基于Matlab/Simulink的模糊PID控制的異步電機矢量控制系統仿真

王翀 仝永臣

摘 要：為改善因電機參數變化和負載波動等因素引起異步電機矢量控制系統性能變差的問題，研究設計了一種模糊自整定PID控制器。模糊控制器的量化因子、比例因子可以根據輸入變量的大小調整，從而自動調整模糊控制規則。并在matlab/simulink上建立系統仿真模型進行了仿真試驗驗證，給出了試驗波形及分析結果。仿真結果說明，該異步電機矢量控制系統動態和穩態性能都得到提高，而且具有很好的魯棒性。

關鍵詞：模糊自適應控制；矢量控制；PID；異步電機；matlab/simulink

0 引言

PID控制在動態控制過程中有過去、現在和將來的信息，可以通過參數設定將其配置做到最優，是交流電機驅動系統中最基本的控制形式，其應用廣泛，PID控制在定常線性系統中能得到很好的控制效果，但是其在處理非線性、大滯后等復雜工業對象以及難以建立數學模型或者模型非常粗糙的工業系統時，難以到達預想的效果[1，2]。智能控制理論不依賴于控制對象數學模型的精確建立，可以很好的解決系統魯棒性問題。但是大多數智能控制方法原理過于復雜或是附加條件過多，這些不利條件嚴重影響了它們的工程實用化進程。只有盡可能簡單的控制方法才是工程應用中實用的控制方法[3]。通過分析，本文在傳統PID基礎上加入模糊自整定模塊，充分利用傳統PID控制控制簡單有效的特點，還能實現控制過程PID參數模糊自整定，從而實現了最佳的控制效果，提高了系統的魯棒性及自適應能力。

1 模糊PID控制系統基本原理

模糊PID控制器由一個常規的PID控制器和一個模糊自調整機構組成。其結構框圖如圖1所示。該系統一改傳統PID控制器的固定參數Kp，Ki，Kd的控制策略，基于常規PID控制器，首先對輸入量e和ec進行模糊化處理，再根據預設知識庫中的控制規則進行模糊推理，最后對輸出清晰化處理，實現對PID各參數的動態自整定， 使PID控制器對被控對象的控制效果達到最佳，使系統具有較強的魯棒性[4]。

圖1 模糊自整定PID控制結構框圖

2 模糊PID控制器設計

2.1 PID參數模糊自整定的原則。

3 在異步電機矢量控制系統中的應用及Matlab仿真

3.1 仿真模型的建立和算法實現。在Matlab中Simulink 環境下將模糊邏輯工具箱（fuzzy logic tool box） 與Matlab函數相結合對上面提出的PID模糊控制系統進行了仿真研究，推理方法采用工程上常用的Mamdani方法，利用“極大-極小”合成模糊規則，進行模糊運算[8，9]。根據表1，調節規則可以寫成49條模糊條件語句。模糊規則編輯窗口如圖3.1。

建立模糊推理規則后，可以通過操作查看規則圖示或三維曲面圖形（圖3.2、3.3）。

ASR速度調節器的傳統PID及自適應模糊PID控制模塊如圖3.4、圖3.5所示。

圖3.7為本文搭建的帶轉矩內環，轉速、磁鏈閉環的矢量控制系統仿真模型[8]，其中，主電路由直流電源DC、逆變器inverter、電動機AC motor和電動機測量模塊組成，其中由電流滯環脈沖發生器模塊產生逆變器的驅動信號，轉子磁鏈觀測器采用了兩相旋轉坐標系上的磁鏈模型，系統仿真模型還包括3s/2r及2r/3s轉換模塊、速度調節器、轉矩調節器和磁鏈調節器。其中轉速控制可切換為兩種不同控制方式，即傳統PID控制和模糊自整定PID控制。矢量控制調速系統仿真模型如圖3.6、圖3.7所示：

3.2 仿真結果與分析。分別在空載無擾動、空載加擾動、轉速改變三種情況分別對系統傳統PID和模糊自整定PID控制器進行了仿真實驗，得到下列曲線。

空載無擾動的仿真結果如圖3.8.1所示，由圖中仿真曲線看出模糊自整定PID控制相比傳統PID控制響應速度快、響應時間短，系統穩態性要好。

空載加擾動的仿真結果如圖3.8.2所示，由圖中仿真曲線看出，當系統負載波動時，模糊自整定PID控制相比傳統PID控制響應速度快、超調量小、穩態性能更好。

轉速改變的仿真結果如圖3.8.3所示，由圖中仿真曲線看出，當改變系統轉速，對系統進行調速操作時，模糊自整定PID控制相比傳統PID響應速度快、穩態性能更好。

4 結語

本文建立的模糊自整定PID控制器將模糊自適應控制應用到傳統PID控制中。保留了傳統PID控制器簡單有效的優點，通過模糊自整定模塊實時在線調整控制器的比例、積分、微分因子，克服了其在復雜非線性系統中控制性能差的缺點。仿真實驗對模型進行了驗證，也表明該新型控制器在響應速度、響應時間和穩定性上較傳統PID控制有了很大提升，具有很好的實用價值。

參考文獻：

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