三相異步電機(jī)的模糊自適應(yīng)PID控制系統(tǒng)研究

1、三相異步電機(jī)的模糊自適應(yīng)PID 控制系統(tǒng)研究宋紹樓, 丁永峰(遼寧工程技術(shù)大學(xué) 電氣與控制工程學(xué)院,遼寧 葫蘆島 125105摘要:在傳統(tǒng)PID 控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上,針對(duì)電機(jī)起動(dòng)存在超調(diào)、動(dòng)態(tài)穩(wěn)定慢及精度低等問題,基于三相異步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)采用PID 控制技術(shù)與模糊控制相結(jié)合的模糊自適應(yīng)PID 控制法,對(duì)其進(jìn)行系統(tǒng)研究并與傳統(tǒng)PID 控制系統(tǒng)進(jìn)行比較。然后在電機(jī)起動(dòng)到穩(wěn)態(tài)的情況下進(jìn)行仿真,仿真結(jié)果表明,相比單獨(dú)使用PID 控制器,采用模糊自適應(yīng)PID 控制系統(tǒng)的調(diào)速系統(tǒng)控制性能更好。 關(guān)鍵詞: 異步電機(jī);模糊控制;自適應(yīng)PID ;仿真中圖分類號(hào):TM343;TP391.9 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:AStudy

2、 Of Fuzzy Adaptive PID Control For Three-phase Asynchronous Motor SystemSONG Shao-lou, DING Y ong-feng(College of Electrical and Control Engineering of Liaoning Technical University , Huludao 125105, ChinaAbstract :Based on the traditional PID control system, direct at motor starting problem like ov

3、ershoot ,dynamic stability slower and low accuracy , adopted PID control technology combining with the fuzzy control system named fuzzy adaptive PID control for three-phase asynchronous motor speed control system , and then carry on the system research and compare with the traditional PID control sy

4、stem. conduct of simulation at the time that motor from starting to steady state , the simulation results show that compared with the PID control system independent, the fuzzy adaptive PID control system of performance is better.Keyword :Asynchronous Motor; Fuzzy Control; Adaptive PID ;Simulation 1

5、引言 PID 控制是最早發(fā)展起來的應(yīng)用經(jīng)典控制理論控制策略之一,因其算法簡(jiǎn)單、可靠性高,而被廣泛應(yīng)用于工業(yè)過程控制,尤其適用于可建立精確數(shù)學(xué)模型的確定性控制系統(tǒng)。但是,常規(guī)PID 控制是一種線性控制通常需要依靠準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型,通過實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),確定參數(shù)p K 、i K 和d K 來達(dá)到對(duì)系統(tǒng)的控制。從控制角度看,三相異步電機(jī)是一個(gè)多變量、強(qiáng)耦合、非線性的高階時(shí)變系統(tǒng),它需要在異步電機(jī)定子電流解耦過程中進(jìn)行一個(gè)近似的降階解耦的過程。在實(shí)際控制過程中也經(jīng)常會(huì)遇到滯后、時(shí)變、隨機(jī)干擾,尤其是PID 參數(shù)的整定問題,因?yàn)橐坏﹨?shù)整定計(jì)算好后,它在整個(gè)控制過程中都是固定不變的,有的無法獲得精確數(shù)學(xué)模型等非線

6、性的復(fù)雜系統(tǒng),因此,常規(guī)PID 控制便不能達(dá)到理想的控制效果1。而模糊控制卻不依賴于工業(yè)對(duì)象模型,它不是用數(shù)值變量,而是用語(yǔ)言變量來描述系統(tǒng)特征,并依據(jù)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)信息和模糊控制規(guī)則進(jìn)行推理以獲得合適的控制量,具有較強(qiáng)的魯棒性,不足之處事其控制精度相對(duì)較低。為此,本文將模糊控制和PID 控制有機(jī)地結(jié)合起來,構(gòu)造一類新型的智能控制器,即模糊PID 復(fù)合型控制系統(tǒng)5。它能揚(yáng)長(zhǎng)避短,既具有模糊控制技術(shù)靈活而適應(yīng)性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn),又具有PID 控制技術(shù)精度高的特點(diǎn),拓展了傳統(tǒng)的控制。 2 模糊自適應(yīng)PID 控制器原理 模糊自適應(yīng)PID 控制器以誤差e 和誤差變化率ec 作為輸入,任務(wù)是找出與其與PID 的三個(gè)

