1  引言

電動(dòng)機(jī)作為拖動(dòng)機(jī)械廣泛應(yīng)用于工礦企業(yè)、交通運(yùn)輸，國(guó)防工業(yè)等領(lǐng)域中。電動(dòng)機(jī)在直接起動(dòng)時(shí)瞬時(shí)沖擊電流很大，在電動(dòng)機(jī)經(jīng)常起動(dòng)的情況下過(guò)大的電流會(huì)造成電動(dòng)機(jī)嚴(yán)重發(fā)熱，縮短電動(dòng)機(jī)的使用壽命，另外還會(huì)對(duì)電網(wǎng)造成不良影響，影響電網(wǎng)供電和同一電網(wǎng)上的其它負(fù)載[1,2]。隨著電力電子技術(shù)的快速發(fā)展，采用晶閘管為主電路元件，單片機(jī)為控制核心的智能型起動(dòng)設(shè)備完成電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)過(guò)程已成為現(xiàn)實(shí)。針對(duì)傳統(tǒng)電動(dòng)機(jī)軟啟動(dòng)器由于PID初始參數(shù)選取不當(dāng)或工作工程中受外界環(huán)境影響而發(fā)生漂移從而影響控制精度的問(wèn)題，本文研究了一種將模糊自整定PID(FSA-PID)代替?zhèn)鹘y(tǒng)PID應(yīng)用于電動(dòng)機(jī)軟起動(dòng)器設(shè)計(jì)中的策略。將模糊控制思想與常規(guī)PID控制器相結(jié)合，吸收了模糊控制與常規(guī)PID控制兩者的優(yōu)點(diǎn)。主要用于解決傳統(tǒng)方法難以解決的控制對(duì)象參數(shù)在大范圍變化的問(wèn)題，比常規(guī)PID控制器控制性能好，可靠性更高。介紹了模糊自整定PID原理、軟啟動(dòng)器原理和系統(tǒng)的軟、硬件設(shè)計(jì)過(guò)程。最后通過(guò)計(jì)算機(jī)仿真實(shí)現(xiàn)了電動(dòng)機(jī)軟啟動(dòng)器的工作過(guò)程，結(jié)果證明了所提出的策略的正確性和有效性。

2  軟啟動(dòng)器模糊自整定PID控制原理

2.1 FSA-PID控制策略

以常規(guī)PID控制為基礎(chǔ)，采用模糊推理思想根據(jù)不同的E 和EC對(duì)PID參數(shù)進(jìn)行在線自整定[3]。按這種思想構(gòu)成的控制系統(tǒng)由兩部分組成。即常規(guī)PID控制部分與模糊推理的參數(shù)校正部分。如圖1所示。

圖1  FSA-PID控制系統(tǒng)框圖

PID控制作用可用以下位置式算式來(lái)描述：

表1  K_p調(diào)節(jié)規(guī)則表

表2  K_i調(diào)節(jié)規(guī)則表

表3  K_d調(diào)節(jié)規(guī)則表

以電動(dòng)機(jī)輸出電流與期望電流值之差E及其變化率EC作為輸入變量，以晶閘管觸發(fā)角的變化Δα作為輸出變量，經(jīng)過(guò)模糊控制器對(duì)輸入信息進(jìn)行模糊化、模糊推理、模糊決策和清晰化，從而得到控制量，施加于被控電機(jī)實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)的全過(guò)程。

2．2  模糊控制參數(shù)選擇

2．2．1  論域、隸屬函數(shù)、控制規(guī)則的確定

模糊軟啟動(dòng)器的輸入E、EC與輸出U可劃分為五個(gè)模糊子集，即{NB,NS,ZR,PS,PB}。E、EC的論域?yàn)閇-6,6],U的論域?yàn)閇-3,3]。除了ZR的隸屬函數(shù)選三角形隸屬函數(shù)以外，其余均選梯形隸屬函數(shù)。模糊控制器輸出曲面圖如下所示，從規(guī)則曲面圖可以看出曲面比較光滑且由高至低覆蓋了論域所有范圍，規(guī)則設(shè)計(jì)的比較合理。

圖2  輸入E與EC的隸屬度函數(shù)

圖3  Kp輸出曲面圖

圖4 Ki輸出曲面圖

圖5 Kd輸出曲面圖

2．2．2  輸入、輸出比例因子的確定

假設(shè)某類(lèi)型電動(dòng)機(jī)參數(shù)為Pe＝7.5kw，Ie＝15A，ne＝3000r/min，f=50Hz ，Y接。電流誤差的實(shí)際變化范圍[-10A,10A]。若設(shè)定的起動(dòng)電流為額定電流2倍，即30A。則相對(duì)值論域?yàn)閇-1/3,1/3]。為使其轉(zhuǎn)換至整數(shù)論域[-6,6]，需Ke＝6/(1/3)=18。同理，偏差變化率實(shí)際變化范圍[-8A,8A]時(shí)可確定Kec =22.6。觸發(fā)角α的實(shí)際變化范圍[-20o,20o]，為轉(zhuǎn)換至[-3,3]需Ku＝20/3＝6.7。同理，還可以確定出被控量為電壓時(shí)的Ke’、Kec’、Ku’的值。

2．3  模糊決策

從節(jié)約單片機(jī)內(nèi)存資源的角度出發(fā)，本文不采用存控制表格的方式，而是采用在線計(jì)算控制量的解析法。選用多修正因子法，如下式所示。其中α0＝0.4,α1＝0.6,α2＝0.75。計(jì)算時(shí)NB,NS,ZR,PS,PB的取值分別對(duì)應(yīng)-2，-1，0，1，2。

