【文章內(nèi)容簡介】 較慢。而模糊控制將專家的知識及現(xiàn)場操作人員的經(jīng)驗轉化為控制策略，使模型難以確定的復雜系統(tǒng)得以有效的控制。在對象參數(shù)發(fā)生變化或受到外部擾動時，模糊控制仍能達到較為滿意的控制效果。 因而與傳統(tǒng)的控制方案相比，模糊控制具有較強的魯棒性。但是模糊控制無法從根本上消除穩(wěn)態(tài)誤差，控制精度較低。而比例積分控制(PI)能夠消除穩(wěn)態(tài)誤差，將模糊控制技術和傳統(tǒng)的 PI 控制相結合，能夠有效地解決模糊控制存在穩(wěn)態(tài)誤差的缺陷。目前較為廣泛的是模糊控制與 PI 控制的串聯(lián)或者模糊控制與 PI 控制相并聯(lián)。但是參數(shù)固定的 PI 控制又一定程度上給系統(tǒng)帶來了動態(tài)與穩(wěn)態(tài)之間的矛盾，模糊控制的優(yōu)勢沒有得到完全體現(xiàn)。本文提出的模糊自校正控制器使 PI 調節(jié)器參數(shù)跟隨系統(tǒng)誤差變化而動態(tài)變化，從而具備了模糊控制較強魯棒性和 PI 控制削弱穩(wěn)態(tài)誤差的功能。 模糊控制原理及其應用 該模糊控制輸入信號為速度偏差 e 和速度偏差變化率△e ，輸出信號為控制信號。變量的模糊子集為{正大，正中，正小，零，負小，負中，負大} ，相應的語言變量設定為{PL，PM，PS，ZO， NS，NM，NL}。 首先，把速度偏差及偏差變化率的實際范圍作為輸入論域，輸出控制量的允許變化范圍作為輸出論域，而在論域中的元素隸屬于某個語言變量值的隸屬度用隸屬函數(shù)表示，論域兩端的隸屬函數(shù)取半三角形的形狀，其余則取三角形的形狀。其次，在模糊化過程中取輸入變量的實時值，即求速度偏差及偏差變化率的實時值。第三步是把輸入變量的實時值和已定義的隸屬函數(shù)進行比較組合，求出相應的模糊輸入量。有了上面三個步驟后，再采用 MAXMIN 推理合成算法進行模糊推理，并產(chǎn)生模糊輸出結果。最后，將模糊輸出結果清晰化，并采用 PWM 方式實現(xiàn)輸出控制，在周期一定的條件下茂名學院本科畢業(yè)（設計）論文：數(shù)字式 PI 控制的轉差型交流調速系統(tǒng)設計6調節(jié)占空比，而占空比的實時值由模糊控制規(guī)則自動調節(jié)。 控制器的參數(shù)校正 模糊自校正控制器是由模糊控制器、PI 調節(jié)器、參數(shù)整定環(huán)節(jié)和估測器四個基本部分組成。模糊控制器和 PI 調節(jié)器根據(jù)校正的參數(shù)對過程對象進行控制，參數(shù)整定環(huán)節(jié)根據(jù)系統(tǒng)誤差的動態(tài)變化對 PI 調節(jié)器進行參數(shù)校正。該模糊自校正控制系統(tǒng)的運行過程就是模糊自校正控制器不斷采樣、校正，直至系統(tǒng)達到并保持期望的控制性能指標。 調節(jié)器的參數(shù)校正原則：在控制的起始階段取較小的 PI 調節(jié)器校正參數(shù)；當模糊控制達到基本穩(wěn)定時，根據(jù)系統(tǒng)誤差逐漸增大 PI 調節(jié)器的校正參數(shù)，以獲得平穩(wěn)的上升并消除誤差；當整個系統(tǒng)已基本穩(wěn)定時，則根據(jù)系統(tǒng)要求和誤差適當減小 PI 調節(jié)器的校正參數(shù)。 模糊 PI 控制引言傳統(tǒng)的 PI 控制算法簡單，參數(shù)調整方便，有一定的控制精度，但也存在局限性。PI 控制本質是一種線性控制,若被控對象具有非線性、大時滯、時變、強耦合等特性，會使線性參數(shù)的 PI 控制無法保持設計時的性能指標，魯棒性往往無法令人滿意。而模糊控制具有較強的魯棒性，并且具有動態(tài)響應好、上升時間快、超調小，尤其當被控對象模型很難建立或系統(tǒng)具有非線性、大時滯、時變、強耦合等特性時，它的優(yōu)越性更為突出。