一種新的模糊PID控制在電機(jī)軟啟動(dòng)中的仿真

摘要：由于異步電機(jī)軟啟動(dòng)過程中非線性時(shí)變的特點(diǎn)，采用傳統(tǒng)的PID控制方法難以達(dá)到理想的控制效果。為了大大減小交流電機(jī)啟動(dòng)過程中的電流，在此結(jié)合智能控制理論，設(shè)計(jì)出一種新型的模糊PID軟啟動(dòng)控制器。通過對電流大小進(jìn)行控制，優(yōu)化了系統(tǒng)的控制效果，實(shí)現(xiàn)了交流電機(jī)恒流軟啟動(dòng)控制。最后通過Matlab仿真，證實(shí)了該系統(tǒng)具有良好的動(dòng)靜態(tài)性能，達(dá)到了平穩(wěn)啟動(dòng)的目的，具有有效性和廣泛應(yīng)用性。
關(guān)鍵詞：軟啟動(dòng)；模糊控制；異步電動(dòng)機(jī)；Matlab

0 引言
    異步電機(jī)以其優(yōu)良的性能及無需維護(hù)的特點(diǎn)，在工農(nóng)業(yè)中得到廣泛應(yīng)用。三相異步電機(jī)的啟動(dòng)方法很多，比如直接啟動(dòng)、自耦降壓啟動(dòng)、延邊三角形啟動(dòng)等等。對于風(fēng)機(jī)泵類等恒功率負(fù)載，如果在額定電壓下直接啟動(dòng)三相異步電機(jī)，啟動(dòng)電流非常大(一般為Ie的5～8倍)，易引起電網(wǎng)電壓下降，同時(shí)影響電網(wǎng)上其他用電設(shè)備的正常運(yùn)行，這對于電機(jī)本身來講，沖擊電流造成局部溫升過大，降低電機(jī)壽命，給機(jī)械系統(tǒng)帶來強(qiáng)大的機(jī)械沖力，沖擊電流會(huì)以電磁波的形式干擾電氣儀表的正常運(yùn)行。因此宜采用軟啟動(dòng)的方法。

1 模糊PID軟啟動(dòng)電路的結(jié)構(gòu)及原理
    模糊PID復(fù)合控制方法最大的優(yōu)點(diǎn)是不依賴于被控對象精確的數(shù)學(xué)模型，適合于非線性、強(qiáng)耦合、不確定性的電機(jī)軟啟動(dòng)復(fù)雜系統(tǒng)。異步電機(jī)軟啟動(dòng)主回路結(jié)構(gòu)見圖1，利用三對反并聯(lián)的單向晶閘管來實(shí)現(xiàn)交流調(diào)壓，晶閘管調(diào)壓的控制方式采用相位控制，用來改變晶閘管的相位角α，得到不同的電壓(頻率不變)，從而實(shí)現(xiàn)電機(jī)的平穩(wěn)啟動(dòng)。

    交流電機(jī)定子電流經(jīng)過濾波后與啟動(dòng)電流給定值一起作為模糊PID調(diào)節(jié)器的輸入信號。dsPIC30F6014型單片機(jī)首先計(jì)算出啟動(dòng)電流設(shè)定值與反饋電流的偏差和偏差的變化率，然后以電流及電流的偏差作為輸入量，經(jīng)過模糊化后進(jìn)行模糊推理，最后將模糊推理結(jié)果通過解模糊后作為輸出調(diào)節(jié)量。解模糊調(diào)節(jié)器輸出的觸發(fā)信號，送至驅(qū)動(dòng)電路，由觸發(fā)角決定每個(gè)周期觸發(fā)脈沖的產(chǎn)生時(shí)刻，從而調(diào)節(jié)晶閘管的輸出電壓，從而起到限制啟動(dòng)電流，減小沖擊轉(zhuǎn)矩的作用。

2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
    人們運(yùn)用模糊數(shù)學(xué)的基本理論和方法，把規(guī)則的條件和操作用模糊集表示，并把這些模糊控制規(guī)則及有關(guān)信息作為知識存入計(jì)算機(jī)知識庫中，然后計(jì)算機(jī)根據(jù)控制系統(tǒng)的實(shí)際響應(yīng)情況，運(yùn)用模糊推理，即可自動(dòng)實(shí)現(xiàn)對PID參數(shù)的最佳調(diào)整，這就是模糊PID控制。模糊PID控制器以誤差e和誤差變化率ec作為輸入，利用模糊控制規(guī)則在線對PID的3個(gè)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，以滿足不同時(shí)刻的e和ec對PID參數(shù)自整定的要求。模糊PID控制器的基本結(jié)構(gòu)如圖2所示。在交流電機(jī)軟啟動(dòng)的過程中，通過檢測啟動(dòng)電流i設(shè)定值的偏差，以及偏差的變化率，這兩種檢測信號作為模糊PID控制器的兩個(gè)輸入，分別用e(kt)，ec(kt)表示，輸出為KP，KI，KD，再通過反模糊化，經(jīng)過調(diào)節(jié)器輸出控制晶閘管的導(dǎo)通角，調(diào)整電壓的輸出，進(jìn)而達(dá)到電機(jī)平穩(wěn)軟啟動(dòng)的要求。

