劉愛民，張紅奎，趙前程，黃 旭

(沈陽工業(yè)大學電氣工程學院，沈陽 110870）

0 引言

近年來，隨著智能電網(wǎng)技術(shù)的迅猛發(fā)展，對電器設(shè)備的安全性和可靠性要求越來越高，斷路器作為電力系統(tǒng)的重要開關(guān)設(shè)備其智能化操作已是當今研究的熱點。在不同工作情況下，高壓斷路器觸頭的速度特性有很大差別。觸頭能否按理想曲線動作取決于操作機構(gòu)的特性。傳統(tǒng)的操作機構(gòu)采用彈簧、氣動和液壓等技術(shù)，連桿多、結(jié)構(gòu)復雜、累計公差大難以實現(xiàn)斷路器分/合閘操作的可靠控制［1］。

電力電子技術(shù)的日臻成熟和電機機構(gòu)應(yīng)用到高壓電器領(lǐng)域，為高壓斷路器按理想曲線操作提供了可能。電機機構(gòu)通過電機帶動絕緣拉桿進而驅(qū)動斷路器觸頭動作，完成分/合閘操作，運動部件少、結(jié)構(gòu)簡單、動作分散小。采用先進的控制算法對電機機構(gòu)動作進行精確控制，不僅可以使斷路器按理想速度特性曲線操作，還可以降低操作時產(chǎn)生的機械振動和噪音。

本文針對斷路器的操作要求，建立了高壓斷路器無刷直流電機機構(gòu)控制系統(tǒng)的仿真模型。在詳細分析電機機構(gòu)和模糊控制原理的基礎(chǔ)上，并對高壓斷路器分/合閘過程進行仿真分析。與常規(guī)PID控制方法相比，模糊自適應(yīng)PID控制不但實現(xiàn)了電機機構(gòu)運動的可靠控制，還大大提高了控制精度［2-3］。

1 無刷直流電機機構(gòu)

1.1 無刷直流電機機構(gòu)

無刷直流電機機構(gòu)是由一臺配有制動裝置的有限轉(zhuǎn)角永磁無刷直流電機直接驅(qū)動傳動機構(gòu)帶動斷路器分/合閘操作［4］。電機通過法蘭、傳動機構(gòu)與斷路器轉(zhuǎn)軸連接，電機機構(gòu)與斷路器之間的傳動機構(gòu)由轉(zhuǎn)軸、拐臂、觸頭彈簧、絕緣拉桿和三角拐臂組成的一套四連桿機構(gòu)(如圖1所示）。

圖1 高壓斷路器永磁無刷直流電機機構(gòu)的結(jié)構(gòu)簡圖

1.2 無刷直流電機機構(gòu)理想運動曲線

根據(jù)40.5kV高壓斷路器分/合閘運動特性，規(guī)劃無刷直流電機機構(gòu)理想動作曲線(如圖2所示）。設(shè)分閘時間為0.016s，則最大速度可達2.45m/s，速度特性為:快～更快～慢～停止;合閘時間為0.02s，則速度最大值為2m/s，速度特性要求為:零～低速～高速～零，操作曲線應(yīng)平滑，不出現(xiàn)明顯拐點。

圖2 無刷直流電機機構(gòu)分/合閘操作速度——時間規(guī)劃曲線

2 模糊控制的基本原理

2.1 模糊控制的數(shù)學基礎(chǔ)

模糊集合理論是經(jīng)典集合理論的擴展，在模糊集合理論中，一個元素既能部分地屬于一個模糊集合，又可以部分地屬于另一個模糊集合。由于模糊集合沒有明確的邊界，只能用隸屬函數(shù)來表示一個元素屬于一個集合的程度。具體定義如下:

設(shè)給定論域U，μA為U到封閉區(qū)間［0，1］的任一映射:

可以確定U的一個模糊集合A，μA稱為模糊集合A的隸屬函數(shù)。模糊集合和它的隸屬函數(shù)一一對應(yīng)，模糊集的運算可通過隸屬函描述。

模糊關(guān)系描述元素之間關(guān)聯(lián)的程度，把普通集合關(guān)系的定義推廣到模糊集合中，便可得到模糊關(guān)系的定義，設(shè)兩個論域A和B，由A和B的直積可以得新論域A×B，A和B的模糊關(guān)系R就是定義在直積A×B上的一個模糊集合，它把論域上的每個元素(a，b）映射為0與1之間的隸屬度，即

