【導(dǎo)讀】永磁同步電動(dòng)機(jī)由于其結(jié)構(gòu)中摻入了高能量的稀土合金如鉚-鐵-硼。為廣泛，在現(xiàn)代交流電機(jī)中也占有舉足輕重的地位。模型，然后建立了永磁同步電機(jī)的矢量控制系統(tǒng)。參數(shù)與對(duì)象匹配的情況下可以取得良好的控制效果。參數(shù)需要重新整定。模糊控制具有不依賴于對(duì)象的數(shù)學(xué)模型、魯棒性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，能夠很。好地克服系統(tǒng)中模型參數(shù)變化和非線性等不確定因素，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的高品質(zhì)控制。種復(fù)合的模糊自適應(yīng)PI控制器較單一的傳統(tǒng)PI控制器能夠獲得較好的控制效果。通過理論研究和仿真研究證實(shí)，當(dāng)永磁同步電動(dòng)機(jī)的參數(shù)或負(fù)載發(fā)生。突變時(shí)，系統(tǒng)響應(yīng)仍可以很好的跟蹤參考信號(hào)，具有良好的動(dòng)態(tài)性能。

　　

【正文】 系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)和穩(wěn)態(tài)精度，有較好的魯棒性。對(duì)自適應(yīng)模糊 PI 控制系統(tǒng)用MATLAB\SIMULINK 進(jìn)行仿真。理論分析與仿真結(jié)果表明，自適應(yīng)模糊 PI 控制具有較好的控制 性能，與傳統(tǒng) PI 控制比較具有更好的動(dòng)態(tài)特性。 永磁同步電動(dòng)機(jī)仿真模型參數(shù)如表 41 所示： 表 41 動(dòng)機(jī)仿真模型參數(shù) 定子電阻 ()sR? 永磁體磁鏈 ()eT N m? 20 直軸電感 ()dLH 極對(duì)數(shù) np 4 永磁同步電機(jī)自適應(yīng)模糊控制方法的研究 19 交軸電感 ()qLH 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 2()J kg m? 永磁體磁鏈 ()f Wb? 摩擦阻力系數(shù) B 0 永磁同步電動(dòng)機(jī)矢量控制的雙閉環(huán) PI 調(diào)速系統(tǒng)仿真模型，其中電流控制器和速度控制器均采用 PI 控制器。 電流控制器輸出限幅值取電動(dòng)機(jī)相電壓的電壓峰值，速度控制器其限幅值決定電動(dòng)機(jī)允許的最大電流。電流環(huán)的時(shí)間常數(shù)取 0 1T ms? （要求 0 /T L R? ） ，計(jì)算電流環(huán) PI 控制器參數(shù)，取 h=5 計(jì)算速度控制器的 PI 值 [11] 。 模糊自適應(yīng) PI 控制系統(tǒng)仿真模型與模糊控制器的設(shè)計(jì) 常規(guī)的二維模糊控制器是以誤差和誤差變化作為輸入變量，因此一般認(rèn)為這種控制器具有模糊比例 ——微分控制作用，但是缺少模糊積分控制作用。因此控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度不能令人滿意。積分控制作用能消除穩(wěn)態(tài)誤差，但動(dòng)態(tài)響應(yīng)慢，比例控制作用動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，而比例積分控制作用能獲得比較高的穩(wěn)態(tài)精度，具有較快的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。因此，把 PI 控制策略引入模糊 控制器，構(gòu)成切換式模糊 PI 控制。這種復(fù)合控制策略是在大偏差范圍內(nèi)采用模糊控制，在小偏差范圍內(nèi)轉(zhuǎn)換成 PI 控制，二者的轉(zhuǎn)換由事先給定的閥值決定。這種方法不足在于：雖然提高了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性，但是由于小偏差范圍內(nèi)實(shí)際還是 PI 控制，因此穩(wěn)態(tài)精度沒有顯著提高。而且交接點(diǎn)選擇和調(diào)整對(duì)系統(tǒng)的性能有很大影響。