7、參數(shù)之間的模糊關(guān)系,在運(yùn)行中不斷檢測(cè)e 和ec ,根據(jù)確定的模糊控制規(guī)則來對(duì)p K 、i K 和d K 三個(gè)參數(shù)進(jìn)行在線調(diào)整2。該控制器可以滿足不同時(shí)刻的e 和ec 對(duì)PID 參數(shù)自整定的要求。圖1所示是其原理的結(jié)構(gòu)框圖。 r模糊控制器PID 控制器控制對(duì)象eecy+-d e d tK i K p K d 圖1 模糊自適應(yīng)PID 控制器原理框圖 整定PID 控制器的表達(dá)式為: (p pp p i ii i dd d dK k K K K k K K K k K K =+=+=+(k-1(k-1(k-1 (1 式中,p 、i 、d 為校正速度。由整定公式可以看出,下一步的控制器參數(shù)可以由當(dāng)前的控

8、制器參數(shù)與模糊推理得出的控制器參數(shù)增量的加權(quán)和構(gòu)成。3 模糊自適應(yīng)PID 控制器設(shè)計(jì)PID 控制系統(tǒng)的關(guān)鍵是PID 參數(shù)整定,傳統(tǒng)方法是在獲取對(duì)象數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上,根據(jù)某一整定原則來確定參數(shù)。但在實(shí)際應(yīng)用中,許多被控過程機(jī)理復(fù)雜,其數(shù)學(xué)模型具有高度非線性、時(shí)變不確定性以及滯后等特點(diǎn)。此外,噪聲、負(fù)載擾動(dòng)等隨機(jī)干擾的影響也使得過程參數(shù)甚至模型結(jié)構(gòu)均會(huì)發(fā)生緩慢變化,所以應(yīng)用傳統(tǒng)的PID 控制無法達(dá)到理想的控制效果3。利用模糊控制與PID 控制技術(shù)有機(jī)地結(jié)合起來,構(gòu)造一類新型的智能控制系統(tǒng),即模糊自適應(yīng)PID 型控制系統(tǒng),它既具有模糊控制的靈活而適應(yīng)性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn),又具有PID 控制精度高的特點(diǎn)。本文轉(zhuǎn)

9、速調(diào)節(jié)器采用模糊自適應(yīng)PID 控制器,以常規(guī)PID 控制為基礎(chǔ),系統(tǒng)首先計(jì)算被控量的誤差e 和誤差變化率ec 作為二維模糊控制器的輸入變量,然后通過模糊化、模糊控制規(guī)則推理、解模糊得到p K 、i K 和d K 的修正量,在控制過程中在線實(shí)時(shí)整定常規(guī)PID 各參數(shù)4。根據(jù)本文控制系統(tǒng)的實(shí)際需要,對(duì)偏差e 、偏差變化ec 和系數(shù)修正量p K 、i K 、d K 的模糊子集及其量化論域定義:e 、ec 和p K 、i K 、d K 的模糊子集為:NB(負(fù)大,NM(負(fù)中,NS(負(fù)小,ZO(零,PS(正小,PM(正中,PB(正大;e 和ec 的論域?yàn)?- 3,-2,-1,0,1,2,3;p K 、i

10、K 、d K 的論域?yàn)?- 1,-0.66,-0.33,0,0.33,0.66,1。設(shè)定模糊語(yǔ)言變量e 、ec 、p K 、i K 、d K 相對(duì)應(yīng)的模糊論域均為-3,+3,則相應(yīng)的量化因子為0.05,0.1,比例因子為1,2,0.2。常用的隸屬度函數(shù)有三角型、梯形、高斯型等。本文選擇三角型隸屬度函數(shù),如圖2所示。圖2 e 、ec 、p K 、i K 、d K 的隸屬函數(shù)曲線模糊控制規(guī)則設(shè)計(jì)的核心內(nèi)容是模糊控制規(guī)則表,是設(shè)計(jì)人員長(zhǎng)期的操作和以往的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)得出的, 模糊控制規(guī)則表對(duì)模糊控制規(guī)則的描述比較清晰直觀4。針對(duì)三相異步電機(jī)運(yùn)行過程中定義p K 、i K 、d K 三個(gè)參數(shù)輸入和輸出量的模

11、糊控制規(guī)則表如表1、表2 和表3 所示。表1 p K 模糊控制規(guī)則表eec NB NM NS ZO PS PM PB NB PB PB PM PM PS ZO ZO NM PB PB PM PS PS ZO NS NS PM PM PM PS ZO NS NS ZO PM PM PS ZO NS NM NM PS PS PS ZE NS NS NM NM PM PS ZO NS NM NM NM NB PB ZO ZO NM NM NM NB NB表2 i K 模糊控制規(guī)則表eec NB NM NS ZO PS PM PB NB NB NB NM NM NS ZO ZO NM NB NB NM

