（检测技术与自动化装置专业论文）基于模糊矢量控制的交直流电机同步控制研究.pdf

硕士学位论文摘要 摘要 针对韶钢二轧厂的双边剪机组控制系统改造项目提出的交流电 机拖动的前后传送辊与剪切机组中的直流电机拖动的夹送辊的同步 控制问题，在中南大学网络监控实验室中模拟其实际工况，以研究交 直流电机的同步控制。 比较了几种常用的同步控制方案的优缺点，并与本系统所模拟的 实际工况相结合，最后选择了主从同步方案。考虑到主从同步控制方 案本身存在一定的滞后性，加上交流电机的数学模型是一个高阶、非 线性、强耦合的多变量系统，以及矢量控制的不完全解耦性等缺点， 引入了智能控制技术中的模糊控制技术来改善上述缺点。根据本系统 调速范围较广、起停较为频繁的调速特点，选择采用参数自调整模糊 控制器，根据不同调速阶段的特点自动调整模糊控制器中的量化因子 和比例因子，从而提高系统的动态性能。最终提出了一种将参数自调 整模糊控制技术和矢量控制技术相结合的基于模糊矢量控制的交直 流电机同步控制方案。 本方案中使用西门子6 s e 7 0 变频器的矢量控制功能对交流电机进 行变频调速，在西门子s 7 3 0 0 p l c 中实现了参数自调整的模糊控制， 通过p r o f i b u s d p 现场总线进行主从站间的数据通讯。 实验结果证明此方案正确可行，得到了较理想的交直流电机的同 步控制效果。 关键词：交流电机，矢量控制，模糊控制，同步控制，p r o f i b u s - d p 硬士学位论文 a b s t r c t a b s t r a c t a i m i n go ft h er e q u i r e m e n to fe s t a b l i s h i n gt h es y n c h o n o u sc o n t r o l b e l 嘲吼t h ef o r ea n dr e a lt r a n s m i s s i o nr o l l e r sd r i v e nb ya c m o t o ra n d t h ef i x i n gt r a n s m i s s i o nr o l l e r sd r i v e nb vd c m o t o rb yt h er e f o r m a t i o n p r o j e c to ft h es e c o n d a r ym i l l i n go fs h a o - g u a ns t e e lm a r k i n gp l a n tf o r t h e i rd o u b l e s i d es h e e r i n gm a c h i n e n 塘a u t h o ro ft h ep r e s e n tp a d e l c a r d e do u te x p e r i m e n ti nt h en e t - w e b l a b o r a t o r yo fc e n t r a ls o u t hu n i v e r s i t yt os i m u l a t et h ep r a c t i c a lw o r k i n g s t a t e n 坞p r e s e n tp a p e rc o m p a r e dt h ea d v a n t a g ea n dd i s a d v a n t a g ef o r s e v e r a lk i n d so fc o n v e n t i o n a ls y n c h r o n i s t i cc o n t r o l l i n gs c h e m e s ，a n d i n t e g r a t e d 、 ，i n lt h ep r a c t i c a lw o r k i n gs t a t eo f t h es i m u l a t e ds y s t e ma tf i r s t , a n dt h e f i n a l l y s e l e c t e da p r i n c i p a l a n ds u b o r d i n a t e s y n c l l r o n i s t i c c o n t r o l l i n gs c h e m e b e c a u s eo ft h a t , t h ep r i n c i p a l a n ds u b o r d i n a t e s y n c l l r o n i s t i c c o n t r o l l i n g i t s e l f e x i s t i n g c e r t a i n h y s t e r e s i s e s ，t h e m e t h m a t i cm o d a lf o ra c e l e c t r i cm o t o rt ob eah i g h e ro r d e r , n o n l i n e a r a n ds t r o n gc o u p l i n gm u l t i - v a r i a t es y s t e m , a n dt h ev e c t o rc o n t r o li n i n c o m p l e t ec o u p l i n g - i n t e g r a t i o n , i ti sn e c e s