式中隸屬度μR(a，b）表示序偶(a，b）具有關(guān)聯(lián)R的程度，當A=B時，R稱為A上的模糊關(guān)系。

2.2 模糊控制的基本原理

模糊控制系統(tǒng)(如圖3所示）的核心部分為模糊控制器，控制規(guī)則由軟件程序?qū)崿F(xiàn)。計算機通過中斷采樣獲取被控量的精確值，然后與給定值比較得到誤差信號E作為模糊控制器的一個輸入量，把誤差信號E進行模糊化變成模糊量。將模糊量用模糊語言表示，得到誤差信號E的模糊語言集合的一個子集e，再由e和模糊控制規(guī)則R根據(jù)推理的合成規(guī)則進行模糊決策，得到模糊控制量u，即

的u為一個模糊量。

為了對被控對象施加精確控制，還需要將模糊量u清晰化轉(zhuǎn)換為清晰量。數(shù)字控制量經(jīng)數(shù)模變換變?yōu)槟M量，送給執(zhí)行機構(gòu)，從而實現(xiàn)對被控對象的精確控制［5］。

3 高壓斷路器無刷直流電機機構(gòu)控制系統(tǒng)建模

在MATLAB的Simulink的仿真環(huán)境下，采用模塊化方法將整個系統(tǒng)分成幾個功能模塊分別進行建模，通過這些模塊的有機組合，建立整個系統(tǒng)的仿真模型(如圖4所示）。其中電機模塊實現(xiàn)其內(nèi)部各項參數(shù)的計算;換相模塊檢測電機轉(zhuǎn)子位置，為IGBT的通/斷提供驅(qū)動信號;可控電壓源和IGBT組成能量供應(yīng)和調(diào)節(jié)模塊，為電機動作提供能量;速度環(huán)、轉(zhuǎn)矩環(huán)和位置環(huán)實現(xiàn)對被控量的實時調(diào)節(jié)［6-7］。

圖4 高壓斷路器無刷直流電機控制系統(tǒng)仿真圖

3.1 換相控制模塊

在仿真系統(tǒng)中，位置的判斷通過函數(shù)的形式產(chǎn)生一定頻率的方波信號。根據(jù)霍爾信號與開關(guān)管之間的邏輯關(guān)系，可以得到電機旋轉(zhuǎn)不同位置時對應(yīng)的驅(qū)動信號狀態(tài)(如表1所示）。其中，數(shù)字0表示低電平，數(shù)字1表示高電平。

表1 霍爾信號與換相的對應(yīng)關(guān)系

根據(jù)表1得出開關(guān)管的驅(qū)動信號與霍爾元件輸出信號之間邏輯的關(guān)系，建立無刷直流電機換相邏輯的仿真模型(如圖5所示）。

圖5 無刷直流電機換相邏輯模型

3.2 模糊自適應(yīng)PID控制器

要提高模糊控制器的精度和跟蹤性能，控制量應(yīng)選擇多種語言變量，分檔越細性能越好。但缺點是規(guī)則數(shù)和計算量大大增加，從而使調(diào)試更加困難，控制器的實時性也難以滿足要求。所以本文采用模糊和自適應(yīng)PID混合控制策略(如圖6所示），即保留了模糊控制器快速響應(yīng)的特點，同時系統(tǒng)穩(wěn)定性也得到很大的提高。

轉(zhuǎn)速環(huán)以速度誤差e和誤差變化率ec作為輸入，系數(shù)KP、KI、KD作為輸出構(gòu)造二維模糊控制器。e和ec經(jīng)模糊化處理得到模糊語言變量E和Ec。E和Ec的模糊子集均為 {NB，NM，NS，Z，PS，PM，PB}。同樣，輸出量 KP、KI、KD的模糊子集均為{NB，NM，NS，Z，PS，PM，PB}。選取變量 E、Ec以及 KP、KI、KD的論域均{-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6}，并設(shè)E、Ec服從高斯型隸屬函數(shù)曲線分布，KP、KI、KD服從三角型隸屬函數(shù)曲線分布。為了得到較好的穩(wěn)態(tài)性能，對偏差E進行不規(guī)則劃分使得在E為零附近有較高的靈敏度，保證系統(tǒng)達到較高的穩(wěn)態(tài)控制精度。輸入量的隸屬度函數(shù)如圖7所示。

