電機軟啟動自整定模糊控制器的研究與設(shè)計

    目前，軟啟動方式主要采用晶閘管交流調(diào)壓的方法。在電動機起動過程中通過控制晶閘管觸發(fā)角的大小，可使電動機的定子端電壓和起動電流根據(jù)工作要求設(shè)定的規(guī)律進(jìn)行變化。電動機的起動方式和起動電流均可任意調(diào)整和設(shè)置，使之處于最佳的起動過程。常用的晶閘管調(diào)壓控制電路如圖2所示。
    本文介紹參數(shù)自整定模糊控制技術(shù)在限流軟啟動中的應(yīng)用，利用模糊推理、模糊決策對電動機啟動過程中電流大小進(jìn)行控制，實現(xiàn)了系統(tǒng)平穩(wěn)啟動。

2 模糊控制的方案
    電機軟啟動傳統(tǒng)的方法是采用閉環(huán)PID控制對電動機進(jìn)行限流軟起動。但是由于異步電動機啟動過程是非線性時變系統(tǒng)，采用PID閉環(huán)控制并不能很好的解決異步電動機起動過程中電流沖擊問題。所以，本文采用快速調(diào)節(jié)能力強的參數(shù)自整定模糊控制技術(shù)應(yīng)用于電機軟啟動的控制中。模糊控制作為智能控制的一種方法，它最大的優(yōu)點就是不依賴于被控對象的精確的數(shù)學(xué)模型，能夠克服系統(tǒng)非線性因素的影響，對被控對象參數(shù)的變化具有較強的魯棒性。

3 基于自整定模糊控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)
    常規(guī)模糊控制器具有響應(yīng)時間短，超調(diào)量小，魯棒性好，適于非線性時變的復(fù)雜系統(tǒng)，建立模型相對容易等優(yōu)點。
    模糊控制器具有良好的動態(tài)品質(zhì)，同時也還存在一些問題：首先，常規(guī)的模糊控制器的控制規(guī)則建立之后就固定不變，難以獲得最優(yōu)控制指標(biāo)。相對于電動機軟起動過程這類復(fù)雜的被控對象，采用這種控制器不能獲得預(yù)期的控制效果，而且適應(yīng)系統(tǒng)和環(huán)境變化的能力差。
    為此我們采用參數(shù)自整定模糊控制技術(shù)，在運行過程中根據(jù)實際偏差和偏差變化率的大小，控制器選取不同的Ka、Kb、Kc以滿足動、靜態(tài)性能的不同要求。而且，基于量化、比例因子自調(diào)整方法，由于算法簡單高效，控制效果較好，很適合電動機軟啟動這類對控制的實時性要求較高的系統(tǒng)。
    如圖3所示，考慮系統(tǒng)控制情況，選電流偏差e、偏差變化率ec為輸入變量、晶閘管觸發(fā)角的變化值a為輸出量。當(dāng)量化因子Ke、Kec和比例因子取為常數(shù)時，可調(diào)整因子K1、K2、K3通過尋優(yōu)的方法，不斷更新K1、K2、K3的值從而完成模糊控制規(guī)則的自調(diào)整，使模糊控制系統(tǒng)有最佳的動態(tài)性能。

4 模糊控制參數(shù)的選擇
4．1 模糊隸屬函數(shù)
    本模糊控制器采用二維模糊控制，主模糊控制單元和模糊參數(shù)尋優(yōu)控制單元都以異步電動機的輸出電流與期望值的偏差e及偏差變化率ec作為輸入變量，其中主模糊控制單元輸出變量為晶閘管觸發(fā)角a的變化值。模糊參數(shù)尋優(yōu)控制單元的輸出可調(diào)整因子K1、K2、K3分別表示量化因子Ke、Kec以及比例因子Ka的調(diào)整系數(shù)值。
    e、ec以及模擬控制器的輸出a的論域取{-4，-3，-2，-1，0，+1，+2，+3，+4)，將其大小量化為9個等級。在模糊控制區(qū)內(nèi)將電流偏差分為7個模糊子集，即Ke的語言變量{負(fù)大，負(fù)中，負(fù)小，零，正小，正中，正大)，簡記為{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB)。
    為了運算簡便，對于輸入輸出變量采用簡單的三角形隸屬度函數(shù)。隸屬度函數(shù)賦值表如下表所示：

