基于智能控制的异步电机变频调速的研究

摘要:在实现工业现代化中,电气自动化担任重要的角色,而变频调速又是电气自动化的一项重要技术。智能控制是目前研究的热点,有很多人致力于将智能控制应用于电气传动领域,而智能控制技术中应用最为广泛的是模糊控制与神经网络。本论文首先将模糊控制应用于异步电机变频调速系统转速环中,取代常规的PI调节器,宗旨在于提高系统的抗干扰能力。

关键词:异步电机变频调速模糊控制

中图分类号: 文献标识码:A文章编号:1007-9416(2010)01-0000-00

1 交流调速系统的概况

1.1 交流调速相关技术的发展现状

交流变频调速技术发展和许多技术的发展密切相关,涉及到电动机制造、电力电子器件、变换器电路、电子信号处理技术、古典和现代控制理论、计算机辅助设计等众多学科领域;交流高性能调速的实现有赖于电力电子技术、PWM变频技术、电机控制等核心技术的突破。

1.2 变频调速系统的类型

按变频原理分:(1)交―交变频(2)交―直―交变频

按拖动电机的类型分:(1)异步电动机变频调速系统(2)同步电动机变频调速系统

2 智能控制简介

2.1 智能控制概念

在无人干预的情况下能自主地驱动智能机器实现控制目标的自动控制技术。对许多复杂的系统,难以建立有效的数学模型和用常规的控制理论去进行定量计算和分析,而必须采用定量方法与定性方法相结合的控制方式。定量方法与定性方法相结合的目的是,要由机器用类似于人的智慧和经验来引导求解过程。

2.2 智能控制的主要技术方法

智能控制是以控制理论、计算机科学、人工智能、运筹学等学科为基础,扩展了相关的理论和技术,其中应用较多的有模糊逻辑、神经网络、专家系统、遗传算法等理论和自适应控制、自组织控制、自学习控制等技术。

3 三相交流异步电动机

3.1 结构组成

三相交流异步电动机由于其结构简单、制造容易、价格低廉、坚固耐用以及运行可靠等优点,因此在工农业生产中应用最为广泛。虽然三相异步电动机的种类很多,但究其基本结构而言是一致的,主要由定子与转子两部分组成。

3.2 数学模型简析

异步电动机在三相静止坐标系上的数学模型是一个多变量、高阶、非线性、强祸合的复杂系统。坐标变换的目的就是要简化数学模型,将交流电机的物理模型等效地变换成类似直流电机的模型,分析和控制问题就可以大为简化。

4 基于模糊控制的转速调节器研究

4.1 模糊控制简介

4.1.1 由来与概念

模糊技术的由来应追溯到1965年,美国控制论专家L•A扎德提出了模糊集合理论,它为模糊技术的产生奠定了理论基础.1974年英国学者E.H马达尼首先在试验室里实现了对蒸汽发动机的模糊控制,从而出现了一种崭新的控制技术――模糊控制,简称模糊技术。

模糊逻辑控制(Fuzzy Logic Control)简称模糊控制(Fuzzy Control),是以模糊集合论、模糊语言变量和模糊逻辑推理为基础的一种计算机数字控制技术。

4.1.2 系统组成

模糊控制系统的建立是基于知识库、推理机制、模糊化和反模糊化。要实现语言控制的模糊控制器,首先把实际输入值转化为模糊集合的隶属函数,这一步称为模糊化。然后根据有经验操作者或专家经验制定模糊控制规则,并进行模糊推理,以得到模糊输出集合即一个新的隶属函数,这一步称为模糊控制规则形成与推理。最后根据模糊推理得到的输出模糊隶属函数,用不同的方法找到一个具有代表性的精确的真实输出值,这一步称为反模糊化。这三个步骤称为模糊推理过程。

4.2 模糊控制器的结构设计

对一个常规三维模糊控制器,输入为误差e、误差积累∑e、误差变化率ec,输出为u,如下图所示,h1、h2、h3、h4分别为比例因子。

一个完善的控制规则是模糊控制具有良好控制效果的关键。然而因为模糊规则是人们对过程或对象模糊信息的归纳,对高阶、非线性、大时滞、时变参数以及随机干扰严重的复杂控制过程,人们的认识往往比较贫乏或难以总结完整的经验,这就使得单纯的模糊控制在某些情况下很粗糙,难以适应不同的运行状态,影响了控制效果。

模糊控制器设计的基本方法和主要步骤大致包括:

(1)选定模糊控制器的输入变量与输出变量,并进行量程转换。输入量的维数最高一般不超过三维。维数增加,控制规则按几何级数增加。

(2)进行模糊化,即确定各变量的模糊语言取值及相应的隶属函数。模糊语言值通常选取3、5或7个。

(3)建立模糊控制规则或控制算法。这是指规则的归纳和规则库的建立,是从实际控制经验过渡到模糊控制器的中心环节,控制律通常由一组if-then结构的模糊条件语句构成。

(4)确定模糊推理和解模糊化方法。常见的模糊推理方法有最大―最小推理法和最大―乘积推理法两种,可视具体情况选择其一;解模糊化方法有最大隶属度法,中位数法,加权平均,重心法,求和法或估值法等,针对系统要求或运行情况的不同而选取相适应的方法,从而将模糊量转化为精确量,用以实施最后的控制策略。

4.3 模糊控制算法及实现

假设一个二维模糊控制器,输入偏差e的论域为[-x ,x ],偏差变化率ec的论域为[-x ,x ],输出控制量u的论域为[-y ,y ],模糊控制算法可概括为四个步骤:

(1)根据本次采样得到的系统输出值,计算所选择的系统输入变量。考虑到系统突加给定时,有可能使实际输入超出设计输入论域,可补充映射

e(k)= x ,当e(k)≥x 时e(k)=- x ,当e(k)≤- x 时

ec(k)= x ,当ec(k)≥x ,时 ec(k)=- x ,当ec(k)≤- x ,时

u(k)= y ,当u(k)≥y 时u(k)=- y ,当u(k)≤- y 时

(2)将输入变量的精确值转换为模糊量;

(3)根据输入变量及模糊规则,按模糊推理合成规则计算输出控制量

(4)将输入变量的精确值转换为模糊量;

(5)根据输入变量及模糊规则,按模糊推理合成规则计算输出控制量;

(6)由上述模糊控制量经解模糊计算得到精确的控制量。

5 结语

模糊控制与PID控制相比,能够有效地克服系统非线性因素对调速性能的影响,模糊控制特别适用于对电机加减速实行最优速度控制。对稳态精度要求不是特别高的系统,采用模糊控制可以提高系统的鲁棒性。

参考文献

[1] 陈伯时,陈敏逊.交流调速系统[M].第二版.北京:机械工业出版社.2005.

[2] 胡崇岳.现代交流调速技术[M].北京:机械工业出版社.1998.

[3] 陈佰时,冯小刚等.电气传动系统的智能控制,电气传动,1997年第1期.

[4] 张曾科编著.模糊数学在自动化技术中的应用.北京:清华大学出版社,1997.

[5] 曹光华.《智能控制在异步电机变频调速系统中的应用研究》

本文为全文原貌 未安装PDF浏览器用户请先下载安装 原版全文