為了改善永磁同步電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的性能，對(duì)切換式模糊 PI 控制系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn)。在永磁同步電動(dòng)機(jī)矢量控制的 PI 調(diào)速系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，建立了永磁同步電機(jī)模糊自適應(yīng) PI 控制系統(tǒng)，采用模糊自適應(yīng) PI 的控制器。該控制系統(tǒng)系統(tǒng)吸收了模糊 控制和 PI 控制的優(yōu)點(diǎn)，能夠通過模糊控制規(guī)則，自動(dòng)調(diào)整 PI 參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了模糊控制沒有的積分控制效應(yīng)和 PI 控制沒有的微分的控制效應(yīng)，相當(dāng)于變系數(shù)的 PI 控制器的功能特性，從而提高了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，消除了系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差，并且有很好的魯棒性 [13][14] 。 模糊控制器（ Fuzzy Logic Controller）的設(shè)計(jì) 本文模糊控制器的設(shè)計(jì)就是基于 MATLAB 中的 Fuzzy Logic Toolbox 建立起來的。圖 42 為實(shí)現(xiàn)模糊控制器的 模糊推理系統(tǒng)圖形編輯器 : 陜西科技大學(xué)畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)說明書） 20 圖 42 模糊推理系統(tǒng)圖形編輯器 模糊控制器的輸入 e、 e 和模糊控制器輸出變量 pk? 、 ik? 的隸屬度函數(shù)曲線如圖 43 所示： 永磁同步電機(jī)自適應(yīng)模糊控制方法的研究 21 圖 43 隸屬度函數(shù)曲線 模糊自適應(yīng) PI 控制系統(tǒng)仿真模型 模糊控制器是兩個(gè)個(gè)兩輸入 (, )ee 、輸出分別為 pk? 、 ik? 的模糊控制器。它以轉(zhuǎn)速偏差 e 和轉(zhuǎn)速的偏差變化率 e 作為模糊控制器的輸入，要滿足不同時(shí)刻的 e 和 e 對(duì) PI 參數(shù)的自整定。首先找出 PI 兩個(gè)參數(shù) pk 、 ik 與轉(zhuǎn)速偏差 e 和轉(zhuǎn)速偏差變化率 e 之間的關(guān)系 ，建立模糊規(guī)則表。 pk 、 ik 的模糊規(guī)則見上表。 ek ， eck 是模糊控制器的量化因子。將轉(zhuǎn)速偏差 e 和轉(zhuǎn)速偏差變化律 e 以及輸出 pk? 、ik? 的變化范圍都定義為模糊 集上的目的論域： e， e ， pk? ， ik? ={6， 5， 4， 3， 2，1,0,1,2,3,4,5， 6}。 其模糊子集為 e， e ， pk ， ik ={ N B ,N M ,N S ,Z O ,P S ,P M ,P B }，模糊 子集元素分別代表負(fù)大、負(fù)中、負(fù)小、零、正小、正中、正大。 根據(jù) PI 控制系統(tǒng)確定轉(zhuǎn)速偏差 e 的真實(shí)論域?yàn)?? ?3000,3000? ，其量化因子ek =6/3000。偏差變化率 e 的真實(shí)論域?yàn)?? ?3000,3000? ，其量化因子 ek =6/3000。 模糊控制器采用人類語言信息，模擬人類思維，包含模糊信息控制規(guī)則 如表 44 44 所示 。在系統(tǒng)特性改變時(shí)，模糊控制系統(tǒng)可以不必 像 傳統(tǒng)的控制器只能調(diào)節(jié)參數(shù)，還可以通過改變控制規(guī)則、隸屬函數(shù)、推理方法及決策方法來修正系統(tǒng)特性，克服了系統(tǒng)參數(shù)發(fā)生變化 [15][16] 。 