【文章內(nèi)容簡介】 ② 模糊控制完全是在操作人員控制經(jīng)驗基礎(chǔ)上實現(xiàn)對系統(tǒng)的控制，無需建立被控對象的數(shù)學(xué)模型，是解決不確定系統(tǒng)的一種有效途徑。 ③ 模糊控制具有較強的魯棒性，被控對象參數(shù)的變化對模糊控制的影響不明顯，可用于非線性、時變、時滯系統(tǒng)的控制。 ④ 模糊控制的機理符合人們對過程控制作用的直觀描述和思維邏輯，由工業(yè)過程的定性過程出發(fā)，較易建立語言變量控制規(guī)則。 ⑤ 由離線計算得到控制查詢表，提高了控制系統(tǒng)的實用性。 ⑥ 由不同的觀點出發(fā)，可以設(shè)計幾個不同的指標函數(shù)，但對一個給定的系統(tǒng)而言，其語言控制規(guī)則分別獨立，通過整個控制系統(tǒng) 協(xié)調(diào)，可以取得總體的協(xié)調(diào)控制。 模糊控制的主要缺陷是 : ① 信息簡單的模糊處理導(dǎo)致系統(tǒng)的控制精度降低和動態(tài)品質(zhì)變差，若要提高精度則必然增加量化級數(shù)，從而導(dǎo)致規(guī)則搜索范圍擴大，降低決策速度，甚至不能實時控制。 ② 模糊控制的設(shè)計尚缺乏系統(tǒng)性，無法定義控制目標，控制規(guī)則的選擇、論域的選 11 擇、模糊集的定義、量化因子與比例因子的選取等大多采用試湊法，這對復(fù)雜系統(tǒng)的控制是難以奏效的。為了使模糊控制器的參數(shù)或者規(guī)則在控制過程中能夠自動地調(diào)整、修改和完善，模糊控制 器的設(shè)計自然而然地向著自適應(yīng)、自校正的方向發(fā)展。 直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng) 直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)簡稱 DTC(Direct Torque Control)是在 20 世紀 80 年代中期繼矢量控制技術(shù)之后發(fā)展起來的一種高性能異步電動機變頻調(diào)速系統(tǒng)。 1977年美國學(xué)者 在 IEEE 雜志上首先提出了直接轉(zhuǎn)矩控制理論， 1985 年由德國魯爾大學(xué) Depenbrock教授和日本 Tankahashi 分別取得了直接轉(zhuǎn)矩控制在應(yīng)用上的成功，接著在 1987 年又把直接轉(zhuǎn)矩控制推廣到弱磁調(diào)速范圍。不同于矢量控制，直接轉(zhuǎn)矩 控制具有魯棒性強、轉(zhuǎn)矩動態(tài)響應(yīng)速度快、控制結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點，它在很大程度上解決了矢量控制中結(jié)構(gòu)復(fù)雜、計算量大、對參數(shù)變化敏感等問題 傳統(tǒng)的直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)的主要問題是低速時轉(zhuǎn)矩脈動大。為了降低或消除低速時的轉(zhuǎn)矩脈動，提高轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩控制精度，擴大直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的調(diào)速范圍，近些年來提出了許多新型的直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)。雖然這些新型直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)在不同程度上改善了調(diào)速系統(tǒng)的低速性能，但是其低速性能還是不能達到矢量控制的水平。