自適應模糊PID控制在PLC變頻調速同步測試中的應用

孫曉明， 馬 青， 曹 虎， 吳 杰， 柏瑞卿

(江陰職業技術學院電子信息工程系，江蘇 江陰 214405)

0 引言

電機同步控制目前在電氣傳動控制裝備中應用比較廣泛，譬如包裝機械、農業機械、煤礦設備、數控機床、紡織印染機械、機器人控制等領域[1-2]。伺服電機控制在電機同步控制中可以實現較高的控制精度，有相對成熟的控制方式，缺點是電機輸出功率較小，成本較高。異步電機變頻控制以優異的調速性能，輸出功率范圍廣，高效節能等諸多優點[3]是應用最多的電機控制方式。同時采用異步電機實現同步控制是目前重點研究方向，由此期望降低成本，提高同步控制驅動能力。本文采用電機主從控制結構，構建轉速自適應模糊PID控制器，以PLC、變頻器、異步電機、編碼器構成電機同步測試平臺，通過PLC變頻器串口通訊，實現異步電機同步控制。

1 同步控制系統構成

電機同步控制系統結構圖如圖1所示。由旋轉編碼器產生的脈沖信號，經PLC高速計數器計數測量處理得到的實際轉速與給定轉速形成偏差信號，經過在PLC中設計的控制器處理，通過RS485通訊口輸出控制變頻器驅動異步電機，實現電機轉速閉環控制[4]。

圖1 電機同步控制系統結構圖

采用的主從控制方式[5-7]結構圖如圖2所示，系統中的兩臺電機，一臺作為主電機，另一臺作為從電機。主電機由系統給定轉速輸入信號，從電機將主電機實際轉速信號作為輸入信號。

圖2 主從控制方式結構圖

主從同步控制中，從電機只需要跟蹤主電機轉速信號，從電機可以根據具體情況，選擇與主電機不同的控制方式，使整個同步控制性能更容易調整，從而達到更好的同步控制效果。主從同步控制方式存在缺點，從電機波動會引起不同步。為了獲得更好的同步效果，主電機控制方式采用常規PID控制，從電機控制方式采用自適應模糊PID控制[8]。另外，實際控制起動時需要對從電機預置設定值，因為從電機起動時不能做到立刻跟隨，需要一段極短時間調整，預設值由仿真及實際測試獲得。

2 自適應模糊PID控制器設計

自適應模糊PID控制器由參數模糊化、模糊推理、參數解模糊、PID控制器等組成，見圖3。n1為控制器輸入量即主電機轉速，n2為控制器輸出量即從電機轉速。控制器工作時，不斷檢測轉速偏差信號e和偏差信號變化率ec，根據模糊規則及在線自校正從而獲得PID 3個參數，以期獲得系統更好動靜態性能[9-11]。

自適應模糊PID控制器選擇偏差絕對值|e|和偏差變化率絕對值|ec|為輸入變量，輸入變量取L、M、H(小、中、大)，模糊子集為，其隸屬函數分別如圖4、5所示。

圖3 自適應模糊PID控制器

圖4 |e|隸屬函數

圖5 |ec|隸屬函數

根據隸屬函數及實際經驗，設計模糊控制規則見表1，同時設計PID參數模糊矩陣，獲得修正參數Δkp，Δki，Δkd，修 正 參 數 模 糊 子 集 為 Δkp，Δki，Δkd={ L ，M，H}。

表1 模糊規則表

修正參數代入下式計算，實現對PID 3個參數的在線自校正:kp=kp/+Δkp;ki=ki/+Δki;kd=kd/+Δkd，其中 kp/、ki/、kd/為常規PID整定參數。

3 電機轉速測量

要實現高精度的同步控制，電機轉速測量是至關重要的。本文采用M法測速，在規定時間內測量所產生的脈沖個數來獲得被測速度[12]。

選用的西門子PLC224XP集成2個精度為1 ms的定時器(T32、T96)，最大誤差1個脈沖，用T32、T96截取50 ms時間間隔，計時開始時高速計數器HSC的值放入VD0，計時結束時把HSC的值放入VD1，VD1減VD0的值即為50 ms內的脈沖數Δm，這里高速計數器HSC選擇AB相正交工作方式，SMB47=16#F8，為4倍計數方式，同時選擇的旋轉編碼器分辨率為720 P/r，所以轉速 n為

4 同步仿真與測試

應用Matlab建立同步仿真模型[13]，對常規PID控制及自適應模糊PID控制主從電機轉速波形進行仿真，給定轉速1 000 r/min，圖6為常規PID控制主電機轉速仿真波形，圖7為自適應模糊PID控制從電機轉速仿真波形。從仿真可以看到，自適應模糊PID控制比常規PID控制有更好的動態性能。

圖6 常規PID控制主電機轉速仿真波形

圖7 自適應模糊PID控制從電機轉速仿真波形

同步測試平臺具體設備型號及參數如下:PLC選用西門子PLC224XP;變頻器采用三菱變頻器 FRE740-1.5 kW;三相異步電機型號 Y90S-4，額定功率1.1 kW，額定電流 2.8 A，額定轉速 1 400 r/min;旋轉編碼器型號歐姆龍E6C2-CWZ3E，分辨率720 P/r，配DP4-FR1轉速數顯表。同時設定相關參數[14-15]并測試，測試數據見表2。從測試數據可以看到，主從電機存在同步誤差，但誤差較小，低于0.5%，同步控制效果較好。