陜西科技大學(xué)畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)說明書） 22 表 42 pk 模糊規(guī)則表 pu EC NB NM NS ZO PS PM PB E NB PB PB PM PM PS ZO ZO NM PB PB PM PS PS ZO NS NS PM PM PM PS ZO NS NS Z PM PM PS ZO NS NM NM PS PS PS ZO NS NS NM NM PM PS ZO NS NM NM NM NB PB ZO ZO NM NM NM NB NB 表 43 ik 模糊規(guī)則表 iu EC NB NM NS ZO PS PM PB E NB NB NB NM NM NS ZO ZO NM NB NB NM NS NS ZO ZO NS NB NM NS NS ZO PS PS Z NM NM NS ZO PS PM PM PS NM NS ZO PS PS PM PB PM ZO ZO PS PS PM PB PB PB ZO ZO PS PM PM PB PB 永磁同步電機(jī)自適應(yīng)模糊控制方法的研究 23 表 44 dk 模糊規(guī)則表 du EC NB NM NS ZO PS PM PB E NB NB PS NS NB NB NB NM NM NM PS NS NB NM NM NS NS NS ZO NS NM NM NS NS Z Z ZO NS NS NS NS NS PS PS ZO ZO ZO ZO ZO ZO PM PM PB NS PS PS PS PS PB PB PB PM PM PM PS PS ZieglerNichols 整定方法： 該方法是 Ziegler 和 Nichols 于 1942 年 提出的開環(huán)動(dòng)態(tài)響應(yīng)中某些特征參數(shù)而進(jìn)行的 PID 參數(shù)整定，它是基于受控過程的開環(huán)動(dòng)態(tài)響應(yīng)。其整定經(jīng)驗(yàn)公式是基于帶有延遲的一階慣性模型提出的，這種對(duì)象模型可表示為 其中 :K 是放大系數(shù) 。T 是慣性時(shí)間常數(shù) 。? 是延遲時(shí)間 . 由于該整定算法取決于開環(huán)實(shí)驗(yàn)，因而抗干擾能力差，或者采用閉環(huán)整定方法頻率響應(yīng)法 :己知頻率響應(yīng)數(shù)據(jù)，即從 Nyquist 圖形上直接得出剪切頻率 ? c 和該點(diǎn)處的幅值A(chǔ)(或增益 1/cKA? )，在得到過程的特征參數(shù)后， Ziegler 和 Nichols 便給出了 PID 參數(shù)整定的經(jīng)驗(yàn)公式，如表 45 所示 : 表 45 PID 參數(shù)整定經(jīng)驗(yàn)公式表 控制器 類型 根據(jù)模型設(shè)定 根據(jù)頻率響應(yīng)設(shè)定 ? =K? /T Tc=2? /? c Kp Ti Td Kp Ti Td 陜西科技大學(xué)畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)說明書） 24 P 1/? PI ? 3? PID ? 2? ? /2 e， e ， pk? ， ik? 均服從三角形隸屬函數(shù)曲線分布，因此可得出各模糊子集的隸屬度，根據(jù)模糊控制推理來對(duì) PI 三個(gè)參數(shù)進(jìn)行在線修正。 39。p p p upk k k k? ? ? 39。i i i uik k k k? ? ? 其中 39。pk ， 39。ik 為系統(tǒng)初始的 PI 參數(shù)， pk? ， ik? 為模糊控制器控制的輸出， upk ， uik 為比例因子，比例因子適當(dāng)?shù)娜≈悼梢允?PI 參數(shù)在最佳范圍內(nèi)進(jìn)行在線調(diào)整 [12] 。 由于建立永磁同步電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型需要得知其轉(zhuǎn)子直徑與轉(zhuǎn)子質(zhì)量等條件，這些條件無法確定因而本次論文用到的為經(jīng)驗(yàn)調(diào)參法。上述 ZieglerNichols 整定方法為最為簡便方法因而在此進(jìn)行了介紹。 永磁同步電動(dòng)機(jī)自適應(yīng)模糊 PI 控制系統(tǒng)的仿真模型如圖 41 所示： 圖 41 永磁同步電動(dòng)機(jī)自適應(yīng)模糊 PI 控制系統(tǒng)的仿真模型 仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析 在 MATLAB／ SIMULINK 環(huán)境下打開仿真模型，設(shè)置仿真起始時(shí)間、仿真步長、永磁同步電機(jī)自適應(yīng)模糊控制方法的研究 25 解法等仿真參數(shù)。