双直线电机往复泵恒流控制的研究

摘要：双直线电机往复泵与传统往复泵相比，具备结构简单、冲程长、冲次低、排量波动小、泵压均匀和系统效率高等一系列优点，是一种非常具有发展潜力的新型往复泵。文章介绍了直线电机的工作原理，并利用模糊PI控制实现了双直线电机的协调控制，从而在理论上实现了双直线电机的恒流输出。并通过建立控制系统的MATLAB/SIMULINK仿真模型，验证此方法的有效性和可行性，从而为实际的直线电机控制打好理论基础。

关键词：直线电机；模糊PI控制；恒流；MATLAB/SIMULINK仿真

中图分类号：TM359.4 文献标识码：A 文章编号：1006—8937（2012）23—0115—02

传统往复泵一般通过曲柄连杆机构将旋转电机的电能转化为直线运动的机械能，具有效率低，输出流量小，压力脉动大，易损件寿命低的缺点。直线电机可以将电能直接转化为直线运动机械能，将直线电机作为往复泵的动力端可以很好的克服以上问题。直线电机可以将电能直接转换成直线运动机械能而不需要任何中间转换机构，因此双直线电机往复泵与传统的往复泵相比，具备结构简单、冲程长、冲次低、排量波动小、泵压均匀和系统效率高等一系列优点，其发展潜力是巨大的，但是传统的PI控制方式不能更好的满足需要，本文提出了基于模糊PI控制的双直线电机往复泵恒流控制的控制方法，通过建立MATLAB/SIMULINK仿真模型，验证了控制方法的正确性和可行性。

1 直线电机的数学模型建立

直线电机由于其复杂的电磁关系不能建立起精确的数学模型，但它与永磁同步旋转电机的数学模型基本相同，所以我们做一些假设，以方便建立数学模型：忽略铁芯饱和的影响；涡流损耗和磁滞损耗忽略不计；永磁体没有阻尼作用；反电动势波形是正弦的。

基于上面的假设，选用定子电流ia、ib、ic，速度v及位移x为状态变量，由电压方程、机械运动方程和位移方程共同构成了直线电机的数学模型：

可以看出，直线电机数学模型是一个非线性耦合系统。可用坐标变换使各物理量从静止坐标系变换到同步旋转坐标系，从而使各交变的物理量都变成直流量，从而实现d、q两轴的解耦。

2 模糊PI控制器设计

传统的PID调节器整定要求被控对象有精确数学模型。而建立起直线感应电动机的精确动态数学模型是不易的，本文采用模糊控制实现双直线电机往复泵的恒流控制。模糊控制适用于非线性系统，具有响应速度快、动态响应特性好的优点，但模糊控制的动作不够精细，导致其稳态精度较差，因此将模糊控制与PI控制相结合，实现控制的目标，其控制原理图如图2所示。

由图2所示，为了使直线电机具有更好的动静态响应特性，模糊PI调节器根据不同的误差E和误差变化率Ec对参数进行调整，以达到理想的效果。

首先，模糊PI控制的模糊部分需将误差和误差变化率进行模糊化，然后根据模糊控制规则进行推理得到 Kp和KI，之后进行去模糊化，得到Kp和KI的值，通过以上两步得到PI调节器的PI值为：

Kp=Kp0+KpKI=KI0+KI（6）

其中：Kp0为 Kp的基准值，KI0为KI的基准值。PI调节器不断的调整PI参数的值，而使被控对象稳定可靠的运行。在双直线电机的控制系统中，对速度环采用模糊PI控制，以速度值的偏差E，偏差变化率Ec作为输入量，输出为Kp和Ki。选取E、Ec的语言值为{负大（NB），负小（NS），零（ZO），正小（PS），正大（PB）}，选取输出变量Kp和Ki的语言值为{负大（NB），负小（NS），零（ZO），正小（PS），正大（PB）}。

对PI参数的调整，需要根据一定的原则和经验，最终得到Kp和KI的模糊控制规则表如表1、表2所示。

3 系统仿真与结果分析

直线电机采用特定的等加速—匀速—等减速运动规律和120°或60°的运动相位，从而理论上实现系统的恒流量控制。下面利用Matlab进行仿真，本系统采用双闭环控制策略。

首先建立模糊控制器。在命令行输入fuzzy ，就可以进入模糊推理系统编辑器（fiseditor）。利用这个工具可制作一个*.fis文件。如上面所述，本文采用偏差E和偏差变化率Ec两个量作为模糊控制器的输入，接着确定隶属函数。双击黄色和绿色的方框就可以进入隶属函数编辑对话框。设置E， Ec的range为[—2，2]，U的range为[—1，1]。matlab提供了11种隶属函数，第一次使用选择常用的三角形trimf。三角形隶属函数有三个点确定，其实是三角形底边两个端点和中点。最后根据上面的规则表确定模糊控制规则。以E为例，如图3所示。

模糊PI控制模块利用Matlab模糊逻辑工具箱函数中的fuzzy函数，对双直线电机我们采用双闭环的控制策略，实现电机的稳定运行和协调控制，以达到抗干扰和恒流量输出的目的，系统空载的情况下，整个控制系统的仿真图形如图4所示。

对整个系统采用模糊控制后，系统的抗干扰特性得到了加强，图5为电机误差曲线。

图5中曲线1是在常规PI控制下的双直线电机的同步误差，2是采用模糊PI控制的误差曲线，很明显模糊控制的性能要优越常规的PI控制。我们可以得出，模糊控制对直线电机往复泵的控制可以达到更理想的效果。

4 结 语

对于直线电机往复泵因为其结构简单有着巨大的发展潜力，在这种背景下本文探索了使用模糊PI控制的实现恒流输出的方法。从仿真的波形来看，模糊控制的优越性比较明显，外界对往复泵的干扰也能得到很好的抑制。为以后双直线电机往复泵的控制提供了理论指导，并能很好的促进往复泵的发展。

参考文献：

[1] 叶云岳.直线电机原理与应用[M].北京：机械工业出版社，2000.

[2] 王玉华.基于模糊控制的直线感应电动机控制系统的研究[D].吉林：吉林大学，2007.

[3] 翁秀华，郭庆鼎，刘德君.基于模糊自适应PDI的双直线电机同步驱动系统控制[J].组合机床与加工技术，2004，（9）：28—29.