最近出現(xiàn)了一種間接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)，受到了很多學(xué)者的關(guān)注。間接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)具有優(yōu)良的低速性 能，另外由于其獨特的控制思想可以降低逆變器的開關(guān)頻率，從而特別適用于大容量調(diào)速場合。 直接轉(zhuǎn)矩控制的目標是 :通過選擇適當?shù)亩ㄗ与妷嚎臻g矢量，使定子磁鏈的運動軌跡為圓形，同時實現(xiàn)磁鏈模值和電磁轉(zhuǎn)矩的跟蹤控制，其 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖 2— 4 所示 。 在圖 2— 4 中，定子磁鏈和電磁轉(zhuǎn)矩分別采用閉環(huán)控制， Ψs*、 Tei*分別為定子磁鏈模值和電磁轉(zhuǎn)矩的給定信號，、分別為定子磁鏈模值和電磁轉(zhuǎn)矩的估計值，作為反饋信號使用。根據(jù)誤差信號，轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器輸出轉(zhuǎn)矩增、減控制信號 CT。 磁鏈調(diào)節(jié)器輸出磁鏈增、減控制信號 CΨ。開關(guān)表根據(jù) CΨ、 CT 以及估計器輸出的磁鏈扇區(qū)信號，選擇正確的定子電壓空間矢量，輸出控制字 SA,B,C 給逆變器。 從圖 2— 4 中可以看出，和矢量控制相比直接轉(zhuǎn)矩控制具有結(jié)構(gòu)簡單，轉(zhuǎn)矩響應(yīng)速度快、對參數(shù)變化魯棒性強的優(yōu)點。直接轉(zhuǎn)矩控制的主要缺點是在低速時轉(zhuǎn)矩脈動大，其主 12 要原因是 : (1) 由于轉(zhuǎn)矩和磁鏈調(diào)節(jié)器采用滯環(huán)比較器，不可避免地造成了轉(zhuǎn)矩脈動 。 (2) 在電動機運行一段時間之后 ,電機的溫度升高 ,定子電阻的阻值發(fā)生變化 ,使定子磁鏈的估計精度降低，導(dǎo)致電磁轉(zhuǎn)矩出現(xiàn)較大的脈動 。 (3) 逆變器開關(guān)頻率的 高低也會影響轉(zhuǎn)矩脈動的大小，開關(guān)頻率越高轉(zhuǎn)矩脈動越小，反之開關(guān)頻率越低轉(zhuǎn)矩脈動越大。 矢量控制變頻調(diào)速系統(tǒng) 上世紀 70年代西門子工程師 機轉(zhuǎn)矩控制問題 ———— 通過測量和控制異步電動機定子電流矢量，根據(jù)磁場定向原理分別對異步電動機的勵磁電流和轉(zhuǎn)矩電流進行控制，從而達到控制異步電動機轉(zhuǎn)矩的目的。以后在實踐中許多學(xué)者進行了大量的工作，經(jīng)過不斷的改進，歷經(jīng)此后幾十年的時間，達到了可與直流調(diào)速系統(tǒng)的性能相媲美的程度。具體步驟是將異步電動機的定子電流 矢量分解為產(chǎn)生磁場的電流分量 (勵磁電流 ) 和產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的電流分量 (轉(zhuǎn)矩電流 ) 分別加以控制，并同時控制兩分量間的幅值和相位，即控制定子電流矢量，所以稱這種控制方式稱為矢量控制方式。簡單地說，矢量控制就是將磁鏈與轉(zhuǎn)矩解耦，有利于分別設(shè)計兩者的調(diào)節(jié)器，以實現(xiàn)對交流電機的高性能調(diào)速。這樣就可以將一臺三相異步電機等效為直流電機來控制，因而獲得與直流調(diào)速系統(tǒng)同樣的靜、動態(tài)性能 。 