設(shè)置起始時(shí)間為 0，停止時(shí)間為 。為了分析自適應(yīng)模糊 PI 控制系統(tǒng)的性能，這里與常規(guī)的 PI 控制系統(tǒng)進(jìn)行比較。 給定仿真實(shí)驗(yàn)條件： (1)t=0 時(shí)，啟動(dòng)；定子電阻 ()sR? =； (2)t=0 時(shí) ,啟動(dòng)；定子電阻 ()sR? =； (3)t=0 時(shí) ,啟動(dòng)；定子電阻 ()sR? =； 仿真條件 (1)時(shí)實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較 ： 圖 44 PI 與模糊 PI 速度響應(yīng)曲線 仿真條件 (2)時(shí)實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較： 陜西科技大學(xué)畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)說明書） 26 圖 45 PI 與模糊 PI 速度響應(yīng)曲線 仿真條件 (3)時(shí)實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較： 圖 46 PI 與模糊 PI 速度響應(yīng)曲線 永磁同步電機(jī)自適應(yīng)模糊控制方法的研究 27 從仿真實(shí)驗(yàn)圖 44 分析得：自適應(yīng)模糊 PI 控制系統(tǒng)在確保 電機(jī)轉(zhuǎn)速上升時(shí)間與 PI控制系統(tǒng)電機(jī)轉(zhuǎn)速的上升時(shí)間相同的情況下，轉(zhuǎn)速調(diào)整無震蕩不出現(xiàn)超調(diào)或超調(diào)量非常小。由仿真實(shí)驗(yàn)圖 4 46 分析得：當(dāng)電機(jī)的定子電阻發(fā)生改變時(shí)，自適應(yīng)模糊 PI 控制系統(tǒng)電機(jī)轉(zhuǎn)速平穩(wěn)無超調(diào)。傳統(tǒng)的 PI 控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)速響應(yīng)出現(xiàn)較大的超調(diào)量，在這種情況下傳統(tǒng)的 PI 控制器參數(shù)要進(jìn)行重新的計(jì)算和整定，但要確保轉(zhuǎn)速響應(yīng)無超調(diào)且快速性好的 PI 參數(shù)很難確定。自適應(yīng)模糊 PI 控制系統(tǒng)中的模糊控制器在電機(jī)運(yùn)行中，不斷的檢測(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)速和給定值之間的偏差 e 和轉(zhuǎn)速偏差變化率 e ，并通過給定的模糊控制推理對(duì)電動(dòng)機(jī)的 PI 控制器的參數(shù)進(jìn)行在線調(diào)整，從而實(shí)現(xiàn)了變參數(shù)的 PI 控制控制。使電機(jī)速度響應(yīng)具有魯棒性強(qiáng)、上升時(shí)間快且無超調(diào)的動(dòng)態(tài)性能。 該算法控制的永磁同步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，轉(zhuǎn)速響應(yīng)在最快的上升時(shí)間下確保轉(zhuǎn)速無超調(diào)，對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的改變不敏感，魯棒性強(qiáng)。采用自適應(yīng)模糊 PI 控制的電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)在恒壓供水設(shè)備中得到廣泛的應(yīng)用。該控制方法確保水泵轉(zhuǎn)速調(diào)制無振蕩、無超調(diào)、調(diào)節(jié)數(shù)少，使供水水壓穩(wěn)定、節(jié)電率高、性能優(yōu)越、泵及聯(lián)接軸損壞率低，設(shè)備壽命長且成本較低。 