模糊自適應PID控制的異步電動機軟起動器的研究

1、模糊自適應PID控制的異步電動機軟起動器的研究陳忠華 劉勛 郭鳳儀(遼寧工程技術(shù)大學電氣與控制工程學院 遼寧葫蘆島125105)摘 要：針對異步電動機直接起動過程中存在的問題，研究了一種基于模糊自適應PID控制的異步電動機轉(zhuǎn)矩斜坡起動方式。通過異步電動機恒轉(zhuǎn)矩負載機械特性的分析，推導出了轉(zhuǎn)矩斜坡起動方式的數(shù)學模型。利用Matlab軟件中的電氣系統(tǒng)模塊庫和模糊邏輯工具箱,建立了基于模糊自適應PID控制的異步電機軟起動系統(tǒng)的仿真模型，并進行了仿真。仿真結(jié)果表明恒轉(zhuǎn)矩負載下模糊自適應PID控制的轉(zhuǎn)矩斜坡軟起動方式正確有效，可以有效地減小起動過程中對電網(wǎng)的沖擊，降低了對拖動系統(tǒng)的不利影響，同時起動過程

2、平穩(wěn)。關(guān)鍵詞:異步電動機；軟起動；模糊自適應PID；轉(zhuǎn)矩斜坡；仿真Research of Soft-staring for Asynchronous Motor with Self-adaptive Fuzzy PID ControlCHEN Zhong-hua, LIU Xun，GUO Feng-yi(College of Electrical and Control Engineering of Liaoning Technical University, Huludao 125105, China)Abstract: Considering the existing problems a

3、s asynchronous motor start up directly, this paper studys a torque slope start-up mode for asynchronous motor based on Self-adaptive fuzzy PID control. Through analysis of mechanical characteristics of asynchronous motor with constant torque, the paper establishes mathematic model of torque slope st

4、art-up mode for asynchronous motor based on Self-adaptive fuzzy PID control. In this paper, with the use of the power system blackest and the fuzzy logic toolbox in Matlab, the simulation model is built and simulink. The simulation results show that the soft-staring mode is correct and effective, re

5、duces the shock to the electrical network and the adverse effects on the drag system and make asynchronous motor start up very smoothly.Keyword: asynchronous motor; soft-starting; self-adaptive fuzzy PID; torque slope; simulation0 引言異步電動機直接起動電流是額定電流的5-7 倍1-3，起動瞬間起動轉(zhuǎn)矩造成的機械沖擊會影響電機本身及其拖動設(shè)備的使用壽命，過大的起動電流

6、加速了電動機絕緣老化，同時較大的起動電流會引起較大的電網(wǎng)線路壓降，影響電網(wǎng)的供電和其他設(shè)備運行。因此異步電動機的軟起動方式及控制一直是個非常重要的研究課題。目前軟起動器常用的起動方式主要有限流起動和斜坡電壓起動。這二種起動方式雖然能順利地起動負載，但都不能很好地減少起動給電動機和拖動系統(tǒng)帶來的沖擊和影響。轉(zhuǎn)矩斜坡起動方式可以改善電動機的起動過程，提高起動性能。由于異步電動機起動過程復雜，參數(shù)整定較困難，部分參數(shù)會隨工作點的變化而變化，因此應該增加一定的智能控制手段，以消除參數(shù)變化和擾動的影響。采用模糊自適應PID4-5控制方法，在控制過程中對不確定的條件、參數(shù)、延遲和干擾等因素進行實時檢測，然

7、后應用模糊推理的方法對PID的三個參數(shù)Kp、Ki和Kd實行在線自整定，可使控制*基金項目:遼寧省教育廳科研項目(20060386)*作者簡介:陳忠華(1965-)，男，副教授，Email:zhchen0915系統(tǒng)始終運行在最佳的工作狀態(tài)。模糊自適應PID控制系統(tǒng)不僅保持了常規(guī)PID控制系統(tǒng)原理簡單、使用方便、魯棒性較強等優(yōu)點，而且具有更大的靈活性、適應性，控制精度更好 。1 轉(zhuǎn)矩斜坡起動方式的基本原理 圖1主電路原理圖Fig. 1 Main circuit schematic軟起動器的主電路如圖1所示。通過控制晶閘管的觸發(fā)角來調(diào)節(jié)電動機的電壓，再加上轉(zhuǎn)矩閉環(huán)控制以達到控制電動機的電磁轉(zhuǎn)矩按照設(shè)

8、定的曲線線性上升，實現(xiàn)電動機的轉(zhuǎn)矩斜坡起動。圖2為單相晶閘管電路的電壓波形，其中角為觸發(fā)角，角為續(xù)流角，為晶閘管導通角，為電機相電壓。由圖2可知： （1）（2）圖2 單相晶閘管的電壓波形Fig.2 Voltage waveforms of Single-phase thyristor轉(zhuǎn)矩斜坡起動控制曲線如圖3所示。轉(zhuǎn)矩斜坡起動是使電動機的起動轉(zhuǎn)矩由小到大線性上升。 圖3 轉(zhuǎn)矩斜坡起動Fig.3 Torque slope start-up 由電機學知道，三相異步電動機機械特性方程為： （3） 電機運動方程為： (4)其中、分別為電機電磁轉(zhuǎn)矩、負載轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)動慣量。轉(zhuǎn)子角轉(zhuǎn)速為： （5）其中為角速度