圖 25 矢量控制過程框圖 矢量控制方式又有基于轉(zhuǎn)差頻率控制的矢量控制方式、無速度傳感器矢量控制方式和有速度傳感器的矢量控制方式等。 基于轉(zhuǎn)差頻率控制的矢量控制方式同樣是在進行 U / f ＝恒定控制的基礎(chǔ)上，通過檢測異步電動機的實際速度 n，并得到對應(yīng)的控制頻率 f，然后根據(jù)希望得到的轉(zhuǎn)矩，分別控制定子電流矢量及兩個分量間的相位，對通用變頻器的輸出頻率 f 進行控制的?；谵D(zhuǎn)差頻率控制的矢量控制方式的最大特點是，可以消除動態(tài)過程中轉(zhuǎn)矩電流的波動，從而提高了通用變頻器的動態(tài)性能。早期的矢量控制通用變頻器基本上都是采用的基于轉(zhuǎn)差頻率控制的矢量控制方式。 無速度傳感器的矢量控制方式是基于磁場定向控制理論發(fā)展而來的。實現(xiàn)精確的磁場定向矢量控制需要在異步 電動機內(nèi)安裝磁通檢測裝置，要在異步電動機內(nèi)安裝磁通檢測裝置是很困難的，但人們發(fā)現(xiàn)，即使不在異步電動機中直接安裝磁通檢測裝置，也可以在通用變頻器內(nèi)部得到與磁通相應(yīng)的量，并由此得到了所謂的無速度傳感器的矢量控制方式。它的基本控制思想是根據(jù)輸入的電動機的銘牌參數(shù)，按照轉(zhuǎn)矩計算公式分別對作為基本控制量的勵磁電流（或者磁通）和轉(zhuǎn)矩電流進行檢測，并通過控制電動機定子繞組上的電壓的頻率使勵磁電流（或者磁通）和轉(zhuǎn)矩電流的指令值和檢測值達到一致，并輸出轉(zhuǎn)矩，從而實現(xiàn)矢量控制。 13 采用矢量控制方式的通用變頻器不僅可在調(diào)速范圍上 與直流電動機相匹配，而且可以控制異步電動機產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩。由于矢量控制方式所依據(jù)的是準確的被控異步電動機的參數(shù)，有的通用變頻器在使用時需要準確地輸入異步電動機的參數(shù)，有的通用變頻器需要使用速度傳感器和編碼器，并需使用廠商指定的變頻器專用電動機進行控制，否則難以達到理想的控制效果。目前新型矢量控制通用變頻器中已經(jīng)具備異步電動機參數(shù)自動檢測、自動辨識、自適應(yīng)功能，帶有這種功能的通用變頻器在驅(qū)動異步電動機進行正常運轉(zhuǎn)之前可以自動地對異步電動機的參數(shù)進行辨識，并根據(jù)辨識結(jié)果調(diào)整控制算法中的有關(guān)參數(shù)，從而對普通的異步電動 機進行有效的矢量控制。除了上述的無傳感器矢量控制和轉(zhuǎn)矩矢量控制等，可提高異步電動機轉(zhuǎn)矩控制性能的技術(shù)外，目前的新技術(shù)還包括異步電動機控制常數(shù)的調(diào)節(jié)及與機械系統(tǒng)匹配的適應(yīng)性控制等，以提高異步電動機應(yīng)用性能的技術(shù)。為了防止異步電動機轉(zhuǎn)速偏差以及在低速區(qū)域獲得較理想的平滑轉(zhuǎn)速，應(yīng)用大規(guī)模集成電路并采用專用數(shù)字式自動電壓調(diào)整（ AVR）控制技術(shù)的控制方式，已實用化并取得良好的效果。 小結(jié) 本章結(jié)合潞安王莊煤礦生產(chǎn)實際情況，闡述了提升機工作原理及對電氣控制系統(tǒng)的要求；并給出該礦副斜井提升機傳動系統(tǒng)圖，使提升機的 工作原理更加清晰。王莊煤礦副斜井提升機電控系統(tǒng)是古老的轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速，存在很多的安全隱患，急需改進。