應(yīng)用在7.5 kW的潛水泵。實(shí)驗(yàn)顯示節(jié)能效果得到了增強(qiáng)。

隨著現(xiàn)代計(jì)算機(jī)處理性能大幅度提升，各類控制算法得到開發(fā)和優(yōu)化，并應(yīng)用在PMSM上。文獻(xiàn)[5]采用了永磁直驅(qū)電機(jī)對潛水泵進(jìn)行調(diào)速驅(qū)動(dòng)，利用遺傳與粒子群算法提出了有限元多目標(biāo)優(yōu)化的方案，并通過實(shí)驗(yàn)證明了電機(jī)效率的提高與損耗的減少。文獻(xiàn)[6]提出一種基于模糊算法的電流預(yù)測控制，有效減少了電機(jī)運(yùn)行時(shí)的振蕩及靜態(tài)誤差；文獻(xiàn)[7]在PMSM預(yù)測控制采樣期間施加了兩個(gè)電壓矢量并設(shè)計(jì)模糊邏輯控制器確立兩者占空比，達(dá)到在參數(shù)不確定的情況下準(zhǔn)確估計(jì)電機(jī)變量的效果；文獻(xiàn)[8]在模型預(yù)測直接轉(zhuǎn)矩控制的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)模糊控制器替代速度環(huán)中的傳統(tǒng)PI，有效提高了電機(jī)的抗擾動(dòng)能力。文獻(xiàn)[9]針對SVPWM提出一種簡化算法，將三減函數(shù)轉(zhuǎn)化為四則運(yùn)算，在STM32嵌入式平臺通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證；文獻(xiàn)[10]提出用模糊PI控制器替代傳統(tǒng)PI，改進(jìn)電動(dòng)車用永磁同步電機(jī)，通過仿真實(shí)驗(yàn)證明了其對電動(dòng)車加速的優(yōu)化以及轉(zhuǎn)矩振蕩的減?。晃墨I(xiàn)[11]針對300 rpm以下的低速PMSM，提出用電壓補(bǔ)償?shù)目刂撇呗詠頊p小電流諧波，經(jīng)仿驗(yàn)證諧波受到抑制且轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)得到了控制。

上述研究探索了各類智能控制算法在永磁同步電機(jī)應(yīng)用中的可行性，但其中大多仿真與實(shí)驗(yàn)條件未涉及到永磁同步電機(jī)在特殊工況下的運(yùn)行特性。文中針對永磁同步潛水電機(jī)，根據(jù)現(xiàn)有預(yù)測控制算法的不足提出一種對預(yù)測誤差實(shí)時(shí)補(bǔ)償?shù)哪：A(yù)測技術(shù)，先在速度環(huán)建立預(yù)測控制系統(tǒng)替代傳統(tǒng)PI，再利用模糊控制對預(yù)測控制中的轉(zhuǎn)速誤差量進(jìn)行實(shí)時(shí)校正，形成模糊預(yù)測控制。這種算法結(jié)合的優(yōu)勢在于：將模糊控制引入預(yù)測控制，可通過前者強(qiáng)大的自適應(yīng)功能有效彌補(bǔ)后者處理非線性系統(tǒng)的不足，成為一種高精度、適應(yīng)性廣、魯棒性強(qiáng)的控制手段。經(jīng)仿真測試驗(yàn)證，永磁同步電機(jī)能在變頻起動(dòng)與恒壓供水兩個(gè)工況下穩(wěn)定運(yùn)行并展現(xiàn)出優(yōu)秀的動(dòng)靜態(tài)特性與抗擾動(dòng)能力。

1 潛水電機(jī)工況分析及數(shù)學(xué)模型

1.1 潛水電機(jī)的負(fù)載起動(dòng)

若令電機(jī)直接起動(dòng)，前端沒有阻力水流，會導(dǎo)致水泵系統(tǒng)內(nèi)流量短時(shí)間內(nèi)突變，壓強(qiáng)大幅度波動(dòng)，對管道產(chǎn)生沖擊使管壁受力出現(xiàn)噪聲，這種現(xiàn)象被稱為“水錘”效應(yīng)。解決水錘效應(yīng)需在電機(jī)起動(dòng)時(shí)遵循以下原理：常規(guī)狀態(tài)下電機(jī)轉(zhuǎn)速與泵轉(zhuǎn)速相等，泵系統(tǒng)的流量Q與轉(zhuǎn)速N之間關(guān)系式如下：