圖6 模糊自適應(yīng)PID控制的速度環(huán)

圖7 輸入隸屬度函數(shù)

為了便于觀察輸入量與輸出量的關(guān)系，在GUI中建立空間曲面，把整個論域上各個輸入量與輸出量間的函數(shù)關(guān)系表示出來(如圖8所示）。從圖可見，輸出曲面光滑，表明輸出函數(shù)連續(xù)性很好。

圖8 輸入量和輸出量曲面觀測窗

模糊控制規(guī)則是專家的經(jīng)驗和操作者的技能加以總結(jié)而得出的模糊條件語句的集合。本模型的模糊規(guī)則可用以下49條模糊條件語句來描述:

根據(jù)上面的模糊規(guī)則進行精確化計算，把語言表達的模糊量回到精確數(shù)值，也就是根據(jù)輸出模糊子集的隸屬度和比例因子計算出輸出量的精確值。

4 高壓斷路器無刷直流電機機構(gòu)控制系統(tǒng)仿真分析

控制系統(tǒng)仿真圖如圖9所示，采用速度、位置和轉(zhuǎn)矩三閉環(huán)控制。內(nèi)環(huán)為轉(zhuǎn)矩環(huán)和位置環(huán)，采用傳統(tǒng)PID控制;外環(huán)為速度環(huán)，采用常規(guī)PID控制和模糊自適應(yīng)PID控制兩種策略，并進行對比分析。將理想操作曲線與實際曲線比較，得到誤差信號，經(jīng)過外環(huán)的速度調(diào)節(jié)，速度環(huán)輸出作為位置環(huán)的輸入，轉(zhuǎn)矩環(huán)以位置環(huán)的輸出作為輸入，調(diào)節(jié)后的輸出信號給可控電壓源提供控制信號，通過改變IGBT模塊母線電壓，實現(xiàn)對電機機構(gòu)速度的調(diào)節(jié)。用模糊自適應(yīng)PID控制的分閘操作仿真曲線，速度曲線基本與給定曲線重合，達到了較好的跟蹤效果。圖11為合閘操作仿真曲線，與分閘類似，常規(guī)PID控制仿真曲線誤差較大，尤其是前期波動較大，而模糊自適應(yīng)PID控制可以實時調(diào)節(jié)系統(tǒng)參數(shù)，克服輸入量的變化所引起的偏差，速度跟蹤曲線與給定曲線基本一致，體現(xiàn)了智能控制算法的優(yōu)越性。

5 結(jié)束語

本文對高壓斷路器無刷直流電機機構(gòu)控制系統(tǒng)進行建模和仿真分析，模糊自適應(yīng)PID控制器克服參數(shù)選取的影響，提高速度跟蹤的可靠性和精度。通過與傳統(tǒng)PID控制器的仿真結(jié)果比較，證明了模糊自適應(yīng)PID控制器更適合高壓斷路器無刷直流電機機構(gòu)的速度跟蹤控制。

電機機構(gòu)應(yīng)用到高壓電器領(lǐng)域有利于智能電器技術(shù)的發(fā)展和智能電網(wǎng)的建設(shè)。本文的研究成果為實現(xiàn)電機機構(gòu)控制系統(tǒng)的設(shè)計和速度跟蹤控制提供了參考依據(jù)。筆者將通過相應(yīng)實驗數(shù)據(jù)進一步證明

圖9 高壓斷路器無刷直流電機控制系統(tǒng)仿真圖

圖10 高壓斷路器無刷直流電機機構(gòu)分閘操作速度跟蹤曲線

圖11 高壓斷路器無刷直流電機機構(gòu)合閘操作速度跟蹤曲線

通過對系統(tǒng)進行仿真，得到的分/合閘操作速度跟蹤曲線如圖10、11所示，分閘操作持續(xù)16ms，合閘操作用時20ms，滿足斷路器操作時間要求。圖10a為采用常規(guī)PID控制分閘操作仿真曲線，分閘操作前期速度上升較大，跟蹤曲線有些偏差，圖10b為采本文研究的模型和仿真結(jié)果的有效性，相關(guān)研究成果在后續(xù)論文中體現(xiàn)。

［1］林莘.現(xiàn)代高壓電器技術(shù)［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2002.

［2］石辛民，郝整清.模糊控制及其MATLAB仿真［M］.北京:清華大學出版社，2008.

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