二维模糊PID技术在高压防爆软起动控制系统中的设计与应用

【摘要】随着防爆技术、工艺的不断发展和完善，对防爆软起动控制的要求越来越高。本文采用二维模糊PID控制技术，设计并实现了传统PID技术和二维模糊PID技术相结合的双闭环调速系统，并在QJR型矿用隔爆兼本质安全型软起动装置试验应用。经测试，该系统具有响应速度快、动态性能好。

【关键词】防爆技术;二维模糊PID

0.前言

随着防爆技术的发展和防爆工艺的不断完善，将二维模糊PID控制技术应用到防爆型高压交流电动机的软起动控制之中，不但可以提高有防爆要求场合中高压设备的运行可靠性，而且能提高防爆型高压设备的控制技术水平。

传统PID控制技术多采用结构简单、性能稳定的带限幅的控制器，在实际生产现场，由于各种因素，并不如模型那样一成不变，在某些场合会随工况而变化;因此被控制对象，许多拖动负载含有弹性或间隙等非线性因素[1]。因此传统PID控制技术往往难以达到最优状态，而且参数的一成不变也难以跟随现场的动态变化[2]。

基于此，本文将常规PID控制和二维模糊PID控制相结合，运用到防爆软起动控制中，由于二维模糊控制不需要精确的数学模型，能根据日常生产中的经验规则动态地输出，能利用其非线性特性，突破传统PID控制方法的局限，使调速系统不依赖被控对象数学模型，既有快速的动态响应，又有较高的稳定程度。

1.模糊PID控制器

作为智能控制的一个重要分支，模糊控制是以模糊集合论、模糊语言变量和模糊逻辑推理为基础的一种计算机控制方法，在控制领域获得了广泛应用[3]。

基于此本文设计了常规模糊控制+积分环节（I）控制，在原有模糊控制中直接加入积分环节，形成模糊―PID混合控制策略，混合控制系统的结构。

2.双闭环调速系统中二维模糊PID控制器的设计

交流电动机防爆软起动中，为了实现转速和电流两种反馈分别起作用，在本系统中设置了两个调节器，分别调节转速和电流，即分别引入转速负反馈和电流负反馈，二者之间实行嵌套（或称串级）联接，电流环在里面，称作内环;转速环在外边，称作外环，这就形成了转速、电流双闭环调速系统。

双闭环调速系统，电流负反馈能够将环内的传递函数加以改造，使等效时间常数减小，经过电流环改造后的等效环节作为转速调节器的被控对象，转速环的动态跟随性能的到明显改善[4]。同时可以提高对负载扰动的抗扰性能。

本文设计了如图1所示的二维模糊PID混合控制器。

图1 二维模糊控制器

在确定了模糊控制器的结构后，就对输入量进行采样、量化并模糊化。根据本系统的交流电动机双闭环调速系统的结构，考虑到外环转速环还是决定控制系统的根本因素，而内环主要起改变电动机的运行特性以利于外环控制的作用，所以设计时，内环仍采用传统的PID技术，外环采用二维模糊PID控制器，其基本结构如图2所示。

图2 模糊PID控制器原理图

3.双闭环PID调速系统在防爆软起动控制中的应用

双闭环调速系统设计完成后，设计了防爆软起动装置中双闭环PID控制器，图3为其软件结构，图3中M为交流电机，是本装置要控制的对象，Kc是装置中的电流比例系数，Kn是装置内控制速度环的电机速度比例系数。

图3 模糊―PID混合控制器

双闭环PID调速系统在QJR矿用隔爆兼本质安全型软起动器中的试验，分为电压斜坡模式下的空载、半载、满载三种情况下满载时工作电压为额定值的75%和110%两种情况下的速度、负载，以及限流软起动的空载、半载、满载等情况下检验结果，检验输入如表1所示。

表1 起动特性实验表

序号 检验条件 检验结果

1 电压斜坡

模式空载 起动平稳，起动时间：6.3s

2 电压斜坡

模式半载A 起动平稳，起动时间：8.4s

3 电压斜坡

模式满载B 起动平稳，起动时间：9.2s

4 电压斜坡

模式满载C 工作电压为额定值的75%时，

起动平稳，起动时间：15.5s

5 限流模式空载 工作电压为额定值的110%时，

起动平稳，起动时间：14.0s

6 限流模式空载 起动平稳，起动时间：6.6s

7 限流模式半载 起动平稳，起动时间：8.1s

8 限流模式满载A 起动平稳，起动时间：11.2s

9 限流模式满载B 工作电压为额定值的75%时，

起动平稳，起动时间：7.4s

10 限流模式满载C 工作电压为额定值的75%时，

起动平稳，起动时间：12.6s

4.结束语

通过试验数据测试表明，可以看出我们所设计将传统PID和二维模糊PID控制技术相结合的防爆软起动控制具有响应速度快、动态性能好、以及设计控制器不依赖被控对象精准的数学模型的优点。此外，这种设计方法对类似的防爆软起动开发具有较好的可借鉴性。

参考文献

[1]张国良，曾静等.模糊控制及其MATLAB应用[M].西安：西安交通大学出版社，2002.

[2]刘素琴等.PID与模糊控制算法的比较及改进[J].系统工程，2003.

[3]贾东耀，曾智刚.基于模糊控制的直流电机调速系统MATLAB仿真[J].电机电器技术，2002.5.

[4]雷翔宵，周志光.一种改进的PID控制算法的实现[J].电子技术，2010.3.