雙直線電機往復泵恒流控制的研究

摘要：雙直線電機往復泵與傳統往復泵相比，具備結構簡單、沖程長、沖次低、排量波動小、泵壓均勻和系統效率高等一系列優點，是一種非常具有發展潛力的新型往復泵。文章介紹了直線電機的工作原理，并利用模糊PI控制實現了雙直線電機的協調控制，從而在理論上實現了雙直線電機的恒流輸出。并通過建立控制系統的MATLAB/SIMULINK仿真模型，驗證此方法的有效性和可行性，從而為實際的直線電機控制打好理論基礎。

關鍵詞：直線電機；模糊PI控制；恒流；MATLAB/SIMULINK仿真

中圖分類號：TM359.4 文獻標識碼：A 文章編號：1006—8937（2012）23—0115—02

傳統往復泵一般通過曲柄連桿機構將旋轉電機的電能轉化為直線運動的機械能，具有效率低，輸出流量小，壓力脈動大，易損件壽命低的缺點。直線電機可以將電能直接轉化為直線運動機械能，將直線電機作為往復泵的動力端可以很好的克服以上問題。直線電機可以將電能直接轉換成直線運動機械能而不需要任何中間轉換機構，因此雙直線電機往復泵與傳統的往復泵相比，具備結構簡單、沖程長、沖次低、排量波動小、泵壓均勻和系統效率高等一系列優點，其發展潛力是巨大的，但是傳統的PI控制方式不能更好的滿足需要，本文提出了基于模糊PI控制的雙直線電機往復泵恒流控制的控制方法，通過建立MATLAB/SIMULINK仿真模型，驗證了控制方法的正確性和可行性。

1 直線電機的數學模型建立

直線電機由于其復雜的電磁關系不能建立起精確的數學模型，但它與永磁同步旋轉電機的數學模型基本相同，所以我們做一些假設，以方便建立數學模型：忽略鐵芯飽和的影響；渦流損耗和磁滯損耗忽略不計；永磁體沒有阻尼作用；反電動勢波形是正弦的。

基于上面的假設，選用定子電流ia、ib、ic，速度v及位移x為狀態變量，由電壓方程、機械運動方程和位移方程共同構成了直線電機的數學模型：

可以看出，直線電機數學模型是一個非線性耦合系統。可用坐標變換使各物理量從靜止坐標系變換到同步旋轉坐標系，從而使各交變的物理量都變成直流量，從而實現d、q兩軸的解耦。

2 模糊PI控制器設計

傳統的PID調節器整定要求被控對象有精確數學模型。而建立起直線感應電動機的精確動態數學模型是不易的，本文采用模糊控制實現雙直線電機往復泵的恒流控制。模糊控制適用于非線性系統，具有響應速度快、動態響應特性好的優點，但模糊控制的動作不夠精細，導致其穩態精度較差，因此將模糊控制與PI控制相結合，實現控制的目標，其控制原理圖如圖2所示。

由圖2所示，為了使直線電機具有更好的動靜態響應特性，模糊PI調節器根據不同的誤差E和誤差變化率Ec對參數進行調整，以達到理想的效果。

首先，模糊PI控制的模糊部分需將誤差和誤差變化率進行模糊化，然后根據模糊控制規則進行推理得到 △Kp和△KI，之后進行去模糊化，得到△Kp和△KI的值，通過以上兩步得到PI調節器的PI值為：

Kp=Kp0+△KpKI=KI0+△KI（6）

其中：Kp0為 Kp的基準值，KI0為KI的基準值。PI調節器不斷的調整PI參數的值，而使被控對象穩定可靠的運行。在雙直線電機的控制系統中，對速度環采用模糊PI控制，以速度值的偏差E，偏差變化率Ec作為輸入量，輸出為△Kp和△Ki。選取E、Ec的語言值為{負大（NB），負小（NS），零（ZO），正小（PS），正大（PB）}，選取輸出變量△Kp和△Ki的語言值為{負大（NB），負小（NS），零（ZO），正小（PS），正大（PB）}。

對PI參數的調整，需要根據一定的原則和經驗，最終得到△Kp和△KI的模糊控制規則表如表1、表2所示。

3 系統仿真與結果分析

直線電機采用特定的等加速—勻速—等減速運動規律和120°或60°的運動相位，從而理論上實現系統的恒流量控制。下面利用Matlab進行仿真，本系統采用雙閉環控制策略。

首先建立模糊控制器。在命令行輸入fuzzy ，就可以進入模糊推理系統編輯器（fiseditor）。利用這個工具可制作一個*.fis文件。如上面所述，本文采用偏差E和偏差變化率Ec兩個量作為模糊控制器的輸入，接著確定隸屬函數。雙擊黃色和綠色的方框就可以進入隸屬函數編輯對話框。設置E， Ec的range為[—2，2]，U的range為[—1，1]。matlab提供了11種隸屬函數，第一次使用選擇常用的三角形trimf。三角形隸屬函數有三個點確定，其實是三角形底邊兩個端點和中點。最后根據上面的規則表確定模糊控制規則。以E為例，如圖3所示。

模糊PI控制模塊利用Matlab模糊邏輯工具箱函數中的fuzzy函數，對雙直線電機我們采用雙閉環的控制策略，實現電機的穩定運行和協調控制，以達到抗干擾和恒流量輸出的目的，系統空載的情況下，整個控制系統的仿真圖形如圖4所示。

對整個系統采用模糊控制后，系統的抗干擾特性得到了加強，圖5為電機誤差曲線。

圖5中曲線1是在常規PI控制下的雙直線電機的同步誤差，2是采用模糊PI控制的誤差曲線，很明顯模糊控制的性能要優越常規的PI控制。我們可以得出，模糊控制對直線電機往復泵的控制可以達到更理想的效果。

4 結 語

對于直線電機往復泵因為其結構簡單有著巨大的發展潛力，在這種背景下本文探索了使用模糊PI控制的實現恒流輸出的方法。從仿真的波形來看，模糊控制的優越性比較明顯，外界對往復泵的干擾也能得到很好的抑制。為以后雙直線電機往復泵的控制提供了理論指導，并能很好的促進往復泵的發展。

參考文獻：

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[3] 翁秀華，郭慶鼎，劉德君.基于模糊自適應PDI的雙直線電機同步驅動系統控制[J].組合機床與加工技術，2004，（9）：28—29.