【文章內(nèi)容簡介】 向異步旋轉(zhuǎn)。 異步電機(jī)轉(zhuǎn)差率 s ： 00n nns ?? （ 22） 異步電機(jī)轉(zhuǎn)速 n ： p fsnsn 60)1()1( 0 ???? （ 23） 由公式（ 23），如果電機(jī)的 p 不變，轉(zhuǎn)差率 s 不變，那么轉(zhuǎn)速 n 與頻率輸入頻率f 成正比關(guān)系。頻率越高，轉(zhuǎn)速越高；反之，轉(zhuǎn)速越低。 實際上，當(dāng)電機(jī)確定后， p 為定值，且變頻調(diào)速屬于轉(zhuǎn)差功率不變型調(diào)速方法，電機(jī)旋轉(zhuǎn)時保持有限的轉(zhuǎn)差率。因而變頻調(diào)速的性能非常好，具有高效率、高精度、調(diào)速范圍廣、平滑性較高、機(jī)械特性較硬的優(yōu)點 。因此，變頻調(diào)速是交流異步電機(jī)一種比較合理和理想的調(diào)速方法，它被廣泛地應(yīng)用于對電機(jī)的調(diào)速 [1]。 總體設(shè)計 以控制器 Controllogix 為核心，應(yīng)用以太網(wǎng)和控制網(wǎng)絡(luò)，選擇變頻器作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，異步電機(jī)作為控制對象，測速發(fā)電機(jī)作為檢測機(jī)構(gòu)，構(gòu)成閉環(huán)控制回路?？驁D如圖 所示 。 基于 PLC 控制的交流電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng) 7 圖 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖 控制方案設(shè)計 方案一： PID 控制 PID 具有結(jié)構(gòu)簡單，參數(shù)易于整定，應(yīng)用面廣等特點，設(shè)計的控制對象可以有精確模型，也可以是灰箱或黑箱系統(tǒng)，總體而言，它主要有如下優(yōu)點 : （ 1） 原理簡單 ，應(yīng)用方便，參數(shù)整定靈活 。 （ 2） 適用性強(qiáng)。目前它已廣泛應(yīng)用各個工業(yè)生產(chǎn)行業(yè)， （ 3） 魯棒性強(qiáng)，即其控制的品質(zhì)對受控對象的變化不太敏感。 系統(tǒng)框圖如 圖 所示，通過給定轉(zhuǎn)速和反饋的轉(zhuǎn)速做比較，差值通過 PID 模塊計算來控制變頻器的輸出。 圖 控制系統(tǒng)框圖 方案二：模糊和 PID 并聯(lián)控制 PID 控制能夠消除穩(wěn)態(tài)誤差 ， 但系統(tǒng)的快速性和 抗干擾能力都不理想 。 模糊控制西南石油大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 8 具有非常強(qiáng)的抗干擾能力， 但是無法從根本上消除穩(wěn)態(tài)誤差，控制精度 很低。而 將模糊控制技術(shù)和傳統(tǒng)的 PID 控制相結(jié)合， 將模糊控制和 PID 控制的優(yōu)點很 好的結(jié)合起來 。目前應(yīng)用較為廣泛的是模糊控制與 PID 控制的串聯(lián)或者模糊控制與 PID 控制相并。本系統(tǒng)采用最簡單的模糊與 PID 的復(fù)合并聯(lián)方式，即當(dāng)系統(tǒng)偏差較小時，采用傳統(tǒng)的PID 控制，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)較大的偏差時，則切換采用模糊控制。 系統(tǒng)框圖見圖 。 圖 模糊和 PID 并聯(lián)控制框圖 方案三：單神經(jīng)元自適應(yīng) PID 控制 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（ ANN）的優(yōu)點：由多個小處理單元組成，每個處理單元功能簡單，大量簡單處理單元集體的，并行的活動得預(yù)期的結(jié)果，具有較快的處理速度；非常強(qiáng)的容錯性；記憶信息存儲性在神經(jīng)元之間的連接權(quán)值上 ；學(xué)習(xí)能力十分強(qiáng)大。 