表2 同步測試數據

5 結語

針對變頻調速異步電機同步控制問題，采用主從控制方式，構建自適應模糊PID控制器，應用Matlab得到主從電機同步轉速仿真波形。同時搭建由PLC、變頻器、異步電機、編碼器的同步測試平臺。測試數據表明，同步控制效果較好，構建的自適應模糊PID控制器及控制方案是可行的。

[1] 崔皆凡，邢 豐，趙 楠，等.基于模糊控制器的改進耦合多電機同步控制[J].微電機，2011，44(3):75-77.CUI Jie-fan，XING Feng，ZHAO Nan，et al.The Improved Coupling Multi-motor Synchronous Control Based on Fuzzy Controller[J].Micromotors，2011，44(3):75-77.

[2] 黃建春，蔡明山，陳日新，等.基于PLC的牲豬屠宰生產線三線同步控制[J].測控技術2012，31(8):43-45.HUANG Jian-chun，CAI Ming-shan，CHEN Ri-xin，et al.Three-Wire Synchronous ControlSystem Based on PLC Used forKetone Dissection Production Lines[J]. Measurement ＆ Control Technology，2012，31(8):43-45.

[3] KIM B H. Synchronous speed control apparatus of motor，synchronizing and driving plurality of motors with same speed[C]//Electromechanical Transducers and Small Machines，LG ELECTRONICS INC(GLDS)，2006:321-322.

[4] 李鳳閣，林景波，佟為明，等.基PLC和變頻器的同步控制實驗系統[J].實驗技術與管理，2011，28(11):32-35 LI Feng-ge，LIN Jing-bo，TONG Wei-ming，et al.Experimental system of synchronous control based on PLC and inverter[J].Experimental Technology and Management，2011，28(11):32-35.

[5] Turl G. SummerM. A Multi-induction-motorDrive Strategy Operating in the Sensor Less Mode[C]//36th IAS Annual Meeting.Chicago，2001:1232-1239.

[6] 馮建修，馮婧怡.多電機同步傳動系統的控制策略及實現[J].電氣傳動，2012，42(7):64-68.FENG Jian-xiu，FENG Jing-yi.Control Strategy and Realization for Multi-motor Synchronous Transmission System[J].Electric Drive，2012，42(7):64-68.

[7] 陳慶偉，郭 毓，楊 非，等.雙電機同步聯動控制系統[J].南京理工大學學報(自然科學版)，2005，29(S1):103-107.CHEN Qing-wei， GUO Yu， YANG Fei，etal. Double-motor Synchronizing Drive ControlSystem[J]. JournalofNanjing University of Science and Technology，2005，29(Z1):103-107.

[8] 鄭德忠，陳建偉，金賀榮.翻車機雙電機同步驅動自適應控制研究[J].控制工程，2008，15(5):580-582.ZHENG De-zhong，CHEN Jian-wei，JIN He-rong.Self-adaptive Control for Synchronized Drive of Dual Motors in Car Dumper[J].Control Engineering of China，2008，15(5):580-582.

[9] Xu Lin，Jiang Yan，Wang Jianhui，et al.Design of fuzzy-PID controller based on prediction model and its realization in PLC[C]//Chinese Control and Decision.Conference，2008，:3808-3811

[10] 段鐵群，王 萍，黃宇輝，等.基于PLC的模糊自整定PID參數控制器在變頻調速恒壓供氣系統中的應用[J].電機與控制學報，2003，7(4):348-351.DUAN Tie-qun，WANG Ping， HUANG Yu-hui，etal. The applicationg of PID fuzzy self-setting parameter controller to variable frequency speed control constant pressure air feeding system[J].Electric Machines and Control，2003，7(4):348-351.

[11] 劉金琨.先進PID控制及其Matlab仿真[M].北京:電子工業出版社，2003.

[12] 李曉海，南新元，謝麗蓉.基于高速脈沖計數器的電機轉速測量系統設計[J].微電機，2012，45(2):72-74.LI Xiao-hai，NAN Xin-yuan，XIE Li-rong.Design on Motor Speed Measurement System Based on High Speed Pulse Count[J].Micromotors，2012，45(2):72-74.

[13] 鄧麗娜.交流異步電機變頻調速同步傳動算法研究[D].長春:吉林大學，2008.

[14] 謝 維.PLC的PID自整定技術研究與實現[J].計算機測量與控制，2009，17(8):1544-1547.XIE Wei.Research andImplementationofPID Auto-tuning Technique of PLC[J].Computer Measurement＆ Control，2009，17(8):1544-1547.

[15] 胡 樂，李會軍，方灶軍，等.基于PLC的PID參數自整定[J].控制工程，2008，15(S1):14-15.HU Le，LI Hui-jun，FANG Zao-jun，et al.PID Parameters Autotuning Based on PLC[J].Control Engineering of China，2008，15(S1):14-15.