基于模糊控制的感應電機直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)

摘 要:根據(jù)直接轉(zhuǎn)矩控制理論，在Matlab 6.5/Simulink下構造了一個感應電機直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的仿真模型。為改善感應電機系統(tǒng)的動、靜態(tài)品質(zhì)，設計了模糊自適應PI速度調(diào)節(jié)器，根據(jù)速度偏差與偏差變化率，通過模糊推理在線調(diào)整PI參數(shù)，提高系統(tǒng)的調(diào)速性能。仿真結(jié)果表明，這種模糊控制器具有比常規(guī)PID控制器更好的控制效果。

關鍵詞:模糊控制; 直接轉(zhuǎn)矩控制; 感應電機; 速度調(diào)節(jié)器

中圖分類號:TN919-34文獻標識碼:A

文章編號:1004-373X(2010)21-0151-03

Direct Torque Control System of Induction Motor Based on Fuzzy Control

LIN Hui

(Xi’an Railway VocationalTechnical Institute， Xi’an 710014， China)

Abstract: A simulation model of the direct torque control (DTC) system for induction motors was constructed with Matlab 6.5/Simulink according to the principle of direct torque control. In order to improve the static and dynamic perfor-mances of induction motors， a novel fuzzy adaptive PI regulator is proposed， which adopts a fuzzy controller to modify the PI parameter according to the speed error and its vary rate， and improves the speed control performance effectively. The simulation results show that the fuzzy controller has better control effect in comparison with the conventional PID controller.

Keywords: fuzzy control; direct torque control; induction motor; speed regulator

0 引 言

直接轉(zhuǎn)矩控制 (DTC) 是繼矢量控制技術之后又一先進電機控制技術，其結(jié)構簡單、對電機參數(shù)不敏感、轉(zhuǎn)矩響應迅速而被廣泛應用[1]。感應電動機直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)中，速度控制器大都是用PID控制器，傳統(tǒng)的PID控制技術不能有效克服因電機參數(shù)變化、負載變化和非線性因素帶來的影響，而模糊控制適應非線性時變、滯后系統(tǒng)的控制，具有魯棒性強的優(yōu)點[2]。在常規(guī)PID速度調(diào)節(jié)器由于參數(shù)固定而無法滿足系統(tǒng)高性能調(diào)速的要求時，引入模糊控制技術構造速度模糊控制器，設計了一種模糊自適應PI速度調(diào)節(jié)器，根據(jù)速度偏差與偏差變化率，通過模糊推理在線調(diào)整PI參數(shù)，有效地改進了直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)性能，達到了較好的控制效果。

1 直接轉(zhuǎn)矩控制基本原理



直接轉(zhuǎn)矩控制的核心思想是以轉(zhuǎn)矩為中心來進行磁鏈、轉(zhuǎn)矩的綜合控制。它不需要解耦電機數(shù)學模型，而強調(diào)對電機轉(zhuǎn)矩進行直接控制，即用空間矢量的分析方法，直接在定子坐標系計算和控制交流電動機的轉(zhuǎn)矩。直接轉(zhuǎn)矩控制的結(jié)構原理如圖1所示，它由磁鏈估算、轉(zhuǎn)矩估算、磁鏈位置估算、開關表和調(diào)節(jié)器、逆變器等部分組成。其工作過程如下:首先由檢測單元檢測出電機定子電流和電壓值、實際轉(zhuǎn)速ω，然后輸入到感應電機數(shù)學模型模塊計算出Ψα，Ψβ和實際轉(zhuǎn)矩值Te。Ψα和Ψβ通過磁鏈計算單元，得到定子磁鏈Ψs的幅值|Ψs|和所在區(qū)間信號SN。實際轉(zhuǎn)速ω和給定轉(zhuǎn)速ω*通過轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器得到轉(zhuǎn)矩給定值Te*。實際轉(zhuǎn)矩Te與轉(zhuǎn)矩給定值Te*經(jīng)轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器處理后得到轉(zhuǎn)矩開關信號TQ。磁鏈給定值|Ψs*|與磁鏈反饋值|Ψs|經(jīng)磁鏈調(diào)節(jié)器處理后產(chǎn)生磁鏈開關信號ΨQ[3]。開關信號選擇單元綜合ΨQ，TQ和SN，通過查表的方式得到逆變器開關信號SUabc來控制逆變器提供合適的電壓驅(qū)動感應電機運行。

2 模糊直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)設計

模糊控制是一種典型的智能控制方法，以模糊集合論、模糊語言變量及模糊邏輯推理為基礎的一種計算機數(shù)字控制，其基本思想是把人類專家對特定被控對象或過程的控制策略總結(jié)成一系列控制規(guī)則，通過模糊推理得到控制作用集，作用于被控對象或過程[4]。與傳統(tǒng)的控制方法相比，模糊邏輯控制無需系統(tǒng)的精確數(shù)學模型，具有魯棒性強，控制性能好的優(yōu)點，更適合對復雜、非線性時變、滯后系統(tǒng)的控制[5]。模糊自適應PI速度調(diào)節(jié)器由常規(guī)PI控制器和模糊控制器兩部分組成，其原理如下:模糊控制器選用速度誤差e和速度誤差變化率ec作為輸入變量，利用模糊規(guī)則經(jīng)過模糊推理，輸出比例修正系數(shù)ΔKP、積分修正系數(shù)ΔKI，以在線實時調(diào)整PI控制器的參數(shù)，進而產(chǎn)生給定轉(zhuǎn)矩Te*信號，送入DTC控制系統(tǒng)對感應電機轉(zhuǎn)速進行控制。圖2給出了系統(tǒng)的原理圖[6]。