但是模糊控制的穩(wěn)態(tài)性能比較差[1]，因此將模糊控制和 PI 控制相結合，采用模糊 PI 控制對交流調速系統(tǒng)進行控制。 模糊 PI 控制的算法圖 21 示出模糊 PI 控制器的基本結構框圖。第二章 模糊－PI 控制原理7圖 21 模糊PI 控制原理圖 模糊控制方法（1）模糊控制器選用二維模糊控制器的輸入為速度誤差 e 及其誤差變化率 e，?輸出為定子電流 ，量化因子分別為 和 ，比例因子為 。模糊變量有：輸入相應誤差 E，誤差變化率 EC，輸出為控制量 U。 和 的大小意味著對 E 和 EC 的不同加權程度，而在調整系統(tǒng)特性時， 和 又相互制約，因此可得到帶有調整因子 的?控制規(guī)則，通過改變 的大小，改變對 E 和 EC 的不同加權程度，獲得不同的控制作?用。E、 EC 及控制量 U 的模糊子集用 7 個模糊量描述即：{NB，NM ，NS ，0，PS， PM，PB} 。它們的論域為：{5，4，3，2，1，0，1，2，3，4，5 。\??2}（2）模糊 PI 控制器控制原則在常規(guī) PID 基礎上，應用模糊理論建立參數(shù) ，與偏差絕對值 和偏差變化率絕對值 的二元連續(xù)函數(shù)關系。原則為：① 較小，EECE接近設定值，為使系統(tǒng)有良好的穩(wěn)態(tài)性能，應增加 ， 的值。此時若 較大，可C適當減小 ，若 較小，應適當增大 kp，ki；② 和 EC 中等大小時，使系統(tǒng)CE具有較小的超調，kp 應取小一些，ki 取適當，以保證系統(tǒng)穩(wěn)定及響應速度； ③E 較大時,為加快系統(tǒng)響應速度，應取較大 kp。同時為避免出現(xiàn)較大的超調，產(chǎn)生積分飽和，對積分加以控制，取 ki=0。由以上分析可得 ，來調整 PI 參數(shù)的公式：?kp=［ +（1 ）EC ］k ≥Ev?1E11uEkp=［ ′ +（1 ′）EC ］k ≤Ev（1）式中 Ev———調整因子轉換時的誤差值（3）確定個模糊子集的隸屬函數(shù)根據(jù)上述模糊規(guī)則，可以確立 E，EC 及 U 各模糊狀態(tài)的隸屬函數(shù)，分別示于表 表 2 和表 3。茂名學院本科畢業(yè)（設計）論文：數(shù)字式 PI 控制的轉差型交流調速系統(tǒng)設計8第二章 模糊－PI 控制原理9 軟件算法實現(xiàn)圖 22 示出調速系統(tǒng)算法流程圖。圖 22 調速系統(tǒng)算法流程圖 模糊 PI 控制的應用在 12kW 交交變頻三相同步電機系統(tǒng)中采用了模糊 PI 控制，并通過 DSP 編程控制實現(xiàn)了對電機調速系統(tǒng)的控制。實驗給定電機轉速為 150r/min。圖 3 示出 PI 控制和模糊 PI 控制在調速系統(tǒng)中的應用波形，由圖可見，模糊 PI 控制系統(tǒng)具有良好的性能且超調小，在突加 倍負載時，即系統(tǒng)啟動開始～2s 時的抗沖擊能力比較強。茂名學院本科畢業(yè)（設計）論文：數(shù)字式 PI 控制的轉差型交流調速系統(tǒng)設計10 本章小結由以上分析和實用得出結論，模糊 PI 控制器能使系統(tǒng)具有更快的響應速度和更小的超調量，具有更強的抗沖擊能力，明顯優(yōu)于 PI 控制。模糊 PI 控制在變頻調速閉環(huán)系統(tǒng)中的應用隨著計算機控制技術、電力電子技術的飛速發(fā)展，交流變頻調速技術正以其優(yōu)異的控制性能日益為工業(yè)界接受，可編程控制器作為一種可靠性的工業(yè) PC，也正以前所未有的速度在工業(yè)自動化領域迅速普及。在我國傳統(tǒng)的鋼鐵冶金、交通運輸、機械化工等各產(chǎn)業(yè)中，存在著大量的以繼電器、接觸器和直流調速為主的電氣傳動系統(tǒng)，這些系統(tǒng)存在硬件線路復雜、可靠性低、能耗大、生產(chǎn)維修量大等許多缺點，因此如何將 PLC 與交流變頻調速技術相結合，對傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)進行改造，是企業(yè)界正著力解決的問題。