基于模糊控制的無級調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計

周曉玨

（江蘇商貿(mào)職業(yè)學院，江蘇 南通 226011）

0 引 言

隨著電力電子技術(shù)、計算機控制技術(shù)和微電子技術(shù)的高速發(fā)展，高性能的交流調(diào)速系統(tǒng)得到廣泛應(yīng)用。變頻調(diào)速系統(tǒng)優(yōu)點多，適應(yīng)性廣，是交流調(diào)速系統(tǒng)發(fā)展的主流方向，是最佳的調(diào)速傳動系統(tǒng)。一般而言，變頻調(diào)速系統(tǒng)是以微電子裝置為控制核心。可編程控制器（PLC）體積小、安裝靈活、編程簡單、抗干擾能力強和可靠性高，已被廣泛應(yīng)用于各種生產(chǎn)機械和生產(chǎn)過程的自動控制中。很多情況下，PLC是與變頻器配合使用的，由PLC提供控制信號，這樣不但可使電機控制精度高，而且能使控制系統(tǒng)運行更加穩(wěn)定。

1 控制方案

本控制方案引入模糊控制算法對電機轉(zhuǎn)速進行調(diào)節(jié)。為使電機穩(wěn)定運轉(zhuǎn)，我們將給定速度與通過旋轉(zhuǎn)編碼器采樣計算得到的實際速度相比較，產(chǎn)生的速度誤差經(jīng)PLC運算處理后輸入到變頻器以驅(qū)動電機，從而達到調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速的目的。這是一個閉環(huán)控制系統(tǒng)，如圖1所示。

2 硬件選型

結(jié)合江蘇商貿(mào)職業(yè)學院實驗室的資源，選用FX2N－32MR型號PLC、三菱FR－E700系列變頻器、一臺三相異步電動機、一臺測量轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，以及提供反饋信號的旋轉(zhuǎn)編碼器。

圖1 電機調(diào)速閉環(huán)控制系統(tǒng)

3 模糊控制器的設(shè)計

本設(shè)計選用基于軟件的模糊控制器來實現(xiàn)對電機的模糊控制。

3.1 確定輸入輸出模糊變量

在對電機的轉(zhuǎn)速控制中，采用二維的輸入變量即轉(zhuǎn)速誤差e和誤差的變化率ec，輸出量為PLC輸出脈沖的頻率變化值u。PLC通過旋轉(zhuǎn)編碼器采樣計算得到被控量的精確值，將此值與給定值比較，得到誤差信號e和誤差變化率de／dt。把誤差信號e和誤差變化率de／dt的精確量模糊化，變成模糊量E、Ec，經(jīng)模糊推理后得到模糊控制量U，再進行解模糊得到u，將u送入變頻器，從而實現(xiàn)對電機的控制。

在整個系統(tǒng)控制階段，通過旋轉(zhuǎn)編碼器采樣得到的信號是很清晰的，而模糊控制器的控制變量是模糊變量，因此，旋轉(zhuǎn)編碼器采樣的信號必須先進行模糊化處理，才可被模糊控制器處理。此環(huán)節(jié)主要包括確定輸入、輸出論域，設(shè)計輸入輸出變量的隸屬度賦值表。

3.2 建立模糊控制規(guī)則

控制規(guī)則是決定模糊控制器性能的關(guān)鍵因素，模糊控制規(guī)則采用adeh—Mamdani的“最大－最小”的方法進行合成運算，并且采用加權(quán)平均的方法進行輸出變量的清晰化計算。

3.3 解模糊

因為通過模糊推理輸出的是模糊集合，而變頻器只能接受清晰值，所以在模糊推理輸出到變頻器中間須加上解模糊化環(huán)節(jié)。模糊控制量U可依據(jù)所選取的條件語句被算出，即獲取關(guān)系如下：U＝（E×EC）R，即可獲取模糊控制查詢表。當對系統(tǒng)進行實時監(jiān)控時，可通過查詢此表，由輸入誤差和輸入誤差變化率的模糊值得到相應(yīng)的控制值。通常，在PLC中，該查詢表被儲存于PLC存儲器內(nèi)，用于控制模糊控制器。

3.4 編寫PLC模糊控制算法程序

一旦由旋轉(zhuǎn)編碼器采樣計算得到的電機轉(zhuǎn)速與頻率的設(shè)定值不同，則須在PLC程序中調(diào)用模糊控制算法程序來對轉(zhuǎn)速進行調(diào)節(jié)，從而確保電機按設(shè)定的頻率工作。

在編寫PLC模糊控制算法程序時，先將輸入、輸出變量的量化因子置入PLC指定的數(shù)據(jù)寄存器中，再將旋轉(zhuǎn)編碼器采集到的脈沖數(shù)換算成實際轉(zhuǎn)速，比較轉(zhuǎn)速實際值與目標值后得到轉(zhuǎn)速的誤差信號e和誤差變化率ec，將誤差信號e和誤差變化率ec與量化因子相乘即可獲得可查詢模糊控制查詢表的變量，查表后，將查表結(jié)果與輸出變量的量化因子相乘即可獲得輸出控制信號，從而實現(xiàn)對電機的控制。

圖2 模糊控制程序

模糊控制程序作為PLC的一個子程序，包括數(shù)據(jù)的讀取、模糊推理及控制信號輸出。PLC模糊控制程序如圖2所示，查詢表子程序如圖3所示。

圖3 查詢表子程序

4 結(jié)束語

基于模糊控制的無級調(diào)速，把可編程邏輯控制器與模糊算法相結(jié)合，用可編程邏輯控制器來達到模糊控制的目的，不僅增強了變頻調(diào)速系統(tǒng)的智能化水平，還發(fā)揮了可編程邏輯控制器可靠性高、適應(yīng)性強、靈活等優(yōu)點。此外用旋轉(zhuǎn)編碼器作為測量反饋信號的傳感器，構(gòu)成了一個閉環(huán)系統(tǒng)，不僅增強了變頻調(diào)速系統(tǒng)的控制精度，還使系統(tǒng)獲得更高的可靠性和更強的抗干擾能力。

［1］ 三菱通用變頻器FR－E700使用手冊［Z］.

［2］ MCGS嵌入版用戶指南［Z］.

［3］ 三菱FX2NPLC說明書［Z］.

［4］ 王建偉.基于PLC的電機變頻調(diào)速試驗系統(tǒng)開發(fā)［D］.太原：中北大學，2010.

［5］ 陸春元，李素蘋.基于PLC控制的三相異步電動機變頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計［J］.通用機械，2012，（5）：91－93.

［6］ 邵文權(quán)，景軍鋒.基于PLC和觸摸屏的交流變頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計［J］.現(xiàn)代電機技術(shù)，2009，（10）：110－112.

［7］ Anon.Frequency control of crane hoist speed［J］.Steel Times international，2003，7（5）：23.

［8］ David A Geller.Programmable Controller Using the Allen－Bradley SLC－500 Family［M］.New Jersey：Prentice Hall，2004.