單神經(jīng)元作為構(gòu)成神經(jīng)網(wǎng)路偶的基本單位，具有自學(xué)習(xí)和自適應(yīng)能力，而且結(jié)構(gòu)簡單易于計算，傳統(tǒng)的 PID 控制器具有結(jié)構(gòu)簡單、調(diào)整方便、參數(shù)整定與工程指標(biāo)聯(lián)系密切的特點，這兩者結(jié)合可以在一定程度上解決傳統(tǒng) PID 控制器不易在線實時整定參數(shù)，難于對一些復(fù)雜過程和參數(shù)時變系統(tǒng)進(jìn)行有效控制的不足?？刂瓶驁D如圖 ，反饋和給定轉(zhuǎn)速通過轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換過后經(jīng)由函數(shù) f 計算得到輸出偏差量。再經(jīng)過計算得出變頻器的頻率控制量。 圖 單神經(jīng)元自適應(yīng) PID 控制 框 圖 基于 PLC 控制的交流電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng) 9 硬件 描述 控制器及 I/O 模塊 控制 器選擇 controllogix 17565561。 I/O 模塊選擇 ACN1794， FLex I/O 遠(yuǎn)程模塊。 模擬輸入與輸出分別選擇 input CH0 和 output CH0，量程選擇 1010V 二進(jìn)制補(bǔ)碼百分比。 Flex I/O 輸入輸出轉(zhuǎn)換： 表 A/D 轉(zhuǎn)換關(guān)系 I O A D 比值 D A 比值 1629 1018 5000 5 1000 3427 1007 4000 4 1000 5230 1006 3000 3 1000 6190 998 2020 2 1000 7126 1016 1000 1 1000 由上表可以看出，模擬輸入與輸出電壓值與 A/D 轉(zhuǎn)換倍數(shù)關(guān)系為 b=1000。 執(zhí)行機(jī)構(gòu)及控制對象 變頻器作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)為主電路（整流器，中間直流環(huán)節(jié)，逆變器）和控制電路組成。變頻器采用基頻以下調(diào)速，即恒壓頻比調(diào)速。本實驗采用的變頻器PowerFlex40。 變頻器的啟停和反轉(zhuǎn)采用數(shù)字量控制，每個數(shù)字量需要 6mA 電流（ 圖 ）。頻率控制采用模擬量控制（ 圖 ）。 具體接線如下圖所示。 西南石油大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 10 圖 變頻器與數(shù)字 I/O 連接 圖 變頻器與模擬 I/O 連接 變頻器 PowerFlex40 參數(shù)設(shè)置如表 所示。 表 變頻器參數(shù)設(shè)置 編程參數(shù) 參數(shù)值 變頻器顯示 d001(輸出頻率 ) P031（電機(jī)銘牌電壓） 220V P032（電機(jī)銘牌頻率） 50Hz P033（電機(jī)過載電流） P034（最小頻率） 0Hz P036（起動源） 1（三線制） P038（ 模擬量輸入 ） 2（單極性電壓型輸入） 變頻器控制電壓 u 與 輸出頻率 f 成線性關(guān)系，即 0— 10V 對應(yīng) 0— 50Hz，寫成關(guān)系式為： uf *010 050??? u 與 AD 轉(zhuǎn)換數(shù)比值為 b。所以要得到頻率 ，就可以輸出數(shù)字量： bfz *5? 變頻器 PowerFlex40 的 R/L S/L T/L3 接三相電源， U/T V/T W/T3 分別接三相異步電動機(jī)的 U/T V/T W/T3 三相，電動機(jī)采用星形接法。 基于 PLC 控制的交流電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng) 11 檢測機(jī)構(gòu) 選用直流測速發(fā)電機(jī)作為檢測機(jī)構(gòu)，反饋電壓與轉(zhuǎn)速成正比關(guān)系。 