改進后的電控系統(tǒng)采用什么控制方案更加合理，采用交流還是直流調(diào)速，到底哪種調(diào)速方法調(diào)速性能更好。針對這種種疑問，本章分別對提升機直流調(diào)速和交流調(diào)速的調(diào)速性能進行分析，并就目前存在的幾種高精控制系統(tǒng)進行分析，并與目前技術(shù)已經(jīng)成熟的提升機變頻調(diào)速控制系統(tǒng)做比較，這些工作對確定提升機控制方案提供了很大幫助。設(shè)計中同時考慮到串電阻調(diào)速系統(tǒng)控制器件多、電路復(fù)雜的缺點，所以將可編程控制器（ PLC）應(yīng)用于控制系統(tǒng)。最后確定提 升系統(tǒng)的整體控制方案為 :基于 PLC 控制的大功率礦井提升機變頻調(diào)速控制系統(tǒng)。 3 提升機調(diào)速控制系統(tǒng)硬件實現(xiàn) 經(jīng)過分析比較，權(quán)衡各種控制方案的優(yōu)劣，結(jié)合提升機調(diào)速系統(tǒng)屬于恒轉(zhuǎn)矩負載特性，最終選擇 PLC 與變頻器相結(jié)合的變頻調(diào)速方案，其變頻控制方式為：矢量變頻調(diào)速控制。此方案能夠很好解決傳統(tǒng)交流繞線式電機串電阻調(diào)速系統(tǒng)的缺點，變頻調(diào)速是通過改變定子供電頻率來達到電機調(diào)速的目的，無論轉(zhuǎn)速高低，其機械特性基本上與自然機械特性平行，能夠滿足提升機特殊工作環(huán)境的要求且有著明顯的節(jié)電效果；采用 PLC 對提升系統(tǒng) 進行保護和監(jiān)控，使系統(tǒng)更加安全可靠。變頻調(diào)速系統(tǒng)將是提升機電控系統(tǒng)的發(fā)展方向。 礦井提升機控制系統(tǒng)組成 基于 PLC 的礦井提升機變頻調(diào)速控制系統(tǒng)由動力系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)、安全回路、控制核心和檢測系統(tǒng)組成，系統(tǒng)框圖如圖 31 所示。 動力系統(tǒng) 動力系統(tǒng) 由 機械和電氣兩部分組成。機械部分包括減速器、滾筒、制動器和底座；電氣部分包括斷路器、進線電抗器、變頻器、濾波器出線電抗器和拖動電機。動力系統(tǒng)完成人、物、料的運輸任務(wù)。變頻器是拖動電機能量供給單元，主電機通過減 速器向滾筒提供 14 牽引所需的動力。 液壓部分 液壓部分包括液壓站和潤滑站。液壓站為提升機提供制動力，停車時先通過液壓站給滾筒施加機械制動力；提升機起動時，待變頻器對電機施加一定力矩后松開機械抱閘，防止溜車，以保證系統(tǒng)安全可靠地工作。 控制核心 控制核心是整個提升系統(tǒng)的核心，通過它可以設(shè)定系統(tǒng)的工作方式和控制方式，可以發(fā)布系統(tǒng)的各種控制命令，以實現(xiàn)對提升機啟動、加速、平穩(wěn)運行、減速、停車以及緊急制動等各種控制功能。 圖 31 礦井提升機控制系統(tǒng)框圖 監(jiān)控系統(tǒng) 監(jiān)控系統(tǒng)是操作人員和控制系統(tǒng)及運輸系統(tǒng) 之間的橋梁，包括工控機、觸摸屏和接入礦調(diào)度系統(tǒng)的工業(yè)以太網(wǎng)。觸摸屏上顯示提升容器在井筒中的位置。工控機通過與 PLC 的通信，將電動機的所有運行參數(shù)和故障參數(shù)都顯示出來，并對礦車的位置及速度進行時時監(jiān)控，為操作人員分析故障、判斷故障和處理提供依據(jù)。 安全回路 安全回路是保證整個系統(tǒng)正常運行的關(guān)鍵，包括硬件和軟件兩條安全回路，安全電路相互冗余與閉鎖，一條斷開時，另外一條也同時斷開。