s a r yt od e s i g nac o n t r o l l e r 诵t hs t r o n gr o b u s ta b i l i t yt oo v e rc o m et h ea b o v ep r o b l e m s t h e r e b y , a f u r r yc o n t r o lt e c h n i q u e ，i e i n t e l l i g e n tc o n t r o lt e c h n i q u e ，i si n t r o d u c e d ， w h i c hh a ss t r o n g l yr o b u s ta b i l i t y , s u i t a b l ef o rn o n - l i n e a r , t i m ev a r i a t i o n a n dh y s t e r e s i ss y s t e mc o n t r 0 1 a n di ns p e c i a lh a sw i d e l yd e v e l o p m e n t s p a c ei nt h ec o n t r o l l i n gf i e l d b a s e do nt h ec o n t r o l l i n gs y s t e mm e a t i o n e d a b o v eh a st h ec h a r a c t e r i s t i c so fw i d ei n s p e e dc o n d i t i o n i n gr a n g e f r e q u e n ti nw o r k - o na n dw o r ko f f , ap a r a m e t e rs e l f - c o n d i t i o n a lf u z z y c o n t r o l l e ri ss e l e c t e dt oi m p r o v et h ed y n a m i cp e r f o r m a n c eo ft h es y s t e m ， a n df i n a l l yp r o p o s eak i n do fn o v e ls y n c h r o n i s t i cc o n t r o l l i n gs c h e m ef o r a c a n dd c e l e c t r i cm o t o rs y s t e mb a s e do nf u z z yc o n t r o lc o m b i n e d w i t hv e c t o rc o n t r 0 1 s e q u e n t i a l l y 粕i n d e n t i f i c a t i o ne x p e r i m e n t f o rt h e p r o p o s e d s y u c h r o n o u sc o n t r o l l i n gs c h e m eo fb o n la c a n dd c e l e c t r i cm o t o r s w a sc a r r i e do u ti nt h en e t - w e bs u p e r v i s i o na n dc o n t r o le x p e r i m e n t ， c e n t r a l - s o u t hu n i v e r s i t y , b yu s i n gs i e m e n s s6 s e 7 0f r e q u e n c yv a r i a t i o n s e t sv e c t o rc o n t r o l l i n gf u n c t i o nt oc o n t r o lf r e q u e n c ya n ds p e e do ft h e h 硕士学位论文 a b g n 认c t a c e l e c t r i cm o t o ra n du s i n gs i e m e n s ss 7 3 0 0 p l ct or e a l i z et h e a u t o m a t i cc o n d i t i o n i n go fp a r a m e t e rv i af u r r yc o n t r o l ，a sw e l l 嬲v i a p r o f i b u s d pt oc a r r y o u td a t ac o m m u n i c a t i o no fb e t w e e nt h ep r i n c i p a l a n ds u b o r d i n a t es t a t i o n si n s i t e t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt h e p r o p o s es c h e m ei sc e r t a i n l yf e a s i b l ea n db eg a i n 崦i d e a ls y n c h r o n o t i c c o n t r o l l i n ge f f e c tf o rt h ea c a n dd c e l e c t r i cm o t o r k e yw o r d s ：a c e l e c t r i cm o t o r , v e c t o rc o n t r o l ，f u z z yc o n t r o l ， s y n c h r o n o u sc o n t r o l ，p r o f i b u s - d p i l l 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在在论文中作了明确的说 明。 