12、 NS NS ZO ZO NS NB NM NS NS ZO PS PS ZO NM NM NS ZO PS PM PM PS NM NS ZO PS PS PM PB PM ZO ZO PS PS PM PB PB PB ZO ZO PS PM PM PB PB表3 d K 模糊控制規(guī)則表eec NB NM NS ZO PS PM PB NB PS NS NB NB NB NM PS NM PS NS NB NM NM NS ZO NS ZO NS NM NM NS NS ZO ZO ZO NS NS NS NS NS ZO PS ZO ZO ZO ZO ZO ZO ZO PM PB NS

13、PS PS PS PS PBPB PB PM PM PM PS PS PB模糊自適應(yīng)PID 的控制算法: 模糊自適應(yīng)PID 控制器三個(gè)參數(shù)p K 、i K 和d K 的表達(dá)式為:(p pp p i ii i dd d dK k K K K k K K K k K K '=+ '=+'=+(k-1(k-1(k-1 (2 其中pK ',i K ',d K '為預(yù)整定值。 則模糊自適應(yīng)PID 控制器的輸出控制ctT 可用下式來描述:1(1n ct p i d i T n K e n K e i K e n e n =+- (3其中(e n ,(1e n

14、 -分別為此時(shí)刻的誤差和前一時(shí)刻的誤差6。 4 系統(tǒng)仿真分析為了驗(yàn)證模糊自適應(yīng)PID 控制三相異步電機(jī)方式的可行性,在Matlab/Simulink 環(huán)境下對(duì)起動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。之后對(duì)三相異步電機(jī)傳統(tǒng)PID 控制與模糊自適應(yīng)PID 控制的起動(dòng)過程進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)對(duì)比,結(jié)果如圖3、4、5、6所示,分別為三相異步電機(jī)起動(dòng)到穩(wěn)態(tài)過程的電流波形和轉(zhuǎn)矩波形,仿真中異步電機(jī)的主要參數(shù)為:額定功率110KW ,額定電壓660V ,額定頻率50Hz ,定子電阻0.217 , 轉(zhuǎn)子電阻0.329, 定子電感0.105mH ,轉(zhuǎn)子電感0.317mH ,定轉(zhuǎn)子互感11.616mH ,極對(duì)數(shù)為2,轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為3.4Kg*m

15、 2。 圖3傳統(tǒng)PID 控制定子電流的仿真波形圖4 傳統(tǒng)PID 控制轉(zhuǎn)矩的仿真波形圖5 模糊自適應(yīng)PID 控制定子電流的仿真波形圖6 模糊自適應(yīng)PID 控制轉(zhuǎn)矩的仿真波形圖3和圖4分別是三相異步電機(jī)在傳統(tǒng)PID 控制下起動(dòng)運(yùn)行的定子電流和轉(zhuǎn)矩仿真波形, 其中定子電流的最大值約為365A ,起動(dòng)時(shí)間約為8.2秒;圖5和圖6分別是三相異步電機(jī)在模糊自適應(yīng)PID 控制下起動(dòng)運(yùn)行的定子電流和轉(zhuǎn)矩仿真波形, 其中定子電流的最大值約為360A ,起動(dòng)時(shí)間約為7.5秒。通過對(duì)比可以看出,與傳統(tǒng)PID 控制相比,采用模糊自適應(yīng)PID 控制下的異步電機(jī)無論是電流還是轉(zhuǎn)矩,都有了較大改善,有效地減小了起動(dòng)電流,從

16、而降低起動(dòng)電流對(duì)電機(jī)及其電網(wǎng)的影響,轉(zhuǎn)矩隨時(shí)間線性上升,更好地保護(hù)了拖動(dòng)系統(tǒng),大大縮短了起動(dòng)時(shí)間,提高了控制精度和起動(dòng)性能。此外,由于模糊自適應(yīng)PID 控制技術(shù)原則上就是在PID 原有參數(shù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行參數(shù)在線自整定,對(duì)外界干擾具有更強(qiáng)的魯棒性和自適應(yīng)性。因此,具有更好的控制效果。 5 結(jié)論模糊控制技術(shù)和PID 控制技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用越來越多,但是各有自己的缺陷。通過實(shí)驗(yàn)分析表明,如果改常規(guī)PID 控制為模糊自適應(yīng)PID 控制方式,則能夠明顯改善其動(dòng)態(tài)性能,不僅較小了起動(dòng)電流,縮短了起動(dòng)時(shí)間,而且具有了更強(qiáng)的魯棒性和自適應(yīng)性并可以更快地重新趨于穩(wěn)定,從而提高了控制精度和起動(dòng)性能。參考文獻(xiàn):1 儲(chǔ)岳中;陶永華.基于MATLAB的自適應(yīng)模糊PID控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)仿真期刊論文 -安徽工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版2004(015 Astrom KJ,HagglundT,PIDcontrollers:theory, design and tuning,2nd Edition,Research Triangle Park,North Carolina:Instru