第三章 基于數(shù)字式 PI 控制轉差頻率控制的交流調速系統(tǒng)11第三章 基于數(shù)字式 PI 控制轉差頻率控制的交流調速系統(tǒng) 模擬 PI 調節(jié)器的數(shù)字化 PI 調節(jié)器是電力拖動自動控制系統(tǒng)中最常用的一種控制器，在微機數(shù)字控制系統(tǒng)中，當采樣頻率足夠高時，可以先按模擬系統(tǒng)的設計方法設計調節(jié)器，然后再離散化，就可以得到數(shù)字控制器的算法，這就是模擬調節(jié)器的數(shù)字化‘當輸入是誤差函數(shù) e(t)、輸出函數(shù)是 u(t)時，PI 調節(jié)器的傳遞函數(shù)見式（1）式中 調節(jié)器比例部分的放大系數(shù) 調節(jié)器的積分時間常數(shù)。PIKpi?PI??按式（1） ，u(t),e(t) 時表達式其中 為比例系數(shù),K1= 為積分系數(shù),將上式離散化成積分方程,其第 kpiP??1拍輸出為: 其中 Tsam 為采樣周期 數(shù)字 PI 調節(jié)器有位置式和增量式兩種算法。式(9)表述的差分方程為位（2）置式算法，u(k)為第 k 拍的輸出值。由等號右例可以看出，比例部分只與當前的伯差有關，而積分部分則是系統(tǒng)過去所有偏差的累積。位置式 PI 調節(jié)器的結構清晰，P 和 I 兩部分作用分明，參數(shù)調整簡單明了。由式(2)可知，PI 調節(jié)器的第 k—l 拍輸出為 （10）（3）由（2）－（3）可 得（4）式（4）就是增量式 PI 式調節(jié)算法可以看出，增量式算法只需要當前和上一拍的偏差即茂名學院本科畢業(yè)（設計）論文：數(shù)字式 PI 控制的轉差型交流調速系統(tǒng)設計12可計算輸出的偏差量。PI 調節(jié)器的輸出可由下式求得 u(k)=u(k1)+ 只要在計算)(ku?機小多保存上一拍的輸出值就可以了在控制系統(tǒng)中，為了安全起見．常須對調節(jié) 器的輸出實行限幅。在數(shù)字控制算法中，要對 U 幅，只須在程序內(nèi)設置限幅值 Um 當 u(k)＞Um，便以限幅值“m 作為輸出考慮限幅時，位置式和增量式兩種算法完全等同，考慮限幅則兩者略有差異。增量式 PI 調節(jié)只需輸出限幅，而位置式算法必須同時設積分限幅和輸出限幅，缺—不可；若沒有積分限幅，當反饋大于給定，使調節(jié)器退出飽和時，積分項可能仍很大，將產(chǎn)生較大的退飽和超調!帶有積分限幅和輸出限幅的位置式數(shù)字PI 調節(jié)程序框圖如圖 31 所示 第三章 基于數(shù)字式 PI 控制轉差頻率控制的交流調速系統(tǒng)1331 位置式數(shù)字 PI 調節(jié)程序框圖 調節(jié)器的設計模擬系統(tǒng)的轉速調節(jié)器一般為 PI 調節(jié)器，比例部分起快速調節(jié)作用，積分部分消除穩(wěn)態(tài)偏差。數(shù)字調節(jié)器也應具備同樣的功能，因此仍選用 PI 字調節(jié)器。按照式，其差分方程為（5）其中，Kp 比例系數(shù)，K1 積分系數(shù)(單位為 )，e 調節(jié)器輸入，u 調節(jié)器輸出。k 采1?s樣次數(shù)：對式(5)方程作 z 變換并應用線性定理和平移定理得茂名學院本科畢業(yè)（設計）論文：數(shù)字式 PI 控制的轉差型交流調速系統(tǒng)設計14如果要用利用連續(xù)系統(tǒng)的對數(shù)頻率法來設計調節(jié)器參數(shù)，應先進行 z 變換第三章 基于數(shù)字式 PI 控制轉差頻率控制的交流調速系統(tǒng)15根據(jù)系統(tǒng)期望虛擬對數(shù)頻率特性的中頻段寬度和相角裕量，可以解出 和 Ko，再進一1?步得出調節(jié)器的比例系數(shù) K p 和積分系數(shù) K 1。 