表 轉(zhuǎn)速與反饋電壓關(guān)系 轉(zhuǎn)速 1443 1137 反饋電壓 比值 轉(zhuǎn)速 449 244 反饋電壓 比值 207 由表 可得轉(zhuǎn)速和反饋電壓比值關(guān)系，實驗時取系數(shù) c=203. 直流 測速發(fā)電機(jī)的輸出電壓（ 0~10V）接到控制器的模擬量輸入端，即高電勢接a15:2:，低電勢接 a15:2:（ RET）。 西南石油大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 12 3 系統(tǒng)仿真 電機(jī)模型的建立 異步電動機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩為 39。2 2139。 2 39。 21 1 2 1 1 2( 3 )[ ( / ) ( ) ]meRpUPsT R R s L L????? ? ? ? （ 31） 其中 1R 、 39。2R — — 定子每相電阻和折合到定子側(cè)的轉(zhuǎn)子每相電阻 。 1L 、 39。2L —— 定子每相漏感和折合到定子側(cè)的轉(zhuǎn)子每相漏感 。 1U 、 1? —— 電動機(jī)定子相電壓和供電角頻率 ； s —— 轉(zhuǎn)差率； 電磁功率為 mP ； P 為電機(jī)極對數(shù)； 同步機(jī)械角轉(zhuǎn)速 1p???。 公式（ 31）就是異步電動機(jī)的機(jī)械特性方程式。當(dāng)定子電壓 U，和角頻率以的比為恒定值時，可以把它改寫成如下的形式 ? ? ? ?2 39。1 1 22239。 2 2 39。1 1 2 1 1 23eU s RTpsR R s L L?????? ???? ? ? ? 當(dāng) s 很小時，忽略分母中含 s 各項得 221 1 139。39。1 2 1 233 se U s UT p pRR ????? ? ? ???? ? ? ?? ? ? ? 其中 s? = 1s? ，表示轉(zhuǎn)差角頻率。 帶恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載時電力拖動系統(tǒng)的運動方程式為 el JdTT p dt?? ? ? 其中 lT 為負(fù)載阻轉(zhuǎn)矩； J 為機(jī)組的轉(zhuǎn)動慣量。 轉(zhuǎn)差率的表達(dá)式為 基于 PLC 控制的交流電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng) 13 0 101nns n ???? ??? 中 n — 轉(zhuǎn)子實際轉(zhuǎn)速； 0n — 旋轉(zhuǎn)磁場的同步轉(zhuǎn)速； ? — 用電角度表示的轉(zhuǎn)子實際角轉(zhuǎn)速； 1? — 用電角度表示的同步角轉(zhuǎn)速 ； 且有關(guān)系 : 0160 /n f p? ， 112 f??? ， 60 / 2np??? ， 1 ss? ? ? ?? ? ? 。 根據(jù)以上得出的關(guān)系式，可得到帶負(fù)載的電機(jī)變頻調(diào)速的數(shù)學(xué)模型如圖 。 圖 帶負(fù)載的電機(jī)變頻調(diào)速的數(shù)學(xué)模型框圖 當(dāng)令 A= 2139。213 UpR ???????， B=pJ 時，將電機(jī)的參數(shù)帶入右有負(fù)載的電機(jī)變頻調(diào)速數(shù)學(xué)模型，參數(shù)有： 1U 為 220V， 1f 電機(jī)額定頻率為 50Hz,極對數(shù)為 2， J 的估計值為 ,當(dāng)取 A= 和 B=100 時，前面圖所示的電機(jī)變頻調(diào)速模型構(gòu)造的 simulink 仿真模型圖 如圖 所示。 圖 電機(jī)模型仿真框圖 實際系統(tǒng)中，電機(jī)開環(huán)運動時，變頻器輸出 50Hz 交流電，電機(jī)轉(zhuǎn)速為 1450r/min。由此仿真時 f=50Hz，添加負(fù)載為 牛米，使輸出值為 1450。仿真曲線如圖 所西南石油大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 14 示。 圖 電機(jī)仿真曲線 建立好電機(jī)模型以后 用 create subsystem 將電機(jī)封裝 起來 ，用于控制算法的仿真 。 