多電機變頻調速協同智能控制系統的研究

鄒 縉，劉惠康，吳 勇

（武漢科技大學 信息科學與工程學院，湖北 武漢 430081）

隨著工業的發展，工業上對各種機械性能和產品質量的要求越來越高。在現代工業生產中，要求我們控制的往往不是單臺電機，而是要求實現多臺電機的同步控制，使各電機之間保持一定的同步關系，以保證系統的動、靜態性能。目前對于多軸多電機協調控制的研究主要是速度和轉矩的雙重協調控制研究，它的研究將為軍事、航空以及一般工業領域等需要統一動作功能的多電機提供協調控制技術，高性能的協調控制還可以提高紡織、冶金、機械、造紙、印刷等行業產品的質量和成品率。

多電機拖動系統中的各臺電機由于制造的原因，參數不可能完全相等，且在運行過程中電機參數也會發生差異，系統中與各臺電機相連的機械傳動部分也不可能完全一致，這樣就會產生各臺電機速度不同步、轉矩不平衡的問題。文中分析了多電機拖動系統在同步控制方面面臨的問題，并提出了一種改進的基于模糊控制器的同步控制方法，很好地解決了多電機拖動系統的速度同步問題。

1 同步控制方式的選擇

以雙電機同步控制為例，在傳統主從控制方式中，將主電機的轉速輸出作為從電機的轉速參考值，這樣一來，從電機就能夠很好地反映并跟隨任何加在主電機上的速度命令或者是負載擾動，但是任何從電機上受到的擾動卻無法反饋給主電機。當從電機出現速度跳變或負載突變時，由于主電機無法得到從電機的反饋，就會造成兩臺電機失步，從而無法滿足工業生產中對速度、轉矩的同步控制要求，嚴重影響生產。傳統主從控制系統結構圖如圖1所示。

圖1 傳統主從控制系統結構圖Fig.1 Chart of trational master-salve control system

在多電機傳動系統同步控制的發展過程中，傳統PID控制也能夠針對特定的系統取得不錯的控制效果，但它最大的不足就是缺乏自適應能力，無法實時調節PID參數。在實際生產中，大多數的生產過程都具有非線性，且其特性會隨時間的變化而變化，但是傳統的PID控制器只能針對模型已知、參數已知的系統進行參數整定，并且參數一旦整定，就只能固定工作在某個固定的狀態。由此可以看出，傳統PID控制器只能滿足生產過程某一方面的要求，無法適應復雜的生產過程。

與傳統的PID控制相比，模糊PID控制器有著明顯的優勢。模糊控制系統是一種自動控制系統，它以模糊數學、模糊語言形式的知識表示和模糊邏輯的規則推理為理論基礎，是采用計算機控制技術構成的一種具有反饋通道的閉環結構的數字控制系統。它的組成核心是具有智能性的模糊控制器，在設計中不需要建立被控對象的精確的數學模型，因此模糊PID控制器非常適用于那些模型難以獲取、動態特性不易掌握或變化非常顯著的控制系統。而且模糊控制器是基于啟發性的知識及語占決策規則設計的，能夠模擬人工控制的過程和方法，使系統具有一定的智能水平，增強控制系統的自適應能力。所以，模糊控制是一種具有活性和智能的智能控制方法，特別適合于非線性、時變、滯后等系統的控制。

對于多電機驅動系統來說，控制對象為多臺電機，整個系統比較復雜，而且生產過程中的外部擾動量較多且不確定，這樣就造成多電機驅動系統具有非線性、不確定性、不完整性及模糊性等特征。通常，這類系統建立精確的數學模型較為困難，更難完全滿足用經典和現代控制理論設計控制系統過程中所提出的較為苛刻的條件假設。因此，針對多電機驅動系統的特點和協調控制的要求，本文提出了一種基于自調整模糊PID控制器的智能控制方式。

