經GA優化的電機模糊控制系統設計

高志斌,趙繼敏,王 芳

(1.上海交通大學,上海 200240;2.中國礦業大學,徐州 221008)

0 引 言

傳統電機保護控制系統采用交直流混合控制,但因元器件數量眾多,影響整個系統,并使得系統的安全系數有所降低。

在電動機控制回路中,熱繼電器依靠雙金屬片發熱彎曲帶動輔助接點動作而起過流保護的作用,其精確度很低,且在長期使用或受到數次過載沖擊后,工作特性會發生很大變化,經常發生誤動或拒動現象。

本文采用西門子公司的 SIMOCODE pro電動機保護及控制裝置,既能滿足各種控制方式需要,又極大地簡化了控制器設計,用一個部件取代眾多的控制元件,并從根本上解決了熱繼電器這一薄弱的保護環節。

1 控制器設計

傳統的自動控制,包括經典理論和現代控制理論中有一個共同的特點,即控制器的綜合設計都要建立在被控對象精確數學模型的基礎上,但在實際工業生產中,很多系統的影響因素很多,十分復雜,建立精確的數學模型特別困難。而模糊控制不需要建立數學模型,根據實際系統的輸入輸出結果,參考現場操作人員的工作經驗,就可以對系統進行實時控制。模糊控制器具有速度較快、精度較高以及對參數不敏感等優點,魯棒性極強。

在本設計中,我們采用裝有 SIMOCODE ES professional 2004+sp 3軟件的電腦通過PC電纜與基本單元或操作面板連接來上傳、下載及修改內部程序從而進行系統的設計。其總體設計圖如 1所示。

圖1 系統總體原理圖

我們考慮到調節器的復雜性和控制精度的要求,選用以位置誤差及誤差變化率為輸入的二維模糊控制器。這樣既避免了選擇一維控制器的動態性能不佳,也避免了采用三維模糊控制器的過于復雜、難以設計和占用計算機時間長、實時性差等弊端。此外,也會因限制采樣頻率提高,而直接影響控制精度,反而達不到滿意性能。

以E和EC分別代表誤差和誤差變化率的語言變量,V為驅動電壓給定的語言變量。定義逆時針旋轉方向為正,其模糊控制規則如表1所示。

表1 模糊控制規則表

由于輸入偏差E與誤差變化 EC的論域均為[-6,-5,-4,-3,-2,-1,0,1,2,3,4,5,6],故在此論域上定義模糊集為 7個:{NB,NM,NS,Z,S,M,B}。

隸屬函數均采用三角型隸屬函數。其控制器各變量的隸屬函數圖形如圖2所示。

圖2 控制器各變量的隸屬函數圖形

電機的模糊控制表參數我們依據經驗,先設置 n串初始參數,構成初始群體,其中的遺傳算法有以下基本步驟:

(1)k=0,隨機產生 i個串,構成初始群體。

(2)計算各串的適應度(值)fi,i=1,2,…,n。

(3)以下步驟產生新的群體,直到新群體中串的總數達到n;

①以概率fi/-∑fi,fj/-∑fj從群體中選出兩個串Si、Sj。

②以概率 Pc對 Si,Sj進行交換 ,得到新的串 S′i、S′j。

③以概率 Pm使 S′i、S′j中的各位產生突變 。

(4)k=k+1,返回第 2步。

其系統的總體軟件設計流程圖如圖3所示。在電機的模糊控制表形成過程中,隔一段時間給定電機不同的速度,以根據采集到的電機轉速變化曲線通過遺傳算法部分的程序,自動計算出控制器參數的最優化結果,然后待控制器參數較為穩定時,可以將遺傳算法優化部分程序跳過執行,使系統成為單純模糊控制系統,從而達到加快上位機運行速度,減少控制器參數設計中人工開支的作用。

圖3 總體軟件流程圖

2 系統測試

選用測試電動機為ZJD120/42-8,1 200 kW;電樞電壓660 V;額定電流 1 950 A;額定轉速 400 r/min;過載倍數2.0;勵磁電壓 63 V;勵磁電流 88.2 A;磁場電阻 0.716Ω;勵磁回路時間常數 0.992s;電樞轉動慣量 37.356 kN?m2;電樞繞組電阻 Rsd=0.005 91Ω;換向繞組電阻 RHd=0.001 25 Ω;補償繞組電阻RBd=0.002 09Ω;補償聯線電阻 RGd=0.001 87Ω;整個提升系統轉動慣量 135 554 kN? m2。

在從第 1s開始的 10 V的階躍電壓作用下,系統的階躍響應如圖4所示。

圖4 轉速環的階躍響應

觀察電樞電流的起動過程的曲線,如圖5所示。可以看出:突加給定電壓后,轉速調節器很快進入飽和狀態,使電動機在恒流狀態下起動,當轉速上升到給定轉速時,ASR開始退出飽和,直至 Id=Idl。

圖5 電樞電流的起動過程

3 結 語

此算法可以節省控制器設計的時間,提高系統控制部分軟件從開發到部署的速度。并且可以在當 SIMCODE-pro所控制的電機更換時,可以通過GA優化程序很快找到合適控制器參數,提高了工作效率。