江蘇省徐州技師學院 陳 斌

?

基于智能方法的矢量控制變頻調速系統(tǒng)仿真研究

江蘇省徐州技師學院 陳 斌

【摘要】近年來，新興的人工智能技術與矢量控制相結合的智能控制方法的研究取得了長足的發(fā)展，國內外對其研究和應用十分活躍。本文在介紹模糊控制的基礎上，設計出模糊控制器并將其與矢量控制相結合，搭建出模糊控制器構成的矢量控制模型并進行仿真驗證系統(tǒng)的可行性。

【關鍵詞】異步電機；模糊控制；變頻調速；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，被控對象由于其過程復雜，機理有不明之處，一些檢測方法和檢測裝置無法進入被測模型，導致控制過程數(shù)學模型無法構建。因此用常規(guī)控制理論和控制方法去實現(xiàn)對這類對象的控制難以實現(xiàn)。假如把人的操作經驗歸納成一系列的規(guī)則，存放在計算機中，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，采用模糊控制器構成的控制系統(tǒng)即模糊控制系統(tǒng)。

模糊控制相對于常規(guī)控制而言有以下優(yōu)點：

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

2　模糊控制器設計

模糊控制器設計一般采用硬件和軟件兩種方法實現(xiàn)。在計算量較小時，模糊控制器的功能可采用軟件設計實現(xiàn)，若到計算量較大并且實時性要求較高時，其功能可以通過采用硬件設備實現(xiàn)。模糊控制器設計的內容與步驟如下：

（1）模糊化

模糊化與反模糊化過程可看作為模糊規(guī)則與真實環(huán)境間的接口。一個實際值輸入應表示為模糊集的形式，才能進行推理計算。而模糊輸出集的信息應被轉換為一個單值，這就是模糊推理系統(tǒng)的輸出實值。模糊化就是采用一個模糊集表示實值信號的過程。

（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，對多個變化條件的前提經推理產生一個決策結果。在應用中，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)則可以通過相關領域的專家給出，也可以通過大量的試驗數(shù)據(jù)結出。無論應用哪種方法，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)調問題。既要保證模糊規(guī)則的完備性，即對于任何模糊輸入狀態(tài)，都必須產生一個模糊控制器的輸出，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論。解決這兩個問題，往往需要一定工程經驗積累和試驗數(shù)據(jù)。

（3）確定權與規(guī)則信度

明確地建立模糊規(guī)則的權和知識庫中模糊規(guī)則信度之間的關系是相當重要的。例如，考慮規(guī)則置信矩陣是二位的，即對每一個輸入集，只有一個規(guī)則的信度是非零，其值為1、這個限制意味著。權值只能是有限個值（模糊輸出集的“中心”）中的一個。對每個模糊輸入隸屬函數(shù)，允許超過一個規(guī)則的可信度為有效，應用位于單位區(qū)間內的信度.允許相應的權去估計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系生成方法

設計模糊控制器需要選擇適當?shù)年P系生成方法和推理合成算法。最常用的比較簡便的方法是Mamdanl方法，模糊推理算法與模糊規(guī)則直接相關。它的復雜性依賴于模糊規(guī)則語句中模糊集的隸屬函數(shù)的確定。選擇一些簡單的又能反映模糊推理結果的隸屬函數(shù)可以大大簡化模糊推理的計算過程。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生一個表達模糊系統(tǒng)輸出的單值，然后再經過推理過程的輸出。

3　模糊控制器組成的矢量控制變頻調速仿真模型

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，即可進入模糊控制器編輯界面，然后根據(jù)控制要求構建一個二維的模糊控制器。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劃分為七個模糊子集并進行量化，｛正?。≒S）、正中（PM）、正大（PB）、零（Z）、負大（NB）、負中（NM）、負?。∟S）、｝分別表示語言變量，并確定其隸屬度。然后將控制規(guī)則編組表達出專家的操作經驗，最后采用模糊推理建立模糊查詢表，這就把模糊控制器簡化為查表運算。

［-150rad/s，150 rad/s］是轉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］是輸出控制量的轉矩給定值，量化論域設定為［-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，輸出為轉速估計增量。設模糊自適應信號的偏差、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構

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u，首先根據(jù)模糊的磁鏈誤差e，ec，結合模糊規(guī)則以及重心法，轉換成可識別信號，乘以合適的比例因子，從而得到最后的調節(jié)信號。輸入、輸出的各個模糊子集的隸屬度函數(shù)控制規(guī)則如表1所示。

模糊控制器構成的矢量控制仿真模型如圖4所示：

圖4　模糊控制器構成的矢量控制變頻調速仿真模型

4　仿真結果分析

圖5　突加負載時電流、轉矩、轉速曲線

圖6　突減負載時電流、轉矩、轉速曲線

從圖5的結果可以看出：給定速度150rad/s，空載運行，轉速上升需要0.5s時間，1.5s時加入200N·M擾動，轉矩減小，轉速幾乎無變化，系統(tǒng)穩(wěn)定性好。從圖6的結果可以看出：給定速度150rad/s，恒轉矩200N·M運轉速上升需要1.3s時間，1.5s時突減200N·M擾動，轉速幾乎無變化，系統(tǒng)穩(wěn)定性好。

圖7　轉速減少時電流、轉矩、轉速曲線

圖8　轉速增加時電流、轉矩、轉速曲線

從圖7的結果可以看出：給定速度150rad/s，恒轉矩200N·M運行，轉速上升需要1.3s時間，在1.5S時電機速度由150 rad/s突減至100 rad/s，穩(wěn)定時穩(wěn)定時間為0.2s。

從圖8的結果可以看出：給定速度100rad/s，恒轉矩200N·M運行，轉速上升需要0.8s時間，在1.5S時速度由100 rad/s突加至150 rad/s，穩(wěn)定時間為0.5S，轉速提升時間，跟隨性好。

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

速度上升時間短，響應時間快，在加速的過程中速度無超調量，速度的跟隨性、穩(wěn)定性和動態(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時突加200N·M負載轉矩時，轉矩從零迅速突變?yōu)轭~定負載值之后保持不變，此時轉速迅速下降，但在下降的過程中動態(tài)速降很小。由此可見，當負載改變時對系統(tǒng)的響應幾乎無影響。仿真表明，在模糊控制下矢量控制變頻調速系統(tǒng)轉速上升時間比較快，達到穩(wěn)定的時間比較短，無超調，調整時間短，對負載變化不敏感，具有較強的魯棒性，明顯優(yōu)于PI控制器，達到了比較好的效果。

5　結論

本文首先介紹了模糊控制基本理論，模糊控制系統(tǒng)的組成和求解機理，然后將模糊控制與矢量理論相結合，設計出由模糊控制器構成的矢量控制變頻調速模型，并在MATLAB/SIMULINK中進行了仿真實驗。與由PI控制器構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，抗擾動能力比前者要更好。

參考文獻

［1］張國良.模糊控制及其Matlab應用［M］.西安：西安交通大學出版社，2003.16-28.

［2］孔凡才.自動控制原理與系統(tǒng)［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2009：40-44.

［3］李輝.MATLAB/SIMULINK軟件在電氣工程類專業(yè)畢業(yè)設計教學環(huán)節(jié)中的應用［J］.電氣電子教學學報，2003，25（1）：106-109.

作者簡介：

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