(1)

而轉(zhuǎn)速N與液流壓力P關(guān)系如下：

(2)

由式(2)可知，泵輸出流量變化與電機(jī)轉(zhuǎn)速成正比，壓力與速度的平方成正比。

電機(jī)的轉(zhuǎn)矩T與轉(zhuǎn)速N之間關(guān)系如下：

(3)

即：

(4)

可明顯看出，在電機(jī)起動(dòng)中，讓轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速依照式(4)的特定關(guān)系變化，可以有效降低轉(zhuǎn)矩的突變，減少流體對管道與葉輪的沖擊，避免發(fā)生“水錘”現(xiàn)象。

1.2 恒壓供水的原理及模型

恒壓供水的系統(tǒng)流程圖如圖1所示，圖中水泵機(jī)組由控制柜，變頻器，電機(jī)，水泵組成。出口水壓的控制采用PID技術(shù)，輸入為設(shè)定水壓，輸出為實(shí)際采樣水壓的測量值，T(s)為擾動(dòng)，在文中代表用戶用水流量。

恒壓供水的數(shù)學(xué)模型可用式(5)表示：

(5)

式中T1代表慣性時(shí)間常數(shù)；k1為系統(tǒng)的增益值；τ為時(shí)滯常數(shù)。

圖1 變頻控制恒壓供水系統(tǒng)流程圖

考慮到供水系統(tǒng)中其他裝置例如電控制柜、變頻器調(diào)節(jié)、壓力檢測等滯后時(shí)間，本文將其等效為比例關(guān)系，如式(6)所示：

G3(s)=k3

(6)

式中k3為壓力檢測的增益。

供水模型時(shí)間參數(shù)的選取參考了文獻(xiàn)[12]，該文獻(xiàn)將電機(jī)程序簡化為變頻器的傳遞函數(shù)以處理2 000 s時(shí)長的供水仿真。但文中還原了完整的電機(jī)控制系統(tǒng)，CPU負(fù)荷過高。因此經(jīng)過調(diào)試，按100:0.05的比例壓縮仿真時(shí)長與延時(shí)參數(shù)，在仿真合理運(yùn)行的同時(shí)保證了供水過程的完整。設(shè)計(jì)的供水模型傳遞函數(shù)如式(7)所示，仿真時(shí)長為4 s：

(7)

2 模糊預(yù)測控制設(shè)計(jì)

2.1 模糊預(yù)測控制的原理與結(jié)合方式

模糊預(yù)測技術(shù)，即模糊控制與預(yù)測控制算法的結(jié)合。本文所采取的結(jié)合思想是利用模糊技術(shù)對預(yù)測誤差做補(bǔ)償。在永磁同步潛水電機(jī)的控制設(shè)計(jì)中，電流環(huán)保留了傳統(tǒng)的電流預(yù)測系統(tǒng)，速度環(huán)首先根據(jù)MPC算法的原理建立轉(zhuǎn)速預(yù)測控制器，由于在控制的反饋校正過程中，轉(zhuǎn)速跟蹤誤差的抑制參數(shù)對電機(jī)系統(tǒng)影響較大，因此在轉(zhuǎn)速預(yù)測控制的基礎(chǔ)上建立模糊控制器，動(dòng)態(tài)校正這一參數(shù)，使其能夠隨著轉(zhuǎn)差的變化而對系統(tǒng)做出實(shí)時(shí)的調(diào)整。

2.2 速度環(huán)轉(zhuǎn)速預(yù)測控制設(shè)計(jì)

在電機(jī)轉(zhuǎn)速環(huán)上建立轉(zhuǎn)速預(yù)測控制系統(tǒng)代替?zhèn)鹘y(tǒng)PI，過程如下：

由于文中是建立在id=0的矢量控制基礎(chǔ)上研究的，因此電磁轉(zhuǎn)矩公式可轉(zhuǎn)化為Te=1.5Pnψfiq，永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩關(guān)系式如下：

(8)

式中Te為電磁轉(zhuǎn)矩；Tl為負(fù)載轉(zhuǎn)矩；ωr為轉(zhuǎn)速。求解系統(tǒng)的連續(xù)頻域方程，將式(8)等號兩邊分別拉普拉斯變換，得到頻域公式如下：

