基于智能方法的矢量控制變頻調(diào)速系統(tǒng)仿真研究

江蘇省徐州技師學(xué)院 陳 斌

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基于智能方法的矢量控制變頻調(diào)速系統(tǒng)仿真研究

江蘇省徐州技師學(xué)院 陳 斌

【摘要】近年來，新興的人工智能技術(shù)與矢量控制相結(jié)合的智能控制方法的研究取得了長(zhǎng)足的發(fā)展，國內(nèi)外對(duì)其研究和應(yīng)用十分活躍。本文在介紹模糊控制的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)出模糊控制器并將其與矢量控制相結(jié)合，搭建出模糊控制器構(gòu)成的矢量控制模型并進(jìn)行仿真驗(yàn)證系統(tǒng)的可行性。

【關(guān)鍵詞】異步電機(jī)；模糊控制；變頻調(diào)速；仿真

1　模糊控制的基本原理

模糊的基本原理是1965年 美國加利福尼亞大學(xué)控制理論專家L.A.Zadeh教授在Information&Control雜志上發(fā)表了模糊集“Fuzzy Set”一文，首次提出了模糊集合的概念。用模糊集合（Fuzzy Set）來描述模糊事物的概念，很快為科技工作者所接受。

在許多情況下，被控對(duì)象由于其過程復(fù)雜，機(jī)理有不明之處，一些檢測(cè)方法和檢測(cè)裝置無法進(jìn)入被測(cè)模型，導(dǎo)致控制過程數(shù)學(xué)模型無法構(gòu)建。因此用常規(guī)控制理論和控制方法去實(shí)現(xiàn)對(duì)這類對(duì)象的控制難以實(shí)現(xiàn)。假如把人的操作經(jīng)驗(yàn)歸納成一系列的規(guī)則，存放在計(jì)算機(jī)中，利用模糊集理論將它定量化，使控制器模仿人的操作策略，這就是模糊控制器，采用模糊控制器構(gòu)成的控制系統(tǒng)即模糊控制系統(tǒng)。

模糊控制相對(duì)于常規(guī)控制而言有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）無須建數(shù)學(xué)模型，是解決不確定性系統(tǒng)的一種有效途徑。（2）具有較強(qiáng)的魯棒性，可用于非線性、時(shí)變、時(shí)滯系統(tǒng)的控制。（3）控制規(guī)則能進(jìn)行分層聯(lián)接，并且每條規(guī)則可以再延伸聯(lián)接一個(gè)子規(guī)則庫，這就可以組成多級(jí)控制。

2　模糊控制器設(shè)計(jì)

模糊控制器設(shè)計(jì)一般采用硬件和軟件兩種方法實(shí)現(xiàn)。在計(jì)算量較小時(shí)，模糊控制器的功能可采用軟件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，若到計(jì)算量較大并且實(shí)時(shí)性要求較高時(shí)，其功能可以通過采用硬件設(shè)備實(shí)現(xiàn)。模糊控制器設(shè)計(jì)的內(nèi)容與步驟如下：

（1）模糊化

模糊化與反模糊化過程可看作為模糊規(guī)則與真實(shí)環(huán)境間的接口。一個(gè)實(shí)際值輸入應(yīng)表示為模糊集的形式，才能進(jìn)行推理計(jì)算。而模糊輸出集的信息應(yīng)被轉(zhuǎn)換為一個(gè)單值，這就是模糊推理系統(tǒng)的輸出實(shí)值。模糊化就是采用一個(gè)模糊集表示實(shí)值信號(hào)的過程。

（2）模糊推理規(guī)則的建立

模糊規(guī)則表示為“if…then…”條件語句。更清楚的表示是，對(duì)多個(gè)變化條件的前提經(jīng)推理產(chǎn)生一個(gè)決策結(jié)果。在應(yīng)用中，通常將采用的模糊規(guī)則用模糊控制規(guī)則表的形式表示出來。模糊規(guī)則可以通過相關(guān)領(lǐng)域的專家給出，也可以通過大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)出。無論應(yīng)用哪種方法，得到的模糊規(guī)則都是近似的，因而還需要解決這些規(guī)則的協(xié)調(diào)問題。既要保證模糊規(guī)則的完備性，即對(duì)于任何模糊輸入狀態(tài)，都必須產(chǎn)生一個(gè)模糊控制器的輸出，又要保證模糊規(guī)則的相容性問題，即模糊規(guī)則之間不能得到相互矛盾的結(jié)論。解決這兩個(gè)問題，往往需要一定工程經(jīng)驗(yàn)積累和試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