3 軟啟動(dòng)器的軟、硬件實(shí)現(xiàn)

如圖6所示，采用三相平衡調(diào)壓式主回路，它利用晶閘管的開(kāi)關(guān)特性將三對(duì)反并聯(lián)的晶閘管串接于電動(dòng)機(jī)的三相回路上，用單片機(jī)控制其觸發(fā)角的大小，改變晶閘管的開(kāi)通程度，進(jìn)而改變電動(dòng)機(jī)起動(dòng)電壓的大小，控制電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)特性。當(dāng)起動(dòng)完成后，程序控制將真空接觸器閉合，短接所有晶閘管，使電動(dòng)機(jī)直接投網(wǎng)運(yùn)行，以避免在元件上的持續(xù)損耗。
 

圖6  軟啟動(dòng)器硬件結(jié)構(gòu)框圖

控制系統(tǒng)的硬件由AT89C52單片機(jī)系統(tǒng)、電壓同步信號(hào)采樣及處理電路、電流檢測(cè)電路、脈沖觸發(fā)電路等組成。由同步變壓器來(lái)的電壓信號(hào)經(jīng)電壓比較器、光電隔離及功率驅(qū)動(dòng)后送入AT89C52外部中斷。電流檢測(cè)電路以電流互感器測(cè)出電動(dòng)機(jī)的實(shí)際工作電流，經(jīng)整流、濾波、放大、A/D轉(zhuǎn)換及光電隔離后送入單片機(jī)，用軟件對(duì)其非線性進(jìn)行補(bǔ)償，以此電流信號(hào)作為計(jì)算晶閘管導(dǎo)通角大小的依據(jù)，并用于故障檢測(cè)及數(shù)碼管顯示。系統(tǒng)的軟件流程圖如圖7所示。

圖7  軟啟動(dòng)器軟件流程圖

4仿真結(jié)果與分析

控制系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)仿真是應(yīng)用現(xiàn)代科學(xué)手段對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行科學(xué)研究的十分重要的手段之一。MATLAB載[5]軟件應(yīng)該說(shuō)是仿真軟件中的佼佼者，它以功能強(qiáng)大、操作簡(jiǎn)單等特點(diǎn)受到廣大科研人員的青睞。本文采用MATLAB語(yǔ)言編程對(duì)軟啟動(dòng)器中的FSA-PID算法進(jìn)行仿真研究。

按編程順序，仿真程序主要由五個(gè)部分組成。

1） 仿真模型和仿真初值的給定部分

2） 語(yǔ)言變量及其隸屬函數(shù)定義部分

3） 規(guī)則列表矩陣定義部分

4） 仿真計(jì)算部分

5） 仿真圖形的輸出部分

仿真結(jié)果如圖8所示。整個(gè)過(guò)程分為軟啟動(dòng)、平穩(wěn)運(yùn)行和軟停車(chē)三個(gè)階段。由圖可見(jiàn)，與常規(guī)PID控制相比，模糊軟啟動(dòng)過(guò)程響應(yīng)快、超調(diào)小，對(duì)電網(wǎng)沖擊小，不會(huì)造成大的電壓降落，保證了電網(wǎng)電壓的穩(wěn)定，可提高供電設(shè)備的使用壽命。在接到停車(chē)指令后模糊控制均使輸出電流按設(shè)定電流變化，一直到完全停車(chē)，晶閘管全部關(guān)斷，具有更好的跟蹤性能。

圖8  軟啟動(dòng)全過(guò)程仿真結(jié)果

5  結(jié)論

本文嘗試將模糊自整定PID控制策略應(yīng)用到電動(dòng)機(jī)軟啟動(dòng)器的設(shè)計(jì)中，使控制器智能化，使系統(tǒng)魯棒性增強(qiáng)，從而解決電動(dòng)機(jī)起、停過(guò)程中電流、轉(zhuǎn)矩對(duì)電機(jī)本身的機(jī)械沖擊及對(duì)電網(wǎng)的負(fù)面影響等問(wèn)題載。仿真結(jié)果表明了該策略的正確性，進(jìn)一步拓寬了模糊控制的應(yīng)用領(lǐng)域。

參考文獻(xiàn)

[1]  王艷杰, 曾毅, 呂鳳. 基于ATmega128的智能軟啟動(dòng)器的設(shè)計(jì). 自動(dòng)化技術(shù)與應(yīng)用, 2010(2):72-75.

[2]  周俊. 基于DSP的三相異步電機(jī)智能軟起動(dòng)器. 浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文, 2006.

[3]  余永權(quán),曾碧.單片機(jī)模糊邏輯控制.北京航空航天大學(xué)出版社,1995.

[4]  毛盾,郭丙君. 基于模糊PID控制的Cuk變換器研究,2010(3):1-3.

[5]  樓順天,胡昌華,張偉.基于MATLAB的系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)——模糊系統(tǒng).西安電子科技大學(xué)出版社, 2001.

作者簡(jiǎn)介：

趙啟迪，1992年生，沈陽(yáng)理工大學(xué)信息學(xué)院在讀本科生，測(cè)控技術(shù)與儀器專(zhuān)業(yè)，研究興趣為智能檢測(cè)與控制。郵箱：yusongh@126.com

作者簡(jiǎn)介：

趙啟迪，1992年生，沈陽(yáng)理工大學(xué)信息學(xué)院在讀本科生，測(cè)控技術(shù)與儀器專(zhuān)業(yè)，研究興趣為智能檢測(cè)與控制。郵箱：yusongh@126.com