2 多電機傳動系統速度同步實現

在多電機傳動系統中，不僅要解決主電機與從電機之間的速度同步問題，還要解決各電機之間的轉矩平衡問題，因為即使電機之間的速度達到了同步，也可能由于機械傳動部分的不完全一致而引起轉矩不平衡，給整個傳動系統造成很大的損害。所以在該多電機同步控制系統中，對速度、轉矩這兩個量都進行了控制。將主電機的轉矩給定作為從電機的輸入給定，兩臺電機各自構成本軸的速度環和轉矩環的雙閉環結構，系統還要實時檢測兩臺電機之間的速度和轉矩偏差，然后將速度和轉矩偏差通過模糊PID控制器模糊化、模糊推理、解模糊后得到精確的數字量，對兩臺電機進行偏差補償控制，使得從電機能精確的跟隨主電機的速度，達到兩臺電機同步的目的。該協同智能控制雙電機傳動系統如圖2所示。

圖2 基于模糊PID控制器的主從控制同步系統Fig.2 Master-slavesynchronizationsystembased on PID-fuzzy controller

利用模糊PID控制器，在線實時調整常規PID中的KP、KI、KD參數，使得這3個參數能隨誤差和誤差變化率實時變化，使系統能根據外部環境自動調節控制輸出。一方面可以避免單純采用模糊控制器精度難以提高的問題，另一方面又可解決常規PID控制參數固定和對外界環境敏感的缺點。

3 模糊PID控制器設計

自適應模糊PID控制器由常規PID控制器和模糊控制器兩部分組成，模糊控制將偏差e和偏差變化率ec作為輸入，根據輸入計算輸出 ΔKP、ΔKI、ΔKD。PID 參數模糊自整定的過程就是找出 ΔKP、ΔKI、ΔKD和偏差 e及偏差變化率 ec之間的模糊關系。通過在運行過程中不斷檢測e和ec，進入模糊控制器后進行模糊處理、模糊解析、解模糊等操作后對3個參數進行在線修改，以滿足不同e和ec對控制參數的不同要求，從而使被控對象達到良好的動、靜態性能，而且計算量小。由于模糊控制表可以通過預先的計算來得到，并被直接存儲在非易失性存儲器中，使用時直接從存儲器中取出對其查詢即可。因此，微處理器的計算量就會相當小。自適應模糊PID控制器的結構如圖3所示。

圖3 自適應模糊PID控制器結構圖Fig.3 The chart of adaptive PID-fuzzy controller

對于 ΔKP、ΔKI、ΔKD的調節，分別設定調節器為 fcl（KP模糊控制器）、fc2（KI模糊控制器）和 fc3（KD模糊控制器），這 3個調節器將根據輸入偏差e和偏差變化率ec經過模糊化、模糊推理以及解模糊的過程得到控制量的增量ΔKP、ΔKI、ΔKD。

3.1 PID參數模糊控制規則

模糊PID控制器就是找出不同時刻PID 3個參數與e和ec之間的關系。在運行中通過不斷檢測e和ec，根據模糊控制原理對3個參數進行實時修改，以滿足不同e和ec對控制參數的不同要求，而使被控對象有良好的動靜態性能。對于多電機同步控制系統來說，當系統受到外界干擾時，主電機轉速會發生變化，這時就要求從電機能夠精確地跟隨主電機的轉速變化。在系統受到擾動后，電動機之間的轉速要求盡快趨于同步，即應盡快消除轉速偏差；當電動機之間的轉速趨于同步時，應盡量避免轉速發生超調。因此，在不同的e和ec 時，對 KP、KI的要求如下：

1）當轉速偏差較大時，為盡快消除偏差，提高系統響應速度，同時為了避免系統偏差出現超調，KP取大值，KI取零；當轉速偏差較小時，為了盡可能減小偏差，并防止超調過大，產生振蕩和穩定性變壞，KP值要減小，KI取小值；在偏差很小時，為消除靜差，克服超調，使系統盡快穩定，KP取值繼續減小，KI值不變或稍取大。

