基于模糊自適應(yīng)整定PI感應(yīng)電動(dòng)機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制的研究

湯仁彪

（江陰職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子系,江蘇 江陰 214405）

1 引言

一般直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)中的速度調(diào)節(jié)器采用傳統(tǒng)的PI控制器，在確定PI參數(shù)的過(guò)程中，由于PI參數(shù)的整定值具有一定局域性的優(yōu)化值,而不是全局性的最優(yōu)值，因此，PI控制無(wú)法從根本上解決動(dòng)態(tài)品質(zhì)和穩(wěn)態(tài)精度的矛盾［1］。特別是對(duì)于高精度、高動(dòng)態(tài)性能的調(diào)速，傳統(tǒng)的PI控制不能滿足其要求。相比之下，模糊參數(shù)自適應(yīng)控制器利用模糊推理,實(shí)時(shí)調(diào)整PI參數(shù),可以使PI控制適應(yīng)異步電動(dòng)機(jī)運(yùn)行過(guò)程的變化,獲得了良好的控制性能［9、10］。本文在MATLAB中用M文件建立了一種模糊推理系統(tǒng)，利用SIMULINK/PLECS對(duì)異步電動(dòng)機(jī)的直接轉(zhuǎn)矩控制進(jìn)行了模糊自適應(yīng)PI控制的仿真研究，并且對(duì)傳統(tǒng)PI速度調(diào)節(jié)器進(jìn)行比較，驗(yàn)證了該模糊算法的有效性。

2 異步電動(dòng)機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制基本原理

2.1 異步電動(dòng)機(jī)數(shù)學(xué)模型

在理想假設(shè)條件下，異步電動(dòng)機(jī)在α，β坐標(biāo)下各方程如下［2］。

磁鏈方程：

電壓方程為：

轉(zhuǎn)矩方程：

式中：Lσ=（LsLr-M2）/M2；δsr為定子與轉(zhuǎn)子磁鏈的角度差。pn為電動(dòng)機(jī)的極對(duì)數(shù)。由式（3）可知，只要能快速改變定子磁鏈?zhǔn)噶啃D(zhuǎn)速度，就可以獲得快速的電磁轉(zhuǎn)矩動(dòng)態(tài)響應(yīng)。

2.2 異步電動(dòng)機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)框圖

異步電動(dòng)機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)框圖如圖1所示［3］。它包括速度調(diào)節(jié)器、轉(zhuǎn)矩控制、磁鏈控制等。該系統(tǒng)采用定子磁場(chǎng)定向，在α，β坐標(biāo)系下計(jì)算和控制異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩，將實(shí)際轉(zhuǎn)矩、磁鏈分別與給定值進(jìn)行比較，定子磁鏈與電磁轉(zhuǎn)矩控制的兩個(gè)狀態(tài)切換分別由兩個(gè)滯環(huán)比較器實(shí)現(xiàn)，形成轉(zhuǎn)矩、磁鏈的閉環(huán)控制。

圖1 直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)框圖

3 模糊自適應(yīng)PI控制器的設(shè)計(jì)

3.1 自適應(yīng)模糊PI控制器結(jié)構(gòu)

模糊自適應(yīng)PID控制系統(tǒng)主要由參數(shù)可調(diào)整PID和模糊推理系統(tǒng)兩部分組成［5］，以誤差e和誤差變化率ec作為模糊控制器的輸入，根據(jù)PI參數(shù)Kp和Ki與E和EC之間的模糊關(guān)系，在運(yùn)行中不斷地檢測(cè)e和ec，根據(jù)模糊控制原理把ΔKp、ΔKi作為輸出量，從而對(duì)這2個(gè)參數(shù)進(jìn)行在線修改，以滿足不同的E和EC對(duì)PI控制參數(shù)的不同要求，從而使系統(tǒng)具有良好的動(dòng)、靜態(tài)性能和抗干擾能力，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 自適應(yīng)模糊控制器結(jié)構(gòu)

3.2 模糊控制器的規(guī)則庫(kù)

Fuzzy Logic Control的設(shè)計(jì)是將速度誤差e、誤差變化率ec，相應(yīng)的模糊變量E、Ec的論域量變化在［-3，3］，共為7個(gè)等級(jí)，取如下7個(gè)語(yǔ)言變量｛PB（正大），PM（正中），PS（正小），Z（零），NS（負(fù)小），NM（負(fù)中），NB（負(fù)大）｝［6］。 模糊控制設(shè)計(jì)的核心是總結(jié)工程設(shè)計(jì)人員的技術(shù)知識(shí)和實(shí)際操作經(jīng)驗(yàn)，建立合適的模糊規(guī)則表，然后在Matlab中建立M文件，用模糊邏輯工具箱中的命令得到模糊推理系統(tǒng)［7］。此處共有49條模糊規(guī)則如下:

4 仿真結(jié)果與分析

4.1 仿真模型的建立

圖3 異步電動(dòng)機(jī)的模糊自適應(yīng)控制系統(tǒng)模型

圖4 模糊自適應(yīng)PI控制模型

利用SIMULINK與PLECS搭建了異步電動(dòng)機(jī)的模糊自適應(yīng)控制系統(tǒng)，如圖3所示，其中模糊邏輯推理系統(tǒng)采用前面已建立的系統(tǒng)［8］。速度控制模塊根據(jù)模糊推理系統(tǒng)的輸出實(shí)時(shí)調(diào)整PI控制的參數(shù)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

4.2 仿真結(jié)果

異步電動(dòng)機(jī)的參數(shù)220 V，Nn=1748.3 1/min，In=49.68 A，Pn=14.72 kW，其它采用PLECS中默認(rèn)的參數(shù)仿真時(shí)間設(shè)置為6s。電機(jī)轉(zhuǎn)矩負(fù)載為40N·m，在給定轉(zhuǎn)速180rad/s下起動(dòng)，3s時(shí)給定轉(zhuǎn)速端突加負(fù)載20rad/s的擾動(dòng)，擾動(dòng)時(shí)間為0.2s。異步電動(dòng)機(jī)在常規(guī)PI控制與模糊自適應(yīng)PI控制下的電機(jī)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩曲線如圖5、6所示。

從仿真曲線上分析，常規(guī)PI控制器在受到擾動(dòng)后，轉(zhuǎn)速產(chǎn)生了明顯的變化，而模糊自適應(yīng)PI控制器由于能實(shí)時(shí)在線修改參數(shù)Kp和Ki，轉(zhuǎn)速基本保持穩(wěn)定。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種模糊自適應(yīng)PI控制器，通過(guò)模糊自適應(yīng)PI控制器來(lái)自動(dòng)調(diào)整Kp、Ki兩個(gè)參數(shù)，使控制器具有更好的性能。仿真結(jié)果表明，模糊自適應(yīng)PI控制器與常規(guī)PI控制相比，由于采用了模糊規(guī)則推理實(shí)時(shí)修改PI整定參數(shù)，使得系統(tǒng)各項(xiàng)性能指標(biāo)明顯優(yōu)于普通PI控制器，從而取得了滿意的系統(tǒng)動(dòng)、穩(wěn)態(tài)性能。

圖5 常規(guī)PI控制電機(jī)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩曲線

圖6 模糊自適應(yīng)PI控制電機(jī)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩曲線

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