雙饋發電機勵磁模糊控制實驗研究

李 嵐 欒曉偉

（太原理工大學電氣與動力工程學院，太原 030024）

1 引言

變速恒頻發電就是在繞線異步發電機的轉子側施加三相低頻交流電以實現交流勵磁，通過控制勵磁電流的幅值、頻率、相位能夠實現輸出電能的恒頻恒壓。傳統的控制方法要求對被控對象建立精確的數學模型，而且過于依靠準確的系統參數，穩定性方面有所欠缺。模糊控制的特點是以自然語言的形式對控制對象傳達控制信息，無須精確的數學模型，且使自然語言能夠轉化為計算機所能接受的算法語言，優秀的實踐操作經驗和專家意見被引進到了控制系統之中，達到控制目的[1-2]。

本文根據雙饋發電系統矢量控制的特點，設計了轉速閉環二維模糊控制器，經過模糊推理計算及清晰化處理，得出轉子有功電流分量。基于TMS320LF2812的雙饋發電機系統實驗平臺，進行了轉速環模糊控制試驗，驗證了轉速閉環模糊控制器設計的正確性，實現了雙饋發電機的變速恒頻控制。

2 雙饋發電系統數學模型

m-t坐標系下，定子側基于發電機慣例，轉子側基于電動機慣例。

采用定子磁場定向矢量控制, 將定子磁鏈矢量1ψ方向作為m軸的正方向。根據文獻[3]中的公式推導，可得雙饋發電機矢量控制基本方程

由式（8）可知，sP、sQ與定子電流t、m軸分量tsi﹑msi成正比,調節tsi﹑msi即可獨立地調節sP、sQ。

表1 語言變量e、ec、u的賦值表

3 模糊控制器設計

模糊控制器在常規控制器基礎上，應用模糊集合理論,由模糊控制器輸出最終控制結果，來保證電機在不同的運行狀態下都能具有良好的動、靜態性能[4]。

典型的模糊控制器組成如圖1所示。

圖1 模糊控制器系統方框圖

3.1 論域及語言變量值

選取偏差E、偏差變化量EC、控制量U的模糊集均為{NB，NM，NS，ZE，PS，PM，PB}，其中，NB、NM、NS、ZE、PS、PM、PB分別為負大、負中、負小、零、正小、正中、正大。

本系統中選隸屬度為正態分布函數，并據此建立語言變量E、EC、U的賦值表如表1所示。

3.2 模糊控制規則

對于采用二維模糊控制器的模糊推理控制系統，其控制規則一般采用“IF andecTHENu”來描述，控制狀態如表2所示。

表2 模糊控制狀態表

3.3 清晰化

模糊推理得到的是一個模糊集合，它反映了控制語言的不同取值。但是，對于實際系統來說，被控對象只能接受一個確定的控制量，因此，必須將控制量變換為實際用于控制的清晰量0u。本文采用加權平均法進行清晰化計算，計算公式為

經計算可以得到模糊控制器控制量值的查詢表，如表3所示。

表3 模糊控制器控制量值查詢表

求得清晰量u0后，還需根據實驗操作經驗，經尺度變換，乘以系數0.66666，變為實際的控制量u'，這就是模糊控制器的最終輸出值，即轉子電流的有功分量itr*，通過u'的調整控制作用，使偏差e盡量小。

4 模糊控制器軟件設計

完成上述準備工作后，基于 TMS320LF2812的雙饋發電機系統實驗平臺上，編寫模糊控制器的程序，設計模糊控制器，系統試驗平臺如圖 2所示。其程序流程圖如圖3所示。

5 實驗結果

基于上述軟、硬件，保證無功功率給定不變，在不同給定轉速下，進行了雙饋發電勵磁模糊控制實驗，測得模糊控制器輸出量itr*及轉子側的電壓。表4給出了給定轉速n?= 1385r/min 時模糊控制器輸出量itr*、轉子側的電壓分量及SVPWM電壓旋轉矢量幅值的關系。

圖2 實驗平臺結構簡圖

表4 模糊控制器輸出值與轉子電壓對照表

圖3 系統程序流程方框圖

根據公式（8）可得，當無功功率給定保持不變時，定子電流的m軸分量ims保持不變，再根據公式（4）可知，此時轉子電流的m軸分量imr保持不變。在這種情況下，保持電機轉速n不變，即保持轉差角速度ωs不變，根據公式（6）、（7）可知，轉子側的電壓分量只與模糊控制器的輸出量itr*有關，即SVPWM電壓旋轉矢量幅值只與模糊控制器的輸出量itr*有關。經過模糊控制器后，不同轉速下轉子側線電壓實測波形如圖4所示。當轉速發生變化時，雙饋發電機定、轉子電流變化波形如圖5所示。

由實驗結果可以看出：

（1）轉差角速度ωs不變，轉子側SVPWM電壓旋轉矢量幅值與轉子側電壓分量隨著模糊控制器輸出量的變化而變化，可見，模糊控制器通過調節器輸出量itr*，達到了控制轉子側電壓的目的，即模糊控制器的作用符合公式的理論推導，在系統調節中起到了作用。

圖4 不同轉速下轉子側線電壓波形

圖5 不同轉速下定﹑轉子電流波形

（2）給定轉速變化時，模糊控制器輸出電流分量及轉子側的電壓都會相應變化，從而使轉子側電流頻率改變，保證了定子輸出電流頻率的恒定。

6 結論

模糊控制是一種非線性控制方式，具有較強的魯棒性，特別適用于控制方式復雜、實際控制系統所在自然環境不易把握、系統穩定性要求高而數學模型卻非線性、多耦合的生產過程。本文在分析了雙饋發電機變速恒頻交流勵磁系統原理的基礎上，基于其控制平臺，設計了轉速閉環的模糊控制器，并通過實驗，證明了此控制器完全滿足雙饋發電機變速恒頻運行的控制要求，為雙饋發電系統模糊控制的進一步研究奠定了基礎。

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