    (1)模糊化
    在電機(jī)軟啟動(dòng)控制器系統(tǒng)中設(shè)計(jì)模糊PID控制器時(shí)，采用雙輸入／三輸出模式的Fuzzy控制器結(jié)構(gòu)。分別用e(kT)，ec(kT)表示，輸出為KP，KI，KD。為了方便描述，定義如下：
   
    式中：T為采樣時(shí)間；I(kT)為啟動(dòng)電流給定值；I0(kT)為第k個(gè)采樣時(shí)刻的電流輸出。
    (2)數(shù)據(jù)庫的建立
    設(shè)e(kT)，ec(kT)的論域?yàn)椋篨={-3，-2，-1，0，1，2，3}，在其論域上取7個(gè)變量NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB。對變量e(kt)，ec(kt)采用均勻分布的高斯三角隸屬函數(shù)，如圖3所示。圖3中e(kT)，ec(kT)的隸屬度。

    (3)規(guī)則庫和模糊推理
    模糊控制器的規(guī)則庫是基于專家知識或手動(dòng)操作人員長期積累的經(jīng)驗(yàn)，根據(jù)各參數(shù)的規(guī)則表進(jìn)行模糊推理。模糊推理如下：
   
    (4)解模糊
    輸出量為KP，KI，KD，其論域、語言變量e(kT)，ec(kT)一樣，此處采用加權(quán)平均解模糊的方法，即：
   
    式中：U(kT)為清晰化值；Ui(kT)為模糊控制器輸出；μc(Ui(kT))為對應(yīng)于Ui(kT)的隸屬度。

3 仿真結(jié)果
    為了驗(yàn)證模糊PID控制器理論設(shè)計(jì)的有效性，借助Matlab的Simulink工具箱建立交流電機(jī)模糊PID仿真系統(tǒng)。交流電機(jī)參數(shù)：額定功率為2．2 kW，額定電壓為220 V，定子電阻為0．457 Ω，定子電感為2 mH，轉(zhuǎn)子電阻為0．815 Ω，轉(zhuǎn)子電感為2 mH，互感為69．36 mH。交流電機(jī)軟啟動(dòng)時(shí)的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩、電流變化如圖4所示。

    從圖4中可以看出，啟動(dòng)過程中電機(jī)轉(zhuǎn)速平穩(wěn)上升，軟啟動(dòng)效果良好。在0～0．2 s時(shí)間內(nèi)，電磁轉(zhuǎn)矩時(shí)正時(shí)負(fù)，這是因?yàn)樵趩?dòng)初始，晶閘管導(dǎo)通角較小，電機(jī)相電流斷續(xù)。在0．2 s以后，隨著晶閘管導(dǎo)通角的增大，電磁轉(zhuǎn)矩趨于平穩(wěn)。除了在啟動(dòng)初始較短時(shí)間內(nèi)(1～2個(gè)周期)存在沖擊電流外，在交流電機(jī)啟動(dòng)過程中，電機(jī)電流保持在設(shè)定值40 A附近，恒流控制效果良好。當(dāng)交流電機(jī)啟動(dòng)完成后，電機(jī)電流回落到12 A附近，電機(jī)進(jìn)入穩(wěn)定工作狀態(tài)。這說明該模糊PID控制器能夠有效地起到減小啟動(dòng)電流，抑制沖擊轉(zhuǎn)矩的作用。

4 結(jié)語
    本文以dsPIC30F6014單片機(jī)和晶閘管為核心構(gòu)成電機(jī)軟啟動(dòng)裝置，采用一種新的模糊PID控制方法，實(shí)現(xiàn)了交流電機(jī)的平穩(wěn)軟啟動(dòng)。上述仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，利用模糊PID原理實(shí)現(xiàn)交流電機(jī)的恒流平穩(wěn)軟啟動(dòng)控制，可以有效地解決電機(jī)啟動(dòng)過程中沖擊電流大的問題，具有良好的啟動(dòng)性能和魯棒性。該軟啟動(dòng)器能夠根據(jù)負(fù)載情況調(diào)整參數(shù)，限制啟動(dòng)電流，減小沖擊轉(zhuǎn)矩，并且具有較小的超調(diào)量。該設(shè)計(jì)綜合了以往電機(jī)軟啟動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)，使之具有實(shí)用性和普遍性。