轉差頻率控制的變頻調速系統(tǒng)數(shù)學模型 轉差額率控制的變領調速系統(tǒng)數(shù)學模型假設異步電動機工作在小轉差下(s=0)，并忽略電動機反電勢對電流 Id 的影響，對于導通型逆變器而言，可得電壓 Ud 與電流 Id 之間的傳遞函數(shù)為012（6）電磁轉矩表達式可以 寫為 （7）電機運動方程式茂名學院本科畢業(yè)（設計）論文：數(shù)字式 PI 控制的轉差型交流調速系統(tǒng)設計16 （8）對(8)進行拉氏變換得到(9)上式中 為電機的機電的時間常數(shù) 依據(jù)式(9)繪制的交 —立—交電流源型逆變器一異步電動機轉差頻率摔制變頻調速系統(tǒng)動態(tài)結構框圖如圖所示交—直交電流源型逆變器異步電動機轉差頻率控制變頻調速系統(tǒng)動態(tài)結構圖 圖中，ASR ,ACR 分別為轉速、電流調節(jié)器．可根據(jù)需要選擇其類型，并可利用此框圖綜合 ASR ,ACR 之參數(shù)，分析其動態(tài)過程，其方法步驟類似于直流調速系統(tǒng),另外，對于其他類型的轉差頻率控制系統(tǒng)的數(shù)學模型可類似建立。 32 異步電動機轉差頻率摔制變頻調速系統(tǒng)動態(tài)結構框圖第三章 基于數(shù)字式 PI 控制轉差頻率控制的交流調速系統(tǒng)17 轉差頻率控制的基本思想轉差頻率控制的轉速閉環(huán)變頗調速系統(tǒng)轉差頻率控制的基本思想 轉速開環(huán)、電壓或電流閉環(huán)的變頻調速系統(tǒng)共能用于調速精度不太高的一般平滑調運場合，要繼續(xù)提高系統(tǒng)的靜、動態(tài)性能，就必須進行轉速閉環(huán)控制。由于異步電動機的電磁轉矩與氣隙磁通、轉子電流、轉子功率因數(shù)均有關，其中的主要參變量 轉差率又難以直接測量，增加了對異步電動機變頻調速系統(tǒng)進行閉環(huán)控制來進—步提高系統(tǒng)動態(tài)性能的難度。本節(jié)論述的轉差額率控制系統(tǒng)是一種模擬控制拖動轉矩，近似保持控制過程中磁通恒定的轉速閉環(huán)變順調速方案．理論上可以獲得與直流電動機閉環(huán)調速系統(tǒng)相似的調速性能。按照異步電動機的拖動轉短表達式 Te =Cm mImcos?2?式中 Cm 為電機常數(shù)cos = 于是2?Te=Cm m ?定義以 t＝S 叫為轉差角瀕率，則有 Te= ?1為電動機常數(shù)1. 轉差頻率控制的基本思想就是基于上述推導而來：只要 a 限制轉差角頻率的最大茂名學院本科畢業(yè)（設計）論文：數(shù)字式 PI 控制的轉差型交流調速系統(tǒng)設計18值 b 保持主磁通 恒定，c 控制轉差角頻率 叫．就能控制異步電動機的轉矩m?m?s?Te 恒定對定子電流的控制要求?通過控制 以來控制轉矩 Te 是在保持 恒定的前提下成立的，于是問題又轉化為如s m何才能保持 ，與電動機電流內(nèi)關系。m由電機學可知， 與勵磁電流 I。成正比，參考感應電動機的一相等效電路圖可見系統(tǒng)中要維持 恒定，即 恒定．就需要實現(xiàn)以下函數(shù)關系m?0I圖 33,保持 恒定時的 函數(shù)曲線圖m?)(1sfI??上式作成的 函數(shù)曲線如圖 33 所示．曲線縱坐標上的 為理想空載以)(1sfI?? 0I0?s?時的 數(shù)值,漸近線為 為正為負,左右對01第三章 基于數(shù)字式 PI 控制轉差頻率控制的交流調速系統(tǒng)19稱,只要控制異步電動機的定子電流滿足圖 33 的函數(shù)要求，就能實現(xiàn)氣隙磁通 恒m?定。轉差頻率控制的轉速閉環(huán)變頻調速系統(tǒng)轉差額率控制的轉速閉環(huán)變頻調速系統(tǒng)結構見圖 34，該系統(tǒng)為了獲得較好的動態(tài)響應，而且便于回饋制動，采用交—直—交電流型變頻器作為主電路該結構圖中，給定值 Um；對應轉子希望轉速，測速