牛卜巧

（宿遷澤達職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 宿遷 223800）

目前，傳統(tǒng)電動機在機電工業(yè)方面發(fā)揮重要作用，在傳統(tǒng)電動機的基礎(chǔ)上，提出了一種新型電動機——異步電動機。異步電動機比傳統(tǒng)電動機性能更高、運行更簡便且自動化程度也更高[1]，但是異步電動機的自適應(yīng)控制方法存在一定問題。

目前，市面上有2種較為常見的異步電動機控制方法，第一種是傳統(tǒng)的異步電動機自適應(yīng)控制方法，該方法是最基礎(chǔ)的；第二種是基于自適應(yīng)模糊的異步電動機自適應(yīng)控制方法。在傳統(tǒng)的控制策略中，異步電動機的動態(tài)模型往往忽略了旋轉(zhuǎn)、旋轉(zhuǎn)和相互飽和的磁力抑制規(guī)律。其中，傳統(tǒng)的異步電動機控制方法在運行過程中較煩瑣且方法步驟繁多，需要較多的操作經(jīng)驗，而另外一種基于自適應(yīng)模糊的異步電動機控制方法是基于自適應(yīng)模糊來實現(xiàn)控制的，這種方法的使用率較高，其原因是該方法基于自適應(yīng)模糊來實現(xiàn)控制，簡單快捷，可以減少人力工作量，但是其缺點是控制效果一般。因此，該文提出了基于PLC的異步電動機自適應(yīng)控制方法。

1 基于PLC的異步電動機自適應(yīng)控制方法

1.1 基于PLC構(gòu)建控制異步電動機控制模型

異步電動機具有結(jié)構(gòu)簡單、生產(chǎn)成本相對較低、能源效率高和運行穩(wěn)定性好等優(yōu)點，在交流輸電系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用。盡管一些研究人員提出了許多異步電機控制的控制方法和模型，但是在異步電機的速度控制系統(tǒng)中，關(guān)注隨機擾動加權(quán)的控制策略相對較少。在傳統(tǒng)的控制策略中，異步電動機的動態(tài)模型往往忽略了旋轉(zhuǎn)、旋轉(zhuǎn)和相互飽和的磁力抑制規(guī)律[2]。以上這些物理變量會讓異步電動機的轉(zhuǎn)動規(guī)律、互相感知能力以及電阻數(shù)值等參數(shù)發(fā)生變化，即產(chǎn)生千變?nèi)f化的非線性問題，會影響異步電動機的動態(tài)響應(yīng)速度和控制精度。因此，基于PLC構(gòu)建控制異步電動機控制方法需要基于PLC構(gòu)建控制異步電動機動態(tài)控制模型。在同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)d-q下，異步電動機系統(tǒng)的模型如公式（1）～公式（3）所示。

式中：σ為電感系數(shù)，ω為轉(zhuǎn)矩的角速率；Lm為互相感知能力系數(shù)；np為對數(shù)系數(shù)；J為電動機旋轉(zhuǎn)時的慣性常量；TL為負(fù)載轉(zhuǎn)動頻率；φd為相互吸引磁力；ud和uq為2個電壓數(shù)值；id和iq為2個電流數(shù)值；Rs和Ls為異步電動機的2個電阻值；Rr和Lr為2個轉(zhuǎn)子電感值；ω為轉(zhuǎn)矩的角速率。

基于PLC進行優(yōu)化可以得到公式（4）。

式中：i為轉(zhuǎn)子慣量。

基于PLC構(gòu)建控制異步電動機控制模型，如圖1所示。

圖1 基于PLC構(gòu)建控制異步電動機控制模型

基于以上步驟可以基于PLC構(gòu)建控制異步電動機控制模型。

1.2 提取影響因素

基于已經(jīng)建立的異步電動機控制模型提取、分析影響因素。根據(jù)《旋轉(zhuǎn)電機定額和性能》提取影響異步電動機的因素：當(dāng)異動電動機運行時，要保證異動電動機的電源電壓在額定的95%～105%變化，并且還要確保輸出功率應(yīng)仍能維持額定值，或者從節(jié)能的角度來說，異步電動機的接觸末端電壓需要稍微小于或等于額定的數(shù)值，因此異動電動機正常運行的負(fù)載率為50%～80%。異步電動機主要影響參數(shù)見表1。

表1 異步電動機主要影響參數(shù)

由表1可知，當(dāng)負(fù)載值達到1/2時，如果把電壓的數(shù)值下降10%左右，那么異步電動機的運行效率將會增加1%～2%，同時功率因數(shù)也會增加4%～5%。當(dāng)負(fù)載為1/2時，將電壓提高10%左右，那么異步電動機的效率也會下降1%～2%，同時功率因數(shù)下降5%～6%。對影響因素的提取過程中需要注意，目前企業(yè)中的異步電動機的負(fù)載率只有40%左右。