9、，為頻率，為轉(zhuǎn)差率。由圖3可知電磁轉(zhuǎn)矩近似為時間t的一次函數(shù)，故可設(shè)： (6)其中為電磁轉(zhuǎn)矩上升的斜率，為初始轉(zhuǎn)矩。對于恒轉(zhuǎn)矩負載來講，為常量， (6)式代入(4)式可得： （7） 對等式（7）兩邊同時積分并且當t0時，通過整理可得： （8） 其中為常系數(shù)。把(8)式代入(5)式中可得： （9）由式（3)和(6)及(9)可以推出： (10)由（2）式得：(11) 通過控制角，改變角的大小就可以調(diào)節(jié)電動機的輸入電壓，控制使其線性上升。2 轉(zhuǎn)矩斜坡起動控制策略轉(zhuǎn)矩斜坡起動時，控制電動機起動時的電磁轉(zhuǎn)矩按設(shè)置的線性規(guī)律上升，并在轉(zhuǎn)矩閉環(huán)中應用模糊自適應PID進行調(diào)節(jié)，實現(xiàn)PID參數(shù)Kp、Ki和Kd的

10、在線自整定，實現(xiàn)電動機能夠平滑起動，有效地克服起動過程中的振蕩現(xiàn)象。圖4為轉(zhuǎn)矩閉環(huán)控制方框圖， 為按時間給定的電磁轉(zhuǎn)矩，為根據(jù)檢測到的晶閘管輸出電壓所計算出的實際轉(zhuǎn)矩, 為模糊自適應PID調(diào)節(jié)后得出的控制轉(zhuǎn)矩, 和分別為控制轉(zhuǎn)矩計算出的電壓和觸發(fā)角。 4轉(zhuǎn)矩閉環(huán)控制方框圖Fig.4 Diagram of torque closed-loop control3 模糊自適應PID控制器的設(shè)計3.1模糊自適應PID控制器結(jié)構(gòu)設(shè)計圖5模糊自適應PID控制器結(jié)構(gòu)方框圖Fig.5 Diagram of structure of self-adaptive fuzzy PID control system模

11、糊自適應PID控制器4-5結(jié)構(gòu)方框圖如圖5所示。以常規(guī)PID控制為基礎(chǔ)，系統(tǒng)首先計算被控量的誤差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Kp，Ki和Kd的修正量，在控制過程中在線實時整定常規(guī)PID各參數(shù)。 3.2輸入輸出變量的確立在轉(zhuǎn)矩閉環(huán)控制系統(tǒng)中，將計算出的實際轉(zhuǎn)矩和給定轉(zhuǎn)矩的誤差e和誤差變化率ec作為模糊控制器的輸入變量，PID控制器的3個參數(shù)Kp、Ki和Kd的修正量、和作為輸出變量。誤差e基本論域取-60，+60，其偏差變化率ec的基本論域取-30，+30，輸出變量、和的基本論域分別取為-3 +3，-6，+6，-0.6，+0.6，E、

12、EC、分別是輸入變量e、ec、輸出變量、和所對應的模糊語言變量。設(shè)定模糊語言變量E、EC、相對應的模糊論域均為-3，+3，則相應的量化因子為0.05，0.1，比例因子為1，2，0.2。模糊語言變量E、EC、都分別取七個模糊子集，其中NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB分別代表負大，負中，負小，零，正小，正中，正大。模糊語言變量E、EC、的隸屬函數(shù)如圖6所示。圖6 E、EC、的隸屬函數(shù)曲線Fig.6 Membership function curve of E、EC、and 3.3模糊控制器的規(guī)則設(shè)計模糊控制規(guī)則設(shè)計的核心是總結(jié)工程設(shè)計人員的技術(shù)知識和實際操作經(jīng)驗,建立合適的模糊規(guī)則表。表1

13、給出了針對、三個參數(shù)的模糊控制規(guī)則表。表1模糊自適應PID控制規(guī)則Table.1 Self-adaptive fuzzy PID control rule(a) 的模糊控制規(guī)則EC ENBNMNSZOPSPMPBNBNMNSZOPSPMPBPBPBPMPMPSPSZOPBPBPMPMPSZOZOPMPMPSPSZONSNMPMPSPSZONSNSNMPSPSZONSNSNMNMZOZONSNMNMNMNBZONSNSNMNMNBNB(b) 的模糊控制規(guī)則EC ENBNMNSZOPSPMPBNBNMNSZOPSPMPBNBNBNBNMNMZOZONBNBNMNMNSZOZONMNMNSNSZOP