控制 控制原理 PID 調(diào)節(jié)器是一種線形調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為： sTsTKpsE sU di ??? 1)( )( pK 為比例系數(shù)，ii TK1? 為積分環(huán)節(jié)系數(shù) ， dd TK? 為微分環(huán)節(jié)系數(shù) 。 Kp、 Ki、 Kd 參數(shù)的作用 (1)比例作用 Kp 比例控制作用是最基本的控制規(guī)律。它能較快地克服擾動的影響，使系統(tǒng)穩(wěn)定下來，但對具有自平衡性（即對系統(tǒng)階躍響應(yīng)始終為一有限制）的控制對象存在靜差。它適用于控制通道滯后較小、負(fù)荷變化不大、控制要求不高、被控參數(shù)允許在一定范圍內(nèi)有靜差的場合。 (2)積分作用 Ki 基于 PLC 控制的交流電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng) 15 積分控制通常與比例控制或微分控制聯(lián)合使用，構(gòu)成 PI 控制或 PID 控制。其中PI 控制規(guī)律是應(yīng)用最為廣泛的一種控制規(guī)律。積分能消 除比例調(diào)節(jié)中的靜差，適用于控制通道滯后較小、負(fù)荷變化不大、被控參數(shù)不允許有靜差的場合。 (3)微分作用 Kd 微分作用是按偏差變化速度來的，因而對克服對象的容量滯后有明顯的作用。 仿真 PID 仿真框圖如圖 所示 ,給定值是 1000 轉(zhuǎn) 。 圖 仿真框圖 參數(shù)整定的的局部仿真結(jié)果如下： （ 1） 比例 控制 先比例。將 Kp 由小變大，不斷觀察系統(tǒng)的響應(yīng)，直到得到反應(yīng)快的曲線；參數(shù)選擇 Kp= Ki=0 Kd=0 的仿真曲線如圖 所示 圖 = 時仿真曲線圖 當(dāng) Kp= Ki=0 Kd=0 時仿真曲線如圖 所示 西南石油大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 16 圖 = 時仿真曲線 （ 2）比例積分控制 先將積分時間置于一較大值，再減少 Ki，保持在良好的動態(tài)性能的情況下，將靜差消除。參數(shù)選擇 Kp= Ki=2 Kd=0 的仿真曲線如圖 所示 圖 ==2 時仿真曲線 （ 3）比例積分微分控制 消除了靜差，超調(diào)過大，可加入微分環(huán)節(jié)，能使超調(diào)量減少，調(diào)節(jié)時間縮短。 但不能 太大， 太大 會使微分作用太強(qiáng)而使控制器的輸出發(fā)生很大的變化 。 參數(shù)選擇Kp= Ki=2 Kd= 的仿真曲線 如圖 所示 基于 PLC 控制的交流電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng) 17 圖 Kp= Ki=2 Kd= 時仿真曲線圖 此組參數(shù)作為實驗 初始設(shè)定 參數(shù)，然后再根據(jù)實驗 現(xiàn)場 要求進(jìn)行修正 ，以達(dá)到更好的控制效果。 模糊 控制 模糊控制基本原理 模糊化 :把輸入量規(guī)范化和量化。 模糊邏輯推理 :根據(jù)事先己制定好的一組模糊條件語句構(gòu)成模糊控制規(guī)則 。 去模糊 :控制作用的模糊集不能直接用于被控對象，需要把控制作用的模糊集按照一定的規(guī)則轉(zhuǎn)化成精確控制量加到被控對象上。 、 Kc、 Ku 參數(shù)的作用 Ke 越大，對偏差作用增強(qiáng)。系統(tǒng)上升快，增大超調(diào) 量，過度時間長。 Kc 越大，對系統(tǒng)偏差變化控制作用增強(qiáng)。減小超調(diào)量、穩(wěn)態(tài)誤差和誤差變化率。過度時間變長。 Ku 越大，控制器作用增強(qiáng)，系統(tǒng)響應(yīng)快，易超調(diào)，可能導(dǎo)致振蕩。 模糊仿真 建立在規(guī)范論域 [6 6]上 E,EC,U 的隸屬函數(shù) 如圖 。 西南石油大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 18