圖1 感應電機直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)基本原理圖

圖2 基于模糊自適應PID速度調(diào)節(jié)器的

感應電機DTC系統(tǒng)原理圖

2.1 模糊變量

本模糊控制器采用兩個輸入變量和兩個輸出控制量。兩個模糊輸入變量分別為速度誤差、速度誤差變化率，分別用e和ec表示，輸出控制量為比例修正系數(shù)和積分修正系數(shù)，分別用ΔKP和ΔKI表示。e包含7個模糊子集，相應的語言變量為:負大(NB)、負中(NM)、負小(NS)、零(Z)、正小(PS)、正中(PM)和正大(PB)，論域為[-1，+1]，隸屬分布函數(shù)如圖3所示。

圖3 速度誤差隸屬函數(shù)

ec包含3個模糊子集，相應的語言變量為:負(N)、零(Z)和正(P)，論域同樣為[-1，+1]，隸屬函數(shù)如圖4所示。

ΔKP，ΔKI分別包含4個模糊子集，相應的語言變量為:零(Z)、小(S)、中(M)、大(B)，論域為[0，1]，隸屬函數(shù)如圖5所示。

圖4 速度誤差變化率隸屬函數(shù)

圖5 比例修正系數(shù)和積分修正系數(shù)隸屬函數(shù)

2.2 模糊控制規(guī)則

模糊PI參數(shù)自整定基本原則如下[7]:

(1) 當系統(tǒng)偏差(e)較大時，為使系統(tǒng)盡快消除偏差，不管ec的符號如何，都應取較大的KP和KI，以達到縮小偏差的目的。

(2) 當系統(tǒng)偏差(e)是適中時，為防止系統(tǒng)超調(diào)過大，應取較小的KP，同時為保證一定的響應速度，KI要選取適中的數(shù)值。

(3) 當系統(tǒng)偏差(e)較小或為零時，為縮短系統(tǒng)的調(diào)節(jié)時間，應選取適中的KP和較小KI的數(shù)值。根據(jù)上述調(diào)整規(guī)則和多次仿真結(jié)果，模糊控制器的控制規(guī)則如表1所示。

表1 ΔKP/ΔKI控制規(guī)則表

ec

e

NBNMNSZOPSPMPB

NB/ZM/SS/MM/BS/MM/SB/Z

ZB/ZM/SS/MB/BS/MM/SB/Z

PB/ZM/MM/BB/BM/BM/MB/Z

2.3 模糊推理和模糊決策

模糊推理采用Mamdani推理方法，采用最大隸屬度所對應的輸出為控制量，得到KP，KI的最終輸出值，其控制規(guī)則采用“If e=E and ec=Ec then ΔKP and ΔKI”的形式。

參照表1可得21條控制規(guī)則[8]。

如“If e=PB and ec=P then ΔKP=B and ΔKI=Z”，輸出量為比例修正系數(shù)ΔKP和積分修正系數(shù)ΔKI，在線調(diào)節(jié)PI參數(shù)，達到實時控制的目的。

3 仿真結(jié)果

為了驗證新型控制系統(tǒng)的正確及優(yōu)越性，選用三相鼠籠式感應電機參數(shù)為:Pn=2.5 kW，us=380 V，f=50 Hz，nr=1 400 r/min，Rs=1.85 Ω，Rr=2.658 Ω，Ls=0.294 H，Lr=0.289 8 H，Lm=0.283 8 H，np=2，J=0.01 kg#8226;m2。在Matlab 6.5中，使用Simulink庫和Power System Blocket庫提供的模塊來構成系統(tǒng)仿真模型。參照前文分析，搭建的仿真模型如圖6所示。

圖6 模糊自適應PI速度調(diào)節(jié)器仿真模型

為了驗證模糊自適應PI速度調(diào)節(jié)器的有效性，在兩種相同工況下與常規(guī)PI速度調(diào)節(jié)器進行了比較。

圖7，圖8分別給出模糊自適應PI與常規(guī)PI在給定速度發(fā)生變化(1 000-100-500) r/min和負載發(fā)生變化時(0-15-5)N#8226;m的速度響應波形。

圖7 在給定速度變化時，模糊自適應PI

與常規(guī)PI速度響應結(jié)果對比

通過結(jié)果對比可以發(fā)現(xiàn)，采用模糊自適應PI速度調(diào)節(jié)器的DTC系統(tǒng)速度響應快，超調(diào)小，穩(wěn)態(tài)性能好，有良好的干擾抑制能力和魯棒性，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)性能獲得了明顯提高，模糊自適應PI控制具有更佳的控制效果。

圖8 在給定負載變化時模糊自適應PI

與常規(guī)PI速度響應結(jié)果對比

4 結(jié) 論

本文將模糊控制方法應用于感應電機的直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)中，針對常規(guī)PI速度調(diào)節(jié)器因參數(shù)固定而無法滿足系統(tǒng)高性能調(diào)速的要求，設計了模糊控制與PI控制相結(jié)合的模糊自適應PI速度調(diào)節(jié)器控制系統(tǒng)，取代傳統(tǒng)PID控制。在Matlab/Simulink環(huán)境下建立了系統(tǒng)的仿真模型。仿真結(jié)果表明，該方法不僅能夠提高系統(tǒng)的調(diào)速性能，而且還提高了系統(tǒng)的抗干擾能力，證明了系統(tǒng)的可行性和正確性。

參考文獻

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