（3）確定權(quán)與規(guī)則信度

明確地建立模糊規(guī)則的權(quán)和知識(shí)庫中模糊規(guī)則信度之間的關(guān)系是相當(dāng)重要的。例如，考慮規(guī)則置信矩陣是二位的，即對(duì)每一個(gè)輸入集，只有一個(gè)規(guī)則的信度是非零，其值為1、這個(gè)限制意味著。權(quán)值只能是有限個(gè)值（模糊輸出集的“中心”）中的一個(gè)。對(duì)每個(gè)模糊輸入隸屬函數(shù)，允許超過一個(gè)規(guī)則的可信度為有效，應(yīng)用位于單位區(qū)間內(nèi)的信度.允許相應(yīng)的權(quán)去估計(jì)任何位于模糊輸出集中的值。

（4）選擇合適的推理合成算法與關(guān)系生成方法

設(shè)計(jì)模糊控制器需要選擇適當(dāng)?shù)年P(guān)系生成方法和推理合成算法。最常用的比較簡(jiǎn)便的方法是Mamdanl方法，模糊推理算法與模糊規(guī)則直接相關(guān)。它的復(fù)雜性依賴于模糊規(guī)則語句中模糊集的隸屬函數(shù)的確定。選擇一些簡(jiǎn)單的又能反映模糊推理結(jié)果的隸屬函數(shù)可以大大簡(jiǎn)化模糊推理的計(jì)算過程。通常高斯隸屬函數(shù)、梯形隸屆函數(shù)和三角形隸屆函數(shù)是使用最多的隸屬函數(shù)。

（5）反模糊化

反模糊化就是壓縮模糊輸出集分布產(chǎn)生一個(gè)表達(dá)模糊系統(tǒng)輸出的單值，然后再經(jīng)過推理過程的輸出。

3　模糊控制器組成的矢量控制變頻調(diào)速仿真模型

Matlab軟件中具有豐富的工具箱，其中的模糊邏輯工具箱Fuzzy Logic Toolbox用于建立模糊控制器，在Matlab軟件命令窗口中輸入fuzzy，即可進(jìn)入模糊控制器編輯界面，然后根據(jù)控制要求構(gòu)建一個(gè)二維的模糊控制器。模糊控制器中的e、ec、u ，分別代表輸入量誤差、誤差變化量和輸出控制量，它們都是的精確量且連續(xù)變化，所以應(yīng)先將這些參數(shù)離散化。

如果［-n，n］是模糊子集的論域，［-x，x］為精確量的實(shí)際變化范圍，Ke=n/x則為誤差的量化因子，Kc=n/x為誤差變化量化因子，Ku=x/n為輸出控制量的比例因子。將e、ec、u劃分為七個(gè)模糊子集并進(jìn)行量化，｛正?。≒S）、正中（PM）、正大（PB）、零（Z）、負(fù)大（NB）、負(fù)中（NM）、負(fù)?。∟S）、｝分別表示語言變量，并確定其隸屬度。然后將控制規(guī)則編組表達(dá)出專家的操作經(jīng)驗(yàn)，最后采用模糊推理建立模糊查詢表，這就把模糊控制器簡(jiǎn)化為查表運(yùn)算。

［-150rad/s，150 rad/s］是轉(zhuǎn)速誤差的基本論域值，［-60rad/S2，60rad/S2］是其誤差變化率的基本論域，作為輸出控制量，基本論域 ［-200N.m，200 N.m］是輸出控制量的轉(zhuǎn)矩給定值，量化論域設(shè)定為［-5，5］，因此比例因子和量化因子分別為：

模糊控制器的輸入為偏差及偏差變化，輸出為轉(zhuǎn)速估計(jì)增量。設(shè)模糊自適應(yīng)信號(hào)的偏差、偏差變化的模糊變量分別為e，ec表示，輸出為u（如圖1）。

表1　模糊控制規(guī)則

圖1　兩輸入一輸出的模糊控制器結(jié)構(gòu)

模糊語言值最終是通過隸屬函數(shù)來描述的。隸屬函數(shù)的形狀越陡，分辨率就越高，控制靈敏度也較高；相反，隸屬函數(shù)的變化率越緩慢，則控制特性也較平緩，系統(tǒng)的穩(wěn)定性較好。選取各變量的隸屬度函數(shù)如圖2和圖3所示。

圖2　輸入變量e、de的隸屬度函數(shù)

圖3　輸出變量Δω的隸屬度函數(shù)

