交-交變頻器自適應控制系統的設計及仿真

魯西坤，鞏銀苗，杜慶楠

（1.安陽工學院 電子信息與電氣工程學院，河南 安陽 455000；2.河南理工大學 電氣工程與自動化學院，河南 焦作 454000）

1 變頻器概述

變頻調速技術結合電機控制理論，根據調速系統的高性能要求，對電能進行控制。變頻調速系統可以分為功率變換和信息處理兩部分。電機的先進控制技術的演化、新型功率元器件拓撲結構的發展以及智能控制技術的引入，在很大程度上推動了變頻調速技術的飛速發展[1-3]，同時也決定了變頻調速技術會向著基于先進控制理論的高水平控制策略，主電路拓撲結構向多元化、系統高速處理的數字化、綠色變頻等方向發展。近幾年，隨著自適應調速理論的發展和完善，該控制方式在交-交變頻方向的應用也逐漸展開。

自適應控制是指系統能夠根據設定的參數的變化，作出最佳的調整策略，來提高系統的控制精度，降低系統的反應時間，從而達到對系統的最佳控制。比例積分微分（Proportion Integration Differentiation，PID）算法是自適應控制中一種比較好的控制算法，但是由于普通的PID控制算法的參數是一組固定的數值，雖然能夠實現對變量的控制，但是在控制精度和靈敏度上，不能很好地適應系統的變化[4-5]。為了實現對系統的自適應控制，本文在交-交變頻調速系統內，引入了專家PID控制算法，建立了專家知識庫，并建立了基于矩陣實驗室（Matrix Laboratory，Matlab）的仿真模型，利用專家控制策略，實行在線自動修正PID參數以及改變控制策略，使系統適應在不同工作狀態下的特性，從而實現交-交變頻的自適應控制。

2 專家PID控制算法

2.1 專家PID的構成及具體實現

專家控制系統是基于知識或經驗的控制系統，主要處理定性的、啟發或不確定的問題，根據專家知識庫，通過邏輯推理最終實現對系統的控制。專家PID結構原理如圖1所示，專家控制部分主要包括：專家知識庫和邏輯推理，原理圖中的各個模塊都是由交-交變頻器的主控芯片來完成的，CPU根據轉差頻率、電網當前電壓、系統當前狀態來調整具體的PID參數，并按照PID參數進行運算，計算出下一時刻系統應該的輸出頻率和電壓值，從而達到調速效果，其具體實現的程序流程如圖2所示。

圖1 專家PID控制原理

圖2 專家PID程序流程

2.2 專家知識庫的建立

專家控制性能的好壞取決于知識庫的完整性和正確性，知識庫的獲取有多種途徑[6]，一是可以從控制領域專家那里獲取調試規則，另外一種方法是通過系統仿真的方法間接獲取[7-9]。具體內容如下。

（1）想要使系統的調速效果滿足系統在不同分頻不同負載情況下，不同的性能要求，所設置的PID控制器的比例、積分以及微分系數就應該選擇不同的參數值。在各個分頻下均選取一組能夠使系統運行良好的PID參數，如表1所示。

表1 不同分頻下的PID參數

（2）為了在調速的過程中，方便系統對輸出電壓的靈活控制，滿足調速系統要求，特將不同速度給定的情況按區域劃分，去調節系統的輸出，具體的劃分情況如表2所示。

表2 給定速度的區域劃分

2.3 專家PID控制規則

專家PID控制算法最主要的一點就是系統能夠根據建立的專家知識庫[10]，結合系統運行的具體狀態，去判斷選擇合適的PID參數，調整PID對變量的限幅值以及改變PID控制器的結構，從而達到調速的目的。其中專家PID的控制規則如下。

（1）PID的上、下限幅值的調整規則。在對系統進行編程設定時，根據具體的參數情況，可以將系統的不同運行狀態進行區域劃分，并在不同的區域分別設定控制量的上限值和下限值。系統運行時，可以根據電機的運行狀態，判斷當前處于哪一個區域，系統根據對控制量的調節運算，決定具體的下一時刻的控制量的輸出。當PID運算的控制量的輸出值大于設定的上限值時，系統將強制把設定的上限值賦值給控制量，而當PID運算的控制量的應該輸出的值小于該區域設定的下限值時，系統會強制將控制變量的輸出幅值限定為下限值。