硬件安全回路通過硬件回路實現(xiàn)，無論 PLC 單元是否正常工作，一旦出現(xiàn)重度故障信號，硬件安全回路馬上斷開；軟件安全回路在 PLC 軟件中搭 建，與硬件安全回路同時動作。安全電路斷開后，系統(tǒng)會立即解除運 15 行控制指令，封鎖變頻器，制動油泵，斷開安全閥和 KT 線圈，進行緊急制動。 檢測系統(tǒng) 檢測系統(tǒng)主要由電流、電壓檢測單元和旋轉(zhuǎn)編碼器構(gòu)成，主要檢測主電動機的電壓、電流及轉(zhuǎn)速，并將此信號傳送給控制器。 PLC 通過采集這些反饋信號，實現(xiàn)對提升機的控制及保護。 變頻調(diào)速控制系統(tǒng)工作原理 變頻調(diào)速控制系統(tǒng)內(nèi)部采用矢量控制思想， AC380V三相動力電源由隔爆接線腔 R,S,T 3 個接線柱接入隔爆主腔內(nèi)，大功率變頻可以將工頻三相交流電經(jīng)過交 — 直變換之 后經(jīng)過逆變器，利用設(shè)定的參數(shù)進行逆變，使得輸出為某一相應(yīng)設(shè)定頻率的交流電，經(jīng)變頻后輸出 U,V,W來驅(qū)動電機的運行。變頻器輸出頻率的變化，將導(dǎo)致電動機的輸出轉(zhuǎn)速變化，二者之間的關(guān)系近似線性。這樣，就起到了調(diào)速的作用。 在提升過程中，控制提升機運行的主速度給定 S 形速度曲線由 PLC 編程產(chǎn)生，經(jīng)過A/D 轉(zhuǎn)換，由模擬量輸出口輸出，以驅(qū)動變頻器工作；對變頻器輸出頻率的調(diào)整控制，也可根據(jù)現(xiàn)場的工況需要，由操作臺速度控制手柄以輔助給定的方式進行控制。 旋轉(zhuǎn)編碼器可以檢測主電動機的轉(zhuǎn)速，并將此信號傳送給可編程控制器， PLC 通 過該信號可以累計計算提升機的行走距離。操作人員通過操作臺向 PLC 發(fā)送控制提升機運行的控制命令?？刂票O(jiān)視系統(tǒng)通過與 PLC 的通信，將電動機的所有運行參數(shù)和故障參數(shù)都顯示出來，并對礦車的位置及速度進行時時監(jiān)控。為操作人員分析故障、判斷故障和處理提供依據(jù)。 提升機電控系統(tǒng)變頻器硬件實現(xiàn) 變頻調(diào)速主系統(tǒng)設(shè)計 16 圖 32 變頻調(diào)速系統(tǒng)主回路電路圖 變頻調(diào)速單元采用森蘭 SB70G 系列 SB70G200T4 通用變頻器，其變頻調(diào)速系統(tǒng)主回路電路圖如圖 3— 2 所示。 SB70G 系列變頻器采用轉(zhuǎn)子磁場定向的矢量控 制方式實現(xiàn)了對電機大轉(zhuǎn)矩、高精度、寬范圍調(diào)速，可靠性高，功能強大。 提升電動機選擇 一般電動機的額定電流可以用如下公式計算，即： 0 3 c o sPI UI ??? ? 根據(jù)上述公式對一般三相交流異步電功機的額定電流計算得出：異步電動機的額定電流與電動機額定功率的關(guān)系為：如果 U＝ 380V，電流大約為 1kW是 2A。因此．在選擇電動機的保護元件時可以用 1kw2A 來估算電動機的額定電流值，從而達到快速選擇保護元件 17 的目的。 本變頻調(diào)速系統(tǒng)所選電動機為： QABP 系列變頻調(diào)速三相異步電動機 (ABB)。其技術(shù)數(shù)據(jù)如表 3— 1 所示： 表 31 QABP 系列 8 級電機（ 50HZ 同步轉(zhuǎn)速 750r/min） 型 號 標稱功率 （ KW） 額定電流 （ A） 額定轉(zhuǎn)矩 （ Nm） 額定轉(zhuǎn)速 （ r/min） 最大轉(zhuǎn)矩 /額定轉(zhuǎn)矩 （ TMAX/TN） 轉(zhuǎn)動慣量