(9)

將式(9)根據(jù)Z域離散化求解可得到傳遞函數(shù)如下：

(10)

再將其轉(zhuǎn)化為差分方程如下：

ωr(k)=a0iq(k-1)-b0ωr(k-1)

(11)

ωr(k+1)=a0iq(k)-b0ωr(k)

(12)

式中T為采樣周期；Km=1.5Pnψf；a0=Km(1-e-TB/J)/B；b0=-e-TB/J。ωr為第kT時(shí)刻的實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速。

由上述兩差分方程相減可得到理想狀態(tài)下，永磁同步電機(jī)速度環(huán)的預(yù)測控制方程如下：

(13)

由式(13)加上系統(tǒng)運(yùn)行過程kT時(shí)刻的誤差量e(k)，即可得到系統(tǒng)的預(yù)測輸出量：

ωrp(k+1)=ωrm(k+1)+e(k)

(14)

預(yù)測控制系統(tǒng)要根據(jù)預(yù)測輸出與目標(biāo)函數(shù)，將實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)向期望的模型平穩(wěn)的校正，這個(gè)過渡過程即參考軌跡，方程如下：

yr(k+1)=αωr(k)+(1-α)ωref(k)

(15)

式中α是柔化系數(shù)；ωref(k)是系統(tǒng)的初始量。

根據(jù)模型預(yù)測控制算法中的反饋校正原理，式(14)與式(15)為系統(tǒng)預(yù)測輸出的過程設(shè)計(jì)二次優(yōu)化，目的是使預(yù)測輸出量更加貼近目標(biāo)函數(shù)，同時(shí)盡力使過渡過程平滑避免狀態(tài)突變，對水錘效應(yīng)起到一定的規(guī)避作用。

性能指標(biāo)方程如下：

(16)

式中Ec是抑制跟蹤誤差的增益；β是抑制控制量變化的增益。

(17)

因此，在kT時(shí)刻q軸電流給定值如式(18)：

(18)

轉(zhuǎn)速預(yù)測控制整體的閉環(huán)結(jié)構(gòu)如圖2所示，其中反饋校正建立在參考軌跡逼近目標(biāo)函數(shù)的過程中，可使轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩等參數(shù)的預(yù)測量和目標(biāo)函數(shù)得到二次優(yōu)化。

圖2 轉(zhuǎn)速預(yù)測控制結(jié)構(gòu)框圖

2.3 速度環(huán)模糊預(yù)測控制設(shè)計(jì)

在反饋校正系統(tǒng)中，抑制跟蹤誤差的輸入權(quán)值(Er)在運(yùn)行中保持初始量不變，導(dǎo)致調(diào)參困難并影響控制的精確度：Er數(shù)值過大會使電機(jī)動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度劇增，但易發(fā)生超調(diào)；Er過小會令轉(zhuǎn)速過渡平穩(wěn)，但同時(shí)會存在靜態(tài)誤差，產(chǎn)生振蕩。

以本文建立的轉(zhuǎn)速預(yù)測控制系統(tǒng)為基礎(chǔ)，通過構(gòu)建模糊控制器來優(yōu)化轉(zhuǎn)速預(yù)測中用于抑制跟蹤誤差的權(quán)值Er，輸入Er與實(shí)際轉(zhuǎn)差n′，將Er轉(zhuǎn)化為動(dòng)態(tài)參數(shù)以調(diào)整電機(jī)當(dāng)前速度。

模糊控制器的原理與構(gòu)建流程如圖3所示，在二維模糊控制中，系統(tǒng)輸入量x經(jīng)過增益Ke轉(zhuǎn)變?yōu)槟：刂破鞯妮斎胝`差e；ec為誤差的變化率，由輸入量x經(jīng)過微分模塊和增益Kec獲得；u*為真實(shí)值輸出，由模糊控制器輸出u乘以輸出增益Ko獲得。

圖3 模糊控制流程框圖

Ke、Kec和Ko的計(jì)算如下：

(19)

Kec=ke/Δt

(20)

(21)