14、SPSNMNSNSZOPSPSPMNSNSZOPSPSPMPMZOZOPSPMPMPBPBZOZOPSPMPBPBPB(c) 的模糊控制規(guī)則EC ENBNMNSZOPSPMPBNBNMNSZOPSPMPBPSPSZOZOZOPBPBNSNSNSNSZONSPMNBNBNMNSZOPSPMNBNMNMNSZOPSPMNBNMNSNSZOPSPSNMNSNSNSZOPSPSPSZOZOZOZOPBPB3.4模糊自適應PID的控制算法模糊自適應PID控制器三個參數(shù)，的表達式為： （12）其中，為預整定值。則模糊自適應PID控制器的輸出控制可用下式來描述: （13）其中,分別為此時刻的誤差和前一時刻的

15、誤差。4 系統(tǒng)仿真與結(jié)果分析為了驗證基于模糊自適應PID控制的異步電動機轉(zhuǎn)矩斜坡起動方式的可行性，在Matlab/Simulink環(huán)境下對異步電動機軟起動系統(tǒng)進行仿真實驗。仿真中異步電動機的主要參數(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，極對數(shù)為2，轉(zhuǎn)動慣量為3.4Kg*m2。 (a)定子電流的仿真波形 (b) 轉(zhuǎn)矩的仿真波形圖7異步電動機直接起動的仿真波形Fig.7 Simulation waveforms of asynchronous motor

16、start-up directly (a)傳統(tǒng)PID控制定子電 (b) 傳統(tǒng)PID控制轉(zhuǎn)矩流的仿真波形 的仿真波形 (c)模糊PID控制定子電 (d) 模糊PID控制轉(zhuǎn)矩流的仿真波形 的仿真波形圖8異步電動機轉(zhuǎn)矩斜坡起動仿真波形Fig.8 Simulation waveforms of torque slope start-upfor asynchronous motor圖7為異步電動機在恒轉(zhuǎn)矩負載下直接起動的仿真波形，通過波形可以看出定子電流在起動時刻的大小為720A左右，為額定電流In的6倍左右，起動時間為1.5秒左右。圖8(a)和(b)為異步電動機轉(zhuǎn)矩斜坡起動方式在傳統(tǒng)PID控制下的定子

17、電流和轉(zhuǎn)矩仿真波形， 其中定子電流的最大值為363A左右，起動時間為8.1秒左右；圖8 (c)和(d)為轉(zhuǎn)矩斜坡起動方式在模糊自適應PID控制下的定子電流和轉(zhuǎn)矩仿真波形， 其中定子電流的最大值約為360A，起動時間為7.6秒左右。與傳統(tǒng)PID控制相比，采用模糊自適應PID控制可以使起動電流在起動過程中被限定在額定電流In的3倍之內(nèi)，并且縮短了起動時間，加快了起動過程，提高了控制精度和起動性能。 基于模糊自適應PID控制的異步電動機轉(zhuǎn)矩斜坡起動方式有效地減小了起動電流，電流變化平緩，可以大大降低起動電流對電動機及其電網(wǎng)的影響，同時轉(zhuǎn)矩隨著時間線性上升，可以很好地保護拖動系統(tǒng)，使起動過程平穩(wěn)，提高

18、了起動性能。5 結(jié)語轉(zhuǎn)矩斜坡起動方式是控制電動機的起動轉(zhuǎn)矩由小到大線性上升，它的優(yōu)點是起動平滑，柔性好，對拖動系統(tǒng)有更好的保護，延長拖動系統(tǒng)的使用壽命。同時降低電機起動時對電網(wǎng)的沖擊，是最優(yōu)的重載起動方式。本文通過推導出的轉(zhuǎn)矩斜坡起動方式的數(shù)學模型，利用模糊自適應PID控制方法，具體設(shè)計了異步電動機轉(zhuǎn)矩斜坡起動控制算法，并利用Matlab進行了仿真研究。通過對異步電動機轉(zhuǎn)矩斜坡起動方式在傳統(tǒng)PID控制下的起動和在模糊自適應PID控制下的起動仿真對比，結(jié)果表明恒轉(zhuǎn)矩負載下模糊自適應PID控制的轉(zhuǎn)矩斜坡起動較傳統(tǒng)PID控制效果好，可以更好的減小起動電流對電網(wǎng)的沖擊，降低了對拖動系統(tǒng)造成的不利影響，同時起動過程非常平穩(wěn)。參考文獻： 1黃劭剛,黃華高,季國瑜.基于MATLAB的異步電機軟啟動過程的仿真J.計算機仿真,2003,20(7):101104.2 岳云濤,韓永萍,王聰.一種基于模糊PD控制的新型中壓軟起動器J. 中小型電機,2005,32 (2):52-563 甘世紅,吳燕翔,劉雨青.基于恒流模糊控制的高壓異步電動機軟起動器J. 電力電子技術(shù),2007,41(8):48-504 喬志杰,王維慶.模糊自適應控制器的