引言

隨著計(jì)算機(jī)控制技術(shù)、電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展，交流變頻調(diào)速技術(shù)正以其優(yōu)異的控制性能日益為工業(yè)界接受，可編程控制器作為一種可靠性的工業(yè)PC，也正以前所未有的速度在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域迅速普及。在我國(guó)傳統(tǒng)的鋼鐵冶金、交通運(yùn)輸、機(jī)械化工等各產(chǎn)業(yè)中，存在著大量的以繼電器、接觸器和直流調(diào)速為主的電氣傳動(dòng)系統(tǒng)，這些系統(tǒng)存在硬件線(xiàn)路復(fù)雜、可靠性低、能耗大、生產(chǎn)維修量大等許多缺點(diǎn)，因此如何將PLC與交流變頻調(diào)速技術(shù)相結(jié)合，對(duì)傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)進(jìn)行改造，是企業(yè)界正著力解決的問(wèn)題。本文就某電機(jī)智能測(cè)控系統(tǒng)的PLC控制交流變頻調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行詳細(xì)介紹。

模糊自校正PI控制器的設(shè)計(jì)

控制器設(shè)計(jì)的理論依據(jù)

在起動(dòng)和負(fù)載變化階段，控制系統(tǒng)的反應(yīng)較慢。而模糊控制將專(zhuān)家的知識(shí)及現(xiàn)場(chǎng)操作人員的經(jīng)驗(yàn)轉(zhuǎn)化為控制策略，使模型難以確定的復(fù)雜系統(tǒng)得以有效的控制。在對(duì)象參數(shù)發(fā)生變化或受到外部擾動(dòng)時(shí)，模糊控制仍能達(dá)到較為滿(mǎn)意的控制效果。因而與傳統(tǒng)的控制方案相比，模糊控制具有較強(qiáng)的魯棒性。但是模糊控制無(wú)法從根本上消除穩(wěn)態(tài)誤差，控制精度較低。而比例積分控制(PI)能夠消除穩(wěn)態(tài)誤差，將模糊控制技術(shù)和傳統(tǒng)的PI控制相結(jié)合，能夠有效地解決模糊控制存在穩(wěn)態(tài)誤差的缺陷。目前較為廣泛的是模糊控制與PI控制的串聯(lián)或者模糊控制與PI控制相并聯(lián)。但是參數(shù)固定的PI控制又一定程度上給系統(tǒng)帶來(lái)了動(dòng)態(tài)與穩(wěn)態(tài)之間的矛盾，模糊控制的優(yōu)勢(shì)沒(méi)有得到完全體現(xiàn)。本文提出的模糊自校正控制器使PI調(diào)節(jié)器參數(shù)跟隨系統(tǒng)誤差變化而動(dòng)態(tài)變化，從而具備了模糊控制較強(qiáng)魯棒性和PI控制削弱穩(wěn)態(tài)誤差的功能。

模糊控制原理及其應(yīng)用

該模糊控制輸入信號(hào)為速度偏差e和速度偏差變化率△e，輸出信號(hào)為控制信號(hào)。變量的模糊子集為{正大，正中，正小，零，負(fù)小，負(fù)中，負(fù)大}，相應(yīng)的語(yǔ)言變量設(shè)定為{PL，PM，PS，ZO，NS，NM，NL}。

首先，把速度偏差及偏差變化率的實(shí)際范圍作為輸入論域，輸出控制量的允許變化范圍作為輸出論域，而在論域中的元素隸屬于某個(gè)語(yǔ)言變量值的隸屬度用隸屬函數(shù)表示，論域兩端的隸屬函數(shù)取半三角形的形狀，其余則取三角形的形狀。其次，在模糊化過(guò)程中取輸入變量的實(shí)時(shí)值，即求速度偏差及偏差變化率的實(shí)時(shí)值。第三步是把輸入變量的實(shí)時(shí)值和已定義的隸屬函數(shù)進(jìn)行比較組合，求出相應(yīng)的模糊輸入量。有了上面三個(gè)步驟后，再采用MAX-MIN推理合成算法進(jìn)行模糊推理，并產(chǎn)生模糊輸出結(jié)果。最后，將模糊輸出結(jié)果清晰化，并采用PWM方式實(shí)現(xiàn)輸出控制，在周期一定的條件下調(diào)節(jié)占空比，而占空比的實(shí)時(shí)值由模糊控制規(guī)則自動(dòng)調(diào)節(jié)。

