基于和利時PLC的交流電機模糊軟啟動實驗系統(tǒng)設計

周震

摘??要：提出了基于和利時LM小型PLC對實驗室環(huán)境下的小功率交流電動機進行的模糊控制，從而實現軟啟動實驗系統(tǒng)。實驗系統(tǒng)在自制和利時PLC實驗臺的基礎上，以LM3108K為核心單元，通過模糊控制算法控制三相智能交流調壓模塊，對交流電動機的帶載啟動實現了軟啟動控制。從實驗結果看，本實驗系統(tǒng)及其程序設計可達到預期目標，具有一定的參考、借鑒意義。

關鍵詞：模糊控制;軟啟動;LM3108K;智能交流調壓模塊

中圖分類號：TM571???????????????文獻標識碼：A???????????????DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.14.005

交流電動機在全壓直接啟動過程中，啟動電流可達到額定電流的4～8倍，但啟動轉矩僅能達到額定轉矩的0.5～1.5倍。為了限制啟動電流對電動機自身和電網的影響，軟啟動控制方式得到了普遍應用。軟啟動控制系統(tǒng)可分為開環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)兩種基本結構。在閉環(huán)控制系統(tǒng)中，傳統(tǒng)的控制方式采用閉環(huán)PID算法對交流電動機進行恒流軟啟動。但交流電動機在啟動過程中的電流和主電路中的晶閘管調壓電路的控制電壓之間的數學模型很難確定，同時，交流電動機本身參數的耦合性很強，是高階非線性的被控對象，因此，采用PID控制參數調試的過程較長，很難取得理想的控制效果。在智能控制算法中，模糊控制理論以模糊數學和模糊語言形式表達為難以建立精確數學模型的被控對象的模糊控制規(guī)則。由于模糊控制規(guī)則可根據大量的經驗結論和操作方法提煉，所以，其描述對于被控對象的控制而言，不需要基于精確的數學模型，同時，在表達方式上更接近人對事物處理判斷的模糊控制思維。因此，?交流電動機的軟啟動過程中，采用基于模糊控制規(guī)則的模糊控制能更好地獲得預期的控制效果。基本的模糊控制系統(tǒng)的組成如圖1所示。

圖1??模糊控制系統(tǒng)組成框圖

控制系統(tǒng)中的模糊控制器可以采用單片機、PLC或其他計算機裝置實現模糊控制算法。在前期完成的自制和利時PLC實驗臺的基礎上，結合和利時PLC模塊的特點，對實驗室環(huán)境下的小功率交流電動機模糊軟啟動進行了研究，提出了可行的模糊軟啟動控制實驗方案。

1??實驗系統(tǒng)硬件方案

實驗系統(tǒng)采用實驗臺上的和利時LM3108KCPU模塊和三相交流調壓實驗區(qū)器件組建交流電動機的模糊軟啟動控制系統(tǒng)，如圖2所示。

圖2??模糊軟啟動控制系統(tǒng)

在實驗系統(tǒng)中，LM3108KCPU本機提供8點繼電器型DO，電壓型AI和AO均為0～10?VDC輸入/輸出信號，精度為1%FS。交流量的公共端子為2M和3M，三相電壓電流輸入信號范圍為0～14?VAC，精度為1%FS。實驗用受控交流電動機的額定功率為750?W，額定電流為2.19?A，定子三相繞組接成星形方式，交流電動機加載器為可控磁粉制動器。三相智能交流調壓模塊可接受LM3108K的一路AO信號，從而對交流電動機進行調壓控制。

2??模糊控制算法說明

在模糊算法中，對于模糊輸入變量和模糊輸出變量，其模糊化等級通常取{0，±1，±2，…，±m(xù)}，同時，將對應等級的模糊子集取為以下幾種情況之一。

e={負大，負小，零，正小，正大}={NB，NS，ZO，PS，PB};e={負大，負中，負小，零，正小，正中，正大}={NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB};e={負大，負中，負小，零負，零正，正小，正中，正大}={NB，NM，NS，NZ，PZ，PS，PM，PB};e={負很大，負大，負中大，負中，負中小，負小，負很小，零負，零正，正很小，正小，正中小，正中，正中大，正大，正很大}={NVB，NB，NMB，NM，NMS，NS，NVS，NZ，PZ，PVS，PS，PMS，PM，PMB，PB，PVB}。

在實驗中，取交流電機定子電流偏差ei對應的模糊變量為Ei，電流偏差變化率為eiC=de/dt，對應的模糊變量為EiC。將模糊輸入變量Ei的模糊化等級取m=3，模糊子集取上述第2種情況，且將每個模糊子集用三角形隸屬度函數模糊化。將模糊輸入變量EiC的模糊化等級取3，模糊子集取上述第1種情況，且將每個模糊子集用三角形隸屬度函數模糊化。模糊控制器的輸出量為控制晶閘管模塊的控制電壓uC，其對應的模糊變量為UC。模糊控制器的輸出量的模糊化等級取m=3，模糊子集取上述第2種情況，采用高斯型隸屬度函數與每個模糊子集對應。結合交流電動機的恒流軟啟動控制經驗，實驗系統(tǒng)的控制規(guī)則采用模糊規(guī)則表表示，如表1所示。根據模糊控制規(guī)則表，按照第一類推理方式可求得總的模糊關系R，可進行模糊推理，并采用加權平均法解模糊得到1張模糊控制查詢表，如表2所示。設定輸入變量電流偏差ei的實際變化范圍為[-eimax，+eimax]，輸入變量電流偏差變化率eiC的實際變化范圍為[-eiCmax，+eiCmax]，輸出變量控制電壓uC的實際變化范圍為[0，5?V]。需要將輸入量的精確量按照式（1）將其轉換到對應的論域區(qū)間[-3，+3]，并按照轉換后的等級查詢模糊控制查詢表中對應的輸出量模糊等級。最后將輸出量通過式（2）得到實際的輸出控制電壓，用于調節(jié)交流電動機的三相定子電壓。具體轉換公式如下：

（1）

（2）

式（1）（2）中：e為精確量，e∈[a，b];為離散后的精確量，∈[-3，+3]。

表1??模糊控制規(guī)則表