通過仿真實(shí)驗(yàn)證實(shí)， 自適應(yīng)模糊控制器通 過模糊推理產(chǎn)生模糊基函數(shù)，通過構(gòu)建等效控制器，可使未知的非線性系統(tǒng)在線逼近參考模型，可以實(shí)現(xiàn)模型參考自適應(yīng)，系統(tǒng)輸出響應(yīng)受電機(jī)轉(zhuǎn)子軸上的總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、摩擦系改變和負(fù)載突變的影響不敏感，系統(tǒng)仍能很好跟蹤參考模型的輸出信號(hào)，使控制系統(tǒng)具有較強(qiáng)的魯棒性和抗擾動(dòng)性能強(qiáng)。 該控制算法主要用于對(duì)高度不確定、強(qiáng)耦合、非線性及多變量對(duì)象的進(jìn)行控制。 本章小結(jié) 本章在自適應(yīng)模糊控制理論的基礎(chǔ)上，建立了 MATLAB\SINULINK 的系統(tǒng)仿真模型?；谟来磐诫妱?dòng)機(jī)的矢量控制，對(duì)模糊自適應(yīng) PI 的控制調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行了仿 真實(shí)驗(yàn)，通過與傳統(tǒng)的 PI 控制系統(tǒng)進(jìn)行比較，模糊自適應(yīng) PI 的控制器可以根據(jù)被控系統(tǒng)負(fù)載和參數(shù)的變化對(duì) PI 控制器的參數(shù)進(jìn)行修整，達(dá)到上升時(shí)間快而無超調(diào)或超調(diào)很小。 采用自適應(yīng)模糊控制器，只要給出合理的模糊規(guī)則，或選定適當(dāng)?shù)哪：瘮?shù)，選擇好參考模型及參考信號(hào)，被控系統(tǒng)的輸出響應(yīng)就能夠很好的跟蹤參考信號(hào)，以實(shí)現(xiàn)模型參考自適應(yīng)，當(dāng)系統(tǒng)的參數(shù)發(fā)生突變時(shí)系統(tǒng)仍然具有很好的動(dòng)、靜態(tài)性能。 陜西科技大學(xué)畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)說明書） 28 5 總結(jié) 與展望 總結(jié) 隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，永磁同步電動(dòng)機(jī)作為新一代的控制電機(jī)在高性能傳動(dòng)系統(tǒng)中獲得了越來越廣 泛的應(yīng)用，其優(yōu)越的特性和節(jié)能效果使其在一定的功率范圍取代異步電動(dòng)機(jī)，但對(duì)于控制精度要求較高或?qū)ο笞兓瘡?fù)雜時(shí)，由于系統(tǒng)固有的非線性和時(shí)變性，傳統(tǒng)的控制方式難以滿足要求。本文在永磁同步電動(dòng)機(jī)矢量控制的基礎(chǔ)上，論述了自適應(yīng)模糊控制在其調(diào)速系統(tǒng)中的應(yīng)用。其目的是實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的高性能的控制，即提高被控系統(tǒng)對(duì)參數(shù)突變和負(fù)載擾動(dòng)的魯棒性，提高控制器的快速性和穩(wěn)定性，控制器參數(shù)能夠在線自動(dòng)調(diào)整，從而提高系統(tǒng)的抗干擾能力。 本文對(duì)自適應(yīng)模糊 PI 控制器的工作原理進(jìn)行了研究，并建立了基于矢量控制的 PI調(diào)速系統(tǒng)，在 MATLAB\SIMULINK 環(huán)境下設(shè)計(jì)了自適應(yīng)模糊 PI 控制器，對(duì)所建的自適應(yīng)模糊 PI 控制系統(tǒng)進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)及分析，通過仿真實(shí)驗(yàn)證明采用自適應(yīng)模糊 PI 控制的永磁同步電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的性能優(yōu)于傳統(tǒng)的 PI 控制。針對(duì)永磁同步電動(dòng)機(jī)對(duì)象模型非線性、耦合性強(qiáng)，難于建立精確數(shù)學(xué)模型的特點(diǎn)，本文采用一種間接型自適應(yīng)模糊控制器對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控