考慮到仿真對象是額定轉(zhuǎn)速為3 000 r/min的潛水電機(jī)，所以轉(zhuǎn)速誤差的實(shí)際范圍在[-3 000,3 000] r/min，設(shè)定該誤差的論域在[-600,600] r/min之間。這代表當(dāng)轉(zhuǎn)速誤差超過600 r/min時(shí)，模糊控制的隸屬度函數(shù)始終輸出最大值；誤差在[-600,600] r/min范圍內(nèi)時(shí)，根據(jù)隸屬度函數(shù)、推理機(jī)構(gòu)和去模糊化確定最終輸出校正值。為了方便計(jì)算，基礎(chǔ)論域的取值適合在1左右，文中定為[-1.2,1.2]，根據(jù)式(19)計(jì)算，Ke=0.002。

為方便計(jì)算，e與ec的論域通常相同，離散系統(tǒng)的采樣時(shí)間Δt根據(jù)經(jīng)驗(yàn)估測為0.002 s，根據(jù)式(20)計(jì)算求得kec=1×10-6。

實(shí)際輸出信號u*的范圍±600之間，輸出論域u在±1.2之間，根據(jù)式(21)計(jì)算Ko(即u的比例因子)為500。需注意，論域和比例因子根據(jù)調(diào)試經(jīng)驗(yàn)確定，合理的參數(shù)設(shè)定并不唯一。

模糊控制技術(shù)的結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。

圖4 模糊預(yù)測控制結(jié)構(gòu)圖

實(shí)際轉(zhuǎn)差n′經(jīng)模糊化處理，推理機(jī)構(gòu)以及去模糊化后形成動(dòng)態(tài)的模糊校正系數(shù)η，普通轉(zhuǎn)速預(yù)測控制的權(quán)重系數(shù)Er經(jīng)過模糊校正后得到式(22)：

Er′=Er(1+η)

(22)

(1)參數(shù)模糊化

根據(jù)上文提到的參數(shù)選取得出控制參數(shù)模糊化圖表如表1所示。

表1 參數(shù)模糊化

論域中7個(gè)值從小到大對應(yīng)的語言值分別為負(fù)大(NB，Negative Big)，負(fù)中(NM，Negative Middle)，負(fù)小(NS，Negative Small)，零(ZO，Zero)，正小(PS，Positive Small)，正中(PM，Positive Middle)，正大(PB，Positive Big)。

(2)設(shè)計(jì)語言值的隸屬度函數(shù)

文中根據(jù)系統(tǒng)的論域采用了離散量化的隸屬度函數(shù)，函數(shù)類型為高斯(Gaussmf)，變量e與ec的隸屬度函數(shù)如圖5、圖6所示。

圖5 變量e的隸屬度函數(shù)

圖6 變量ec的隸屬度函數(shù)

輸入電機(jī)轉(zhuǎn)差在經(jīng)過比例因子Ke、微分模塊及比例因子Kec后，變換到[-1.2,1.2]的范圍內(nèi)。e與ec的隸屬度函數(shù)均為高斯函數(shù)，均勻分布在[-1.2,1.2]范圍內(nèi)，對稱軸分別為-1.2, -0.8, -0.4, 0, 0.4, 0.8, 1.2。

(3)建立模糊控制規(guī)則

建立如表2所示的模糊控制規(guī)則表，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)差、轉(zhuǎn)差速率較大時(shí)，增大轉(zhuǎn)速預(yù)測控制的權(quán)重系數(shù)Er，即模糊校正系數(shù)η應(yīng)取較大的值，以獲得更大的轉(zhuǎn)速響應(yīng)速度，盡快降低轉(zhuǎn)差達(dá)到給定值；當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)差、轉(zhuǎn)差速率較低時(shí)，入股模型預(yù)測控制的權(quán)重系數(shù)過大導(dǎo)致電機(jī)轉(zhuǎn)速超調(diào)，此時(shí)為了達(dá)到最佳控制效果，適當(dāng)減小權(quán)重系數(shù)Er，即模糊校正系數(shù)η應(yīng)取較小的值，以減少電機(jī)轉(zhuǎn)速超調(diào)量，使電機(jī)的轉(zhuǎn)速更平穩(wěn)的過渡到穩(wěn)定值附近。