（2）KP，KI，KD的調整規則。PID控制器的主要參數變量為KP，KI和KD，根據列入的專家知識庫，在系統運行時會根據具體的區域，選擇專家知識庫中的對應的PID參數，以滿足系統對調節性能的需求。

（3）PID控制規則。通過改變PID控制器的各項參數，可以實現改變交-交變頻調速系統的性能。增加控制器的比例系數可以減少系統的響應時間，減小系統穩態誤差；減小控制器的微分系數可以減小系統的超調量[49]；增大控制器的積分系數同樣可以減小系統超調量，加快響應速度。過分調節某一個參數又會使系統其他方面的性能減弱。

圖3 交-交變頻自適應控制系統仿真模型

3 仿真模型的建立

結合Matlab中Simulink環境下的電氣結構特點，以及交-交變頻器的主電路結構特點，文章建立了交-交變頻器自適應控制系統的仿真模型，為了使系統的結構更加簡潔明了，將相同功能的模塊進行了封裝，使其成為具有某一特定功能的子模塊，如圖3所示。由圖可知該系統主要由電源模塊，觸發S函數模塊，電機模塊，脈沖觸發及晶閘管模塊，小電流檢測模塊和其他一些檢測模塊、電機負載模塊、速度給定S函數模塊和自適應控制S函數模塊等構成[11]。

4 仿真結果及分析

本設計在建立的交-交變頻自適應控制系統仿真模型中，加入專家PID控制算法，將專家PID控制規則寫入到專家PID知識庫之中，并結合交-交變頻器實時在線的控制算法，對仿真模型進行仿真探索，并對仿真結果進行分析。

為了驗證交-交變頻器中加入專家PID控制算法后的效果，文章對仿真模型進行分頻仿真研究，并對比加入專家PID控制算法前后的仿真效果，其對比效果如圖4所示。在系統仿真的時候設定系統的負載轉矩為1N·m，轉速給定設置為650 r/min的仿真效果圖，設定系統的靜態誤差為2 r/min。

圖4 給定450r/min交-交變頻啟動效果

對比圖4中的（a）和（b）可以看出：在加入專家PID控制前，系統從開始啟動，到系統最終穩定下來，總共用時0.8 s，并且在啟動的過程中，系統出現了較大的振蕩，超調量較大，其超調量為4.1%；加入專家PID控制后，系統總共用時0.6 s便穩定了下來，且系統在啟動的過程中，沒有出現大的振蕩，超調量較小，該情況下系統的超調量為1.7%，由于設定了系統的穩態誤差值，故系統穩定后的穩態誤差較小，幾乎無變化。

結合以上分析結果可以得出：在交-交變頻調速系統中加入自適應策略后，尤其是在加入專家PID控制算法后，可以明顯地降低系統的響應時間，減少系統啟動過程中出現的震動，降低系統的超調量，增加了系統的穩定性。

5 結語

本文根據對交-交變頻器調速原理的分析，在系統中加入了自適應控制策略，引入了專家PID控制算法，在Matlab/Simulink環境中搭建了交-交變頻器自適應控制系統的仿真模型，并對該系統進行了簡要的介紹。通過仿真對比分析了在加入專家PID控制算法前后系統的各項性能的狀況；整體上由于在自適應控制策略中加入了專家PID算法，使得系統在調速的過程中，尤其是在啟動過程中（論文中分析的是啟動過程，其實對負載轉矩突變，轉速給定突變等情況同樣適用）適應性增強，同時也提高了系統的響應速度，提高了系統的控制精度，降低了系統的穩態誤差，使得系統能夠完全適應外界因素的變化。仿真結果證明在交-交變頻器中加入自適應控制策略可以明顯提高系統的響應速度，提高系統的穩定性，降低系統的超調量，有利于實現工業控制中對各種工況的需求，可以大面積地推廣使用。

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