為了得到輸出信號(hào)u，首先根據(jù)模糊的磁鏈誤差e，ec，結(jié)合模糊規(guī)則以及重心法，轉(zhuǎn)換成可識(shí)別信號(hào)，乘以合適的比例因子，從而得到最后的調(diào)節(jié)信號(hào)。輸入、輸出的各個(gè)模糊子集的隸屬度函數(shù)控制規(guī)則如表1所示。

模糊控制器構(gòu)成的矢量控制仿真模型如圖4所示：

圖4　模糊控制器構(gòu)成的矢量控制變頻調(diào)速仿真模型

4　仿真結(jié)果分析

圖5　突加負(fù)載時(shí)電流、轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速曲線

圖6　突減負(fù)載時(shí)電流、轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速曲線

從圖5的結(jié)果可以看出：給定速度150rad/s，空載運(yùn)行，轉(zhuǎn)速上升需要0.5s時(shí)間，1.5s時(shí)加入200N·M擾動(dòng)，轉(zhuǎn)矩減小，轉(zhuǎn)速幾乎無變化，系統(tǒng)穩(wěn)定性好。從圖6的結(jié)果可以看出：給定速度150rad/s，恒轉(zhuǎn)矩200N·M運(yùn)轉(zhuǎn)速上升需要1.3s時(shí)間，1.5s時(shí)突減200N·M擾動(dòng)，轉(zhuǎn)速幾乎無變化，系統(tǒng)穩(wěn)定性好。

圖7　轉(zhuǎn)速減少時(shí)電流、轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速曲線

圖8　轉(zhuǎn)速增加時(shí)電流、轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速曲線

從圖7的結(jié)果可以看出：給定速度150rad/s，恒轉(zhuǎn)矩200N·M運(yùn)行，轉(zhuǎn)速上升需要1.3s時(shí)間，在1.5S時(shí)電機(jī)速度由150 rad/s突減至100 rad/s，穩(wěn)定時(shí)穩(wěn)定時(shí)間為0.2s。

從圖8的結(jié)果可以看出：給定速度100rad/s，恒轉(zhuǎn)矩200N·M運(yùn)行，轉(zhuǎn)速上升需要0.8s時(shí)間，在1.5S時(shí)速度由100 rad/s突加至150 rad/s，穩(wěn)定時(shí)間為0.5S，轉(zhuǎn)速提升時(shí)間，跟隨性好。

從以上仿真圖形可以看出，從空載啟動(dòng)到穩(wěn)定運(yùn)行的過度時(shí)間為0.5秒，表明系統(tǒng)響應(yīng)速度快，而且轉(zhuǎn)速加速過程無超調(diào)量。因此在系統(tǒng)中加入模糊控制器后，系統(tǒng)在響應(yīng)速度和穩(wěn)定性等方面明顯優(yōu)于由PI控制器構(gòu)成的矢量控制系統(tǒng)。

速度上升時(shí)間短，響應(yīng)時(shí)間快，在加速的過程中速度無超調(diào)量，速度的跟隨性、穩(wěn)定性和動(dòng)態(tài)誤差等參數(shù)明顯優(yōu)于采用PI控制器的矢量控制系統(tǒng)。在1.5s時(shí)突加200N·M負(fù)載轉(zhuǎn)矩時(shí)，轉(zhuǎn)矩從零迅速突變?yōu)轭~定負(fù)載值之后保持不變，此時(shí)轉(zhuǎn)速迅速下降，但在下降的過程中動(dòng)態(tài)速降很小。由此可見，當(dāng)負(fù)載改變時(shí)對(duì)系統(tǒng)的響應(yīng)幾乎無影響。仿真表明，在模糊控制下矢量控制變頻調(diào)速系統(tǒng)轉(zhuǎn)速上升時(shí)間比較快，達(dá)到穩(wěn)定的時(shí)間比較短，無超調(diào)，調(diào)整時(shí)間短，對(duì)負(fù)載變化不敏感，具有較強(qiáng)的魯棒性，明顯優(yōu)于PI控制器，達(dá)到了比較好的效果。

5　結(jié)論

本文首先介紹了模糊控制基本理論，模糊控制系統(tǒng)的組成和求解機(jī)理，然后將模糊控制與矢量理論相結(jié)合，設(shè)計(jì)出由模糊控制器構(gòu)成的矢量控制變頻調(diào)速模型，并在MATLAB/SIMULINK中進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)。與由PI控制器構(gòu)成的矢量控制模型相比，模糊矢量控制模型的穩(wěn)定性，速度跟隨性，抗擾動(dòng)能力比前者要更好。

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作者簡(jiǎn)介：

陳斌（1980—），男，江蘇徐州人，碩士研究生，江蘇省徐州技師學(xué)院講師，研究方向：交直流調(diào)速控制。