4．2 模糊控制規(guī)則
    綜合考慮電流偏差Ke和電流偏差的變化率Kec2羞兩個信號，采用的模糊推理規(guī)則的形式如下：

   
    Ke和Kec都有個模糊子集，所以共有49條模糊規(guī)則。該推理規(guī)則用模糊關(guān)系表示為
   
        相應(yīng)的模糊控制規(guī)則總表如表4所示

     解模糊使用的重心法，又稱加權(quán)平均法。其解模糊公式如下：

   
4．3 模糊控制器參數(shù)自整定
    在啟動過程中遵循的自整定規(guī)則如下：
    當(dāng)e和ec較大時，縮小K1和K2，降低對大偏差的分辨率，減少偏差，縮短過渡過程時間。當(dāng)e和ec較小時，系統(tǒng)已接近穩(wěn)態(tài)，這時應(yīng)增大K1和K2，提高系統(tǒng)對小偏差的分辨率，提高控制的靈敏度；當(dāng)誤差e較大，且與誤差變化ec符號相反時，應(yīng)適當(dāng)增大控制器k3的大小。當(dāng)誤差e較大，且與誤差變化ec符號相同時，系統(tǒng)響應(yīng)正加速偏離設(shè)定值，為減小這種不利趨勢，也應(yīng)適當(dāng)減小K3。系統(tǒng)響應(yīng)在設(shè)定值附近時(此時誤差e較小)，為防止產(chǎn)生較大的超調(diào)或欠調(diào)，K3應(yīng)該具有較寬的變化范圍。適當(dāng)減小比例因子以減小超調(diào)。經(jīng)過多次仿真和實驗，隨著偏差Ke和偏差變化率Kec的變化，K1、K2和K3分別按表5、6、7取值，可以得到理想的控制結(jié)果。

5 系統(tǒng)仿真與分析
    利用MATLAB的Simulink和SimpowerSystems、FuzzyLogicToolbox等工具進(jìn)行的系統(tǒng)仿真。
5．1 仿真模型的建立
    結(jié)合上述的方法建立的自整定模糊控制器仿真模型如圖4：

    結(jié)合三相電源模塊、同步環(huán)節(jié)模塊、脈沖發(fā)生環(huán)節(jié)模塊、三相交流調(diào)壓環(huán)節(jié)模塊以及控制環(huán)節(jié)得到整體軟啟動仿真模型如圖5。
    將采用傳統(tǒng)PID控制器獲得的響應(yīng)曲線和采用自整定模糊控制器獲得的響應(yīng)曲線對比可知，采用自整定模糊控制器獲得的控制效果更為理想，具體表現(xiàn)為：超調(diào)量較小、啟動過程平穩(wěn)，其輸出量幾乎和給定量達(dá)到重合。通過以上的對比可知，自整定模糊控制器的控制性能優(yōu)于傳統(tǒng)PID控制的控制性能，同時，也說明了本文設(shè)計的自整定模糊控制器獲得了較好的控制效果。

6 小結(jié)
    本章結(jié)合電動機軟啟動的特性在吸取自適應(yīng)和模糊控制算法各自優(yōu)點的基礎(chǔ)上，介紹了限流軟啟動自整定模糊控制器設(shè)計的整個過程；并對整個軟啟動控制系統(tǒng)進(jìn)行了動力學(xué)建模，最后，利用MATLAB的power system模塊庫以及Simulink模塊庫建立仿真模型功能進(jìn)行了系統(tǒng)仿真，仿真結(jié)果表明，自整定模糊能夠在軟啟動控制上取得較好的動、靜態(tài)性能。