2）當偏差與偏差變化率同號時，說明該電機轉速與其他電機的轉速偏差呈現變大的趨勢，此時，為了盡快消除轉速偏差，提高系統響應速度，KP應取最大值；當偏差與偏差變化率異號時，說明該電機轉速與其他電機的轉速偏差呈現變小的趨勢，此時，KP值應隨偏差減小而逐漸減小。

3）偏差變化率反映的是偏差變化的速率。ec越大，KP取值越小，KI取值越大，反之亦然。

3.2 控制器各變量的選取及量化

模糊控制器的2個量化因子和一個比例因子對控制效果有很大影響。一般情況下，偏差量化因子選得越大，系統超調就會越大，過渡過程時間也會越長，但穩態控制精度比較高；減小偏差變化因子可以減小超調量，但會增大系統穩態誤差。偏差變化因子選取較大時，超調量減小，但會減慢系統的響應速度。輸出比例因子的大小也會影響模糊控制的特性，選取過小會延長系統響應過程，而選取過大會導致系統振蕩。

在本設計中，e 和 ec 的論域分別取[-15，15]，[-30，30]，則ΔKP、ΔKI、ΔKD的基本論域為[-3，3]，[-0．06，0．06]，[-3，3]。 將 e、ec、ΔKP、ΔKI、ΔKD的基本論域定義為模糊集上的論域：e、ec={-5，-4，-3，-2，-1，0，l，2，3，4，5，}；ΔKP、ΔKI、ΔKD={-5，-4，-3，-2，-1，0，l，2，3，4，5，}； 且設其模糊子集為：e、ec={NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}；ΔKP、ΔKI、ΔKD={NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}； 輸入模糊變量 e、ec 和輸出變量 ΔKP、ΔKI、ΔKD的隸屬度函數均采用對稱三角函數。

4 系統仿真及實驗結果分析

在該仿真中，所選用的電動機模型為永磁同步電動機，電動機的具體參數設定如下：有效磁鏈Ψf=0.185 wb；d軸等效電感=8.5 mH；q軸等效電感=8.5 mH；轉子極對數P=4；轉動慣量 J=0.000 8 kg·m2；粘滯摩擦系數 B=1.2 N·s/m；額定電磁轉矩Tm=30 Nm；額定頻率f=50 Hz。其中圖4為采用傳統PID控制器時兩臺電機的速度響應曲線，圖5為采用自適應模糊PID控制器時兩臺電機的速度響應曲線。

圖4 采用傳統PID控制器時兩臺電機的速度響應曲線Fig.4 Speed response curve based on traditional PID controller

從圖形的對比來看，當系統出現擾動干擾時，采用自適應模糊PID補償器的系統中，從電機能夠很好地跟隨主電機的速度，達到比較好的同步效果；采用常規補償器的系統中，從電機無法很好地跟隨主電機的速度變化，速度、轉矩偏差較大，同步效果較差。可以看出，自適應模糊PID控制器能夠解決控制系統中的穩定性與準確性的矛盾，同時又能適應系統中的外界干擾、參數變化等影響。所以，在多電機同步控制中引入模糊控制器時能夠獲得更高的同步性能，適合同步精度要求較高的場合。

圖5 采用自適應模糊PID控制器時兩臺電機的速度響應曲線Fig.5 Speed response curve based on adaptive PID-fuzzy controller

5 結 論

文中采用基于自適應模糊PID控制器的同步控制策略，將傳統的PID控制與模糊控制很好的結合了起來，很好地解決了多電機傳動系統由于參數變化、外部干擾等因素而引起的速度不同步問題，對多電機傳動系統的動靜態特性都有極大地改善，是一種智能化的多電機同步控制方法。該控制方法已經應用于某鋼廠一熱軋立輥軋機改造項目中，取得了良好地調速效果和經濟效益。

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