1.3 構(gòu)建校正控制模塊

基于已經(jīng)構(gòu)建的異步電動機控制模型和提取的影響因素設(shè)計校正控制模塊。校正控制具有提高系統(tǒng)帶寬和改善系統(tǒng)動態(tài)性能的能力，校正控制器的參數(shù)可以通過被控對象的己知傳遞函數(shù)及閉環(huán)系統(tǒng)對帶寬、幅值裕度和相角裕度的需求以及提取的影響因素直接計算得到。該文利用已經(jīng)建立的基于PLC構(gòu)建控制異步電動機控制模型的線性部分設(shè)計校正控制模塊[3]。由圖1可知，該方法的特性是為了充分提高系統(tǒng)在異步電動機較低頻率時段獲得的收益，從而保證異步電動機對穩(wěn)態(tài)誤差的要求，并且運行時需要占據(jù)充分的頻率模塊，以保證具備合適的校正控制。

基于上述設(shè)計思想，設(shè)計校正控制模塊需要建立函數(shù)關(guān)系，基于公式運行控制模塊，即設(shè)T為校正的轉(zhuǎn)折時間，k為控制器的比例因子，由此得出校正控制模塊的函數(shù)表達式如公式（5）所示。

基于以上步驟完成構(gòu)建校正控制模塊的工作。

1.4 實現(xiàn)異步電動機的自動控制

為了實現(xiàn)變頻調(diào)速異步電動機的同步自動控制功能，需要在PLC補償算法的基礎(chǔ)上分別解決瞬時無功功率、電流諧波和電壓諧波。電流無功功率是指異步電機設(shè)備無功運行時的輸出功率，變頻器調(diào)速元件對電機設(shè)備的控制既體現(xiàn)在電壓上，也體現(xiàn)在電流上。在異步電動機運行的過程中，瞬時無功電壓決定了物理電壓值[4]，當(dāng)對變頻器的部件進行調(diào)速處理時，物理電壓值必須在某個時刻釋放。在變頻器的閉合電路中，瞬時無功電壓高或低對保持異步電動機設(shè)備的運行穩(wěn)定性沒有貢獻。因此，為了使用PLC補償算法控制電機的運行狀態(tài)，要求瞬時無功電壓值保持在±10%的物理范圍。由于負(fù)載電流的瞬時值在異步發(fā)動機運行期間不能保持完全穩(wěn)定的狀態(tài)，因此瞬時無功電流值在波動值的范圍內(nèi)。如果變頻器部分的輸出功率在給定時刻達到最大值，那么表明瞬時無功電流在該時刻也達到最大值。

電流諧波可以用來描述異步電動機負(fù)載電流在一段時間內(nèi)的數(shù)值變化，如果變頻器被視為連續(xù)功率穩(wěn)定的應(yīng)用組件，那么當(dāng)將速度調(diào)節(jié)過程應(yīng)用于任務(wù)時，電機設(shè)備的電流諧波越高，電機在該時間單位內(nèi)的物理操作就越高。在不考慮其他干擾條件的情況下，應(yīng)定義電信號總線的電流負(fù)載矢量和電流系數(shù)，以解決電流諧波。電壓力學(xué)可以用來描述異步電動機每單位負(fù)載電壓的數(shù)值變化。盡管電流諧波保持恒定，但是電壓諧波越高，PLC控制器閉合電路的輸入電壓和輸出電壓之間的差就越大，異步電機在速度控制循環(huán)中運行的機會也越大。

異步電動機實現(xiàn)控制的另外一種較為常見的方法是直接轉(zhuǎn)矩控制方法，該方法采用直接轉(zhuǎn)矩控制，優(yōu)點是保留了原有的良好的驅(qū)動力，同時降低了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的繁瑣程度，在異步電動機的控制中達到了與控制變量相同的重要區(qū)域。采用該方法實現(xiàn)控制的基本原理是轉(zhuǎn)動矩波以及電流控制的分離狀態(tài)[5]，具體步驟是異步電動機在定子坐標(biāo)系下的動態(tài)數(shù)學(xué)模型的輸入和輸出，它消除了異步電機模型與直流電機的比較、模擬和轉(zhuǎn)換過程，消除了對矢量控制等直流電機控制進行模擬的需要，從而避免了異步電機模型的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換和斷開。因此，它具有所實現(xiàn)的自動控制程序結(jié)構(gòu)較簡單、控制模塊反應(yīng)速度快以及運行噪音較低等優(yōu)點。但是該自動控制在運用過程中也存在局限，例如轉(zhuǎn)矩波和速度會互相限制。