表2 模糊控制查詢表

(4)e與ec隸屬度輸出曲面

根據(jù)上述模糊隸屬度函數(shù)、模糊規(guī)則表，建立模糊控制器，系統(tǒng)輸出如圖7所示的模糊輸出曲面，代表e與ec隸屬度函數(shù)輸出的分布。該曲面輸出值在[0,1]之間，根據(jù)當(dāng)前系統(tǒng)反饋的轉(zhuǎn)速差和轉(zhuǎn)差率，通過查詢的方式確定不同e/ec組合對應(yīng)的模糊校正系數(shù)η，對轉(zhuǎn)速預(yù)測控制的權(quán)重系數(shù)Er進(jìn)行校正。由圖7可知，當(dāng)e/ec的絕對值較大時(shí)，輸出值u隨之增大并接近1，這表示根據(jù)專家經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)轉(zhuǎn)速差、轉(zhuǎn)差率比較大時(shí)，權(quán)重系數(shù)Er增加以獲得更快的響應(yīng)速度；當(dāng)e/ec的絕對值比較小時(shí)，輸出值u也比較小，接近0，這表示根據(jù)專家經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)轉(zhuǎn)速差、轉(zhuǎn)差率比較小時(shí)，權(quán)重系數(shù)Er的增量減小以降低靜態(tài)誤差，控制振蕩。

基于模糊預(yù)測的電機(jī)控制結(jié)構(gòu)如圖8所示。

圖7 模糊輸出曲面(e與ec)

圖8 基于模糊預(yù)測的電機(jī)控制結(jié)構(gòu)

3 系統(tǒng)仿真與測試

為驗(yàn)證模糊預(yù)測控制對潛水PMSM的優(yōu)化效果，在Matlab/Simulink搭建仿真模型，結(jié)合實(shí)際的工程案例模擬負(fù)載起動(dòng)與恒壓供水兩個(gè)工況，同時(shí)將本文所設(shè)計(jì)的控制策略與雙閉環(huán)矢量控制、預(yù)測控制兩種算法的控制效果進(jìn)行對比。

在預(yù)測控制參考軌跡中，柔化系數(shù)α影響本周期與上一周期預(yù)測值的權(quán)重。α越接近于1，代表本周期預(yù)測值的比重越大。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，為了讓預(yù)測輸出更加平滑，α應(yīng)在0.9～1之間取值，文中取為0.995。權(quán)值β用于抑制控制量變化，β的選取參考了文獻(xiàn)[13]的設(shè)計(jì)，取值為1。

3.1 負(fù)載起動(dòng)測試

仿真參考的實(shí)際工程案例選擇某自來水公司15號井?dāng)?shù)據(jù)。15號井選用的電機(jī)型號為UT(G)200-30，其參數(shù)與該水廠某日的運(yùn)行案例如表3所示。

表3 UT(G)200-30永磁同步潛水電機(jī)參數(shù)

仿真條件如下：仿真時(shí)長0.25 s，同步轉(zhuǎn)速由表4推算出為2 400 r/min。

表4 某自來水公司15號井運(yùn)行數(shù)據(jù)

轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速關(guān)系按照文中1.1的結(jié)論設(shè)定，即：

(23)

具體比例為：

(24)

式中T為轉(zhuǎn)矩；N為轉(zhuǎn)速；Te為額定轉(zhuǎn)矩95.5N.m；Ne為同步轉(zhuǎn)速2 400 r/min。T和N在達(dá)到運(yùn)行數(shù)值的過程中按照式(12)的比例關(guān)系動(dòng)態(tài)變化。

運(yùn)行結(jié)果如圖9所示，觀察三種算法控制的電機(jī)轉(zhuǎn)速波形：使用文中的模糊預(yù)測控制，電機(jī)轉(zhuǎn)速峰值為2 456 r/min，超調(diào)量僅有0.233%；而基于預(yù)測控制的轉(zhuǎn)速超調(diào)為0.643%；傳統(tǒng)矢量控制超調(diào)量為1.138%。同時(shí)基于模糊預(yù)測控制的電機(jī)在運(yùn)行0.077 s時(shí)就達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)；預(yù)測控制的電機(jī)需要0.107 3 s；而矢量控制的電機(jī)需0.137s?？梢钥闯觥Ｔ跐撍姍C(jī)起動(dòng)的工況下，基于模糊預(yù)測的控制策略超調(diào)量更小，更快達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。