控制器的參數(shù)校正

模糊自校正控制器是由模糊控制器、PI調(diào)節(jié)器、參數(shù)整定環(huán)節(jié)和估測(cè)器四個(gè)基本部分組成。模糊控制器和PI調(diào)節(jié)器根據(jù)校正的參數(shù)對(duì)過(guò)程對(duì)象進(jìn)行控制，參數(shù)整定環(huán)節(jié)根據(jù)系統(tǒng)誤差的動(dòng)態(tài)變化對(duì)PI調(diào)節(jié)器進(jìn)行參數(shù)校正。該模糊自校正控制系統(tǒng)的運(yùn)行過(guò)程就是模糊自校正控制器不斷采樣、校正，直至系統(tǒng)達(dá)到并保持期望的控制性能指標(biāo)。

PI調(diào)節(jié)器的參數(shù)校正原則：在控制的起始階段取較小的PI調(diào)節(jié)器校正參數(shù)；當(dāng)模糊控制達(dá)到基本穩(wěn)定時(shí)，根據(jù)系統(tǒng)誤差逐漸增大PI調(diào)節(jié)器的校正參數(shù)，以獲得平穩(wěn)的上升并消除誤差；當(dāng)整個(gè)系統(tǒng)已基本穩(wěn)定時(shí)，則根據(jù)系統(tǒng)要求和誤差適當(dāng)減小PI調(diào)節(jié)器的校正參數(shù)。

變頻調(diào)速系統(tǒng)的組成及主程序框圖

變頻調(diào)速系統(tǒng)框圖如圖1所示。本系統(tǒng)采用三菱公司的FX2NPLC作為速度調(diào)節(jié)器，它把給定信號(hào)與編碼器輸出脈沖信號(hào)的量化值進(jìn)行比較，獲得誤差e，通過(guò)具有參數(shù)自整定的PID算法，得到所需調(diào)節(jié)值，將此值送入D/A轉(zhuǎn)換變?yōu)槟M信號(hào)，再送至變頻器的模擬電壓輸入端，控制變頻器頻率，從而控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。

系統(tǒng)的主程序框圖如圖2所示。為了使電機(jī)穩(wěn)定性好，響應(yīng)速度快，必須正確選擇系統(tǒng)的比例、積分、微分等參數(shù)。本系統(tǒng)利用PLC的高速運(yùn)算及判斷能力，由PID算法子程序計(jì)算出控制量UR，對(duì)擾動(dòng)作出動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，使得穩(wěn)態(tài)誤差最小。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果及結(jié)論

在該電機(jī)控制系統(tǒng)調(diào)試過(guò)程中，對(duì)11kW/15kW直流電動(dòng)機(jī)-交流發(fā)電機(jī)機(jī)組進(jìn)行啟動(dòng)實(shí)驗(yàn)，給定速度為1500轉(zhuǎn)/分鐘，系統(tǒng)能很快跟蹤給定速度，反應(yīng)性能良好。在突加負(fù)載的情況下，系統(tǒng)能快速自動(dòng)調(diào)節(jié)，恢復(fù)時(shí)間約為0.6s，其轉(zhuǎn)速特性曲線(xiàn)如圖3所示。

本系統(tǒng)充分利用了變頻器的多種控制功能，用編碼器精確測(cè)速，控制算法采用了參數(shù)自整定PID算法，實(shí)現(xiàn)了精確的變頻調(diào)速閉環(huán)控制。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，該系統(tǒng)能對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)精確控制，實(shí)用性強(qiáng)，具有一定的推廣價(jià)值。