為了在具有參數(shù)不確定性和非線性特性的系統(tǒng)上建立一個簡單、有效的控制器，科學(xué)家在1990年率先提出了退出策略。反饋控制是為每個階子系統(tǒng)設(shè)計相應(yīng)的李雅普諾夫方程，并在每個階子的控制過程中創(chuàng)建適當(dāng)?shù)奶摂M控制因子，從而保證每一個影響因素變量受到約束。同時，當(dāng)異步電動機再次運行時，還會系統(tǒng)記憶這些控制程序信號，也就是將前一階子系統(tǒng)控制中設(shè)計的虛擬控制信號視為重點的監(jiān)控信號，在異步電動機長時間運行后，可以構(gòu)造穩(wěn)定的程序變量約束取值，并且提出對應(yīng)的自適應(yīng)率，最終使用Ljapunov穩(wěn)定決策的條件來確認(rèn)該控制器是實現(xiàn)基于構(gòu)建實際的經(jīng)濟活動與自適應(yīng)活動的聯(lián)合管理方法的有限工具。采用該反向控制器設(shè)計方式在撤回設(shè)計策略方面簡化了控制器的計算流程，達到了對異步自動機進行自動控制的目的。

2 對比試驗

2.1 試驗說明

為了驗證該文設(shè)計的方法的有效性，建立對比試驗。將基于PLC的異步電動機自適應(yīng)控制方法與傳統(tǒng)的異步電動機自適應(yīng)控制方法以及基于自適應(yīng)模糊的異步電動機自適應(yīng)控制方法進行對比。

2.2 試驗準(zhǔn)備

試驗采用MATLAB進行仿真，逆變電路采用三相橋式逆變電路，開關(guān)器件選擇1GBT。

首先，利用設(shè)備元件搭建試驗環(huán)境，見表2。其次，采用基于PID補償算法的同步自動控制方法對異步電動機進行霧速控制，以調(diào)節(jié)電動機設(shè)備的運行行為，并將由此產(chǎn)生的數(shù)據(jù)記錄為試驗組的變量。再次，使用傳統(tǒng)的脈沖控制方法來調(diào)節(jié)電機設(shè)備的運行行為，所獲得的數(shù)據(jù)應(yīng)記錄為控制組變量。最后，收集試驗數(shù)據(jù)，總結(jié)試驗規(guī)律。對變頻器元件來說，當(dāng)變頻器的工作功率能夠長期穩(wěn)定在額定功率范圍內(nèi)時，說明變頻器裝置的工作功率在當(dāng)前情況下相對穩(wěn)定，能夠同步控制異步電動機。該試驗選用的VFD-M1.5變頻裝置額定功率范圍為400 W～450 W，異步電動機的相關(guān)基本參數(shù)見表3。

表2 試驗設(shè)備

表3 異步電動機參數(shù)

2.3 試驗結(jié)果

試驗結(jié)果如圖2所示。由圖2可知，基于PLC的異步電動機自適應(yīng)控制方法的轉(zhuǎn)速呈1條直線，而傳統(tǒng)的異步電動機自適應(yīng)控制方法以及基于自適應(yīng)模糊的異步機電動機自適應(yīng)控制方法與該文提出的方法的趨勢類似，但是線條為曲線，并且傳統(tǒng)的異步電動機自適應(yīng)控制方法的曲線變化程度比基于自適應(yīng)模糊的異步電動機自適應(yīng)控制方法的波動程度高，基于自適應(yīng)模糊的異步自動機自適應(yīng)控制方法相對穩(wěn)定，但是仍有明顯波動。綜上所述，基于PLC的異步電動機自適應(yīng)控制方法控制的轉(zhuǎn)速較穩(wěn)定，進一步證明了該文設(shè)計的方法的有效性。

圖2 高速階段3種方法的轉(zhuǎn)速曲線

3 結(jié)語

隨著技術(shù)進步和發(fā)動機應(yīng)用場景不斷變化，需要研究考慮隨機干擾和輸入非線性的異步發(fā)動機控制器的設(shè)計方法，使異步發(fā)動機的速度控制策略更適合實際生產(chǎn)應(yīng)用。該文將異步電動機速度控制方法的研究擴展到隨機系統(tǒng)，并考慮輸入飽和限制的影響。基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)管理原理使動態(tài)曲面技術(shù)與自適應(yīng)退出方法相結(jié)合，構(gòu)建了一種新的速度控制方案。仿真驗證了該方法具有控制精度高、耐久性強等優(yōu)點，具有一定的理論意義和實際應(yīng)用價值。