圖9 負(fù)載起動(dòng)轉(zhuǎn)速波形對比

接下來觀測運(yùn)行過程中的轉(zhuǎn)速誤差變化曲線。

如圖10所示，模糊預(yù)測技術(shù)對于轉(zhuǎn)速誤差的控制效果良好，相比于另外兩種算法，曲線變化更加平滑；同時(shí)可以發(fā)現(xiàn)與2.3節(jié)的設(shè)定相符，當(dāng)誤差超過600 r/min時(shí)系統(tǒng)以最大的控制量進(jìn)行調(diào)整，過程迅速。當(dāng)誤差低于600 r/min時(shí)根據(jù)模糊控制的輸出進(jìn)行實(shí)時(shí)校正，過程較為平滑。而另外兩種算法由于沒有自適應(yīng)調(diào)整，導(dǎo)致轉(zhuǎn)速曲線有突變現(xiàn)象，難以適應(yīng)潛水電機(jī)的工況。

圖10 轉(zhuǎn)速誤差曲線

最后觀察三種算法的q軸電流對比。

q軸電流變化對比如圖11所示，基于本文模糊預(yù)測的電機(jī)系統(tǒng)，q軸電流超調(diào)量為45.60%；基于預(yù)測控制的iq超調(diào)量為55.96%；矢量控制超調(diào)量110.7%。相比之下本文的控制策略q軸電流超調(diào)量最小，可有效提高電機(jī)起動(dòng)的穩(wěn)定性與安全性。

圖11 q軸電流曲線對比

3.2 恒壓供水測試

根據(jù)某水廠提供的真實(shí)供水案例：當(dāng)日，該水廠通過一臺電泵向某區(qū)用戶恒壓供水，出口水壓設(shè)定為0.43 Mpa。早上8:00，客戶用水量為4 768 m3/h，上午11:00，用水量達(dá)到4 959 m3/h。根據(jù)1.2節(jié)中推出的供水模型，帶入設(shè)計(jì)的電機(jī)控制系統(tǒng)模擬恒壓供水。Matlab/Simulink仿真結(jié)構(gòu)圖如圖12所示。

其中轉(zhuǎn)速給定系統(tǒng)如圖13所示。

仿真條件設(shè)置如下：除轉(zhuǎn)速外，其余電機(jī)參數(shù)與上一節(jié)仿真設(shè)定相同(轉(zhuǎn)速變成了一個(gè)隨水壓與流量變化的變量)，仿真時(shí)間為4 s，出口壓力設(shè)定為0.43 MPa，初始的居民用水流量為4 768 m3/h，在第2 s開始階躍上升至4 959 m3/h。運(yùn)行仿真，觀察三種電機(jī)控制算法對水壓的調(diào)控效果。

圖12 Matlab仿真結(jié)構(gòu)框圖

圖13 轉(zhuǎn)速給定系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

由圖14可看出，應(yīng)用模糊預(yù)測技術(shù)的潛水電機(jī)對恒壓供水系統(tǒng)有較為明顯的改善。就超調(diào)而言，模糊預(yù)測控制的水壓超調(diào)量為23.70%，預(yù)測控制為27.23%，矢量控制為36.56%；同時(shí)，相比于模糊預(yù)測技術(shù)，預(yù)測控制存在著大量的靜態(tài)振蕩，這也驗(yàn)證了模糊控制對權(quán)值Er的實(shí)時(shí)整定會給系統(tǒng)帶來可觀的優(yōu)化。

圖14 恒壓供水水壓波形對比

4 結(jié)束語

文章針對矢量控制、預(yù)測控制技術(shù)在永磁同步潛水電機(jī)應(yīng)用中的不足，結(jié)合恒壓供水的工況設(shè)計(jì)了模糊預(yù)測控制算法，通過對兩個(gè)工程案例的仿真驗(yàn)證了這種算法的改善：基于模糊預(yù)測控制的永磁同步潛水電機(jī)，負(fù)載起動(dòng)時(shí)轉(zhuǎn)速變化更平穩(wěn)，超調(diào)小，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，q軸電流更穩(wěn)定；將應(yīng)用文中控制策略的電機(jī)帶入恒壓供水系統(tǒng)，會使水壓變化幅度減小，同時(shí)消除了靜態(tài)振蕩。