作者签名：垒堕至日期：必月笪日 关于学位论文使用授权说明 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留学位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论 文的全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文； 学校可根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文。 作糍：篮孙师签名雠眺牛凸曲 硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题的来源、目的和意义 本课题来源于中南大学网络监控实验室建设项目，通过构建一个模拟工厂现 场设备控制网络来对存在于工业控制中的若干难点问题进行研究。 建设的网络监控实验系统由现场级设备控制网络( p l 的f i b u s 现场总线) 和 上层监控网络( 以太网) 组成。该实验室系统浓缩现存在于众多大中型企业中的 工厂( 车间) 监控网络。有普遍的代表性。 电动机是一种广泛应用于生产生活的动力设备，按其工作原理分为直流电机 和交流电机。直流电机具有良好的性能，不但调速平滑、方便，而且范围宽广； 它的过载能力大，能承受负载的频繁冲击与变动；能实现频繁的无级快速起动、 制动和反转：能满足生产过程自动化系统各种不同的特殊运行要求等特点。相比 直流电机，交流电机有结构简单，制造方便，价格低廉，转动惯量小，维护方便， 容量、电压、电流和转速上限高等优点。在2 0 世纪的大部分年代里，约占整个 电力拖动容量8 0 的不变速拖动系统都采用交流电机，而只占2 0 的高控制性 能可调速拖动系统则采用直流电机，这似乎已经成为一种举世公认的格局i i j 。近 几十年来，交流电机控制技术发展迅速。随着各种可控性更强的电力电子器件的 出现，矢量控制理论和直接转矩控制理论等先进的控制理论的提出，微机数字控 制系统的运用等等新技术的运用，交流电机高性能控制技术得到了飞速发展和广 泛应用。以往的交直流拖动的分工格局被逐渐打破，高性能交流调速系统大有取 代直流拖动的趋势。在当前实际生产过程中，由于以往的交直流拖动分工格局的 影响，一般同时存在着不变速拖动的交流电机和变速拖动的直流电机。随着生产 工艺韵更高要求，很多复杂机组往往要求电机闻的速度有更好的同步性，其中除 了要求直流电机间有良好的速度同步，还对交流电机与直流电机问提出了速度同 步控制的要求。 韶钢二轧厂的双边剪机组控制系统改造项目提出了交流电机拖动的前后辊 与剪切机组中的直流电机拖动的夹送辊的同步控制问题。双边剪夹送辊与传送辊 的空问布置，如图1 1 所示。 硕士学位论文第一章绪论 前传送辊( 组) 图i 1 双边剪夹送辊与传送辊的空间布置图 在剪切开始阶段，依靠前传送辊道和入口夹送辊夹送钢板；在剪切钢板末端 阶段，则依靠出口夹送辊和后传送辊道夹送钢板。如能对前传送辊和双边剪的入 口夹送辊进行同步控制，对后传送辊和双边剪的出口夹送辊进行同步控制，就可 以避免整个在剪切阶段出现钢板跑偏的现象，从而提高钢板的切边质量。在剪切 过程中，夹送辊需要根据剪切工艺的不同要求以及钢板的长度的改变而改变其送 板的速度，所以必须控制传送辊的速度以跟随夹送辊的速度。要实现传送辊速度 对夹送辊速度的跟随，也就是要实现交流电机对直流电机的速度同步控制。 本文在网络监控实验室中模拟实际工况，提出了一种实现交流电机对直流电 机的速度主从同步控制的方案，其中采用矢量控制对交流电机进行调速控制；采 用模糊控制提高控制精度和动态性能：而用p r o f i b u s d p 现场总线和西门子 s 7 系列p l c 相关模块完成上、下位机通讯，并执行系统控制功能。 1 2 相关技术的现状和发展综述 1 2 1 交流电动机控制 交流电机的数学模型是一个高阶、非线性、强耦合的多变量系统。而以往的 转速开环、恒压频比控制的变频调速系统和转速闭环、转差频率控制的变频调速 系统只是沿用了单变量控制系统的概念而没有考虑非线性、多变量的本质，所以 其控制的动态性能不够理想，调节器参数很难准确设计。如何实现交流电机的高 性能控制，使其达到直流电机一样优良的动态性能，许多专家学者对此进行了潜 心的研究。目前先进的高性能交流变频调速系统主要有矢量控制技术和直接转矩 控制技术2 种： 1 矢量控制技术 矢量控制技术 2 1 ，由联邦德国西门子公司的e b l a s c h k e 等最早提出，又称磁 2 硕士学位论文第一章绪论 场定向控制技术，是交流电动机高性能控制的一种先进控制方法，它以交流电动 机的双轴理论为基础，将电机空间磁场矢量方向作为同步旋转坐标系的基准方 向，把电机定子电流矢量分解成与磁场方向一致的励磁电流分量和与磁场方向垂 直的转矩电流分量，从而实现电机励磁和转矩的解耦控制，达到和他励直流电机 一样的控制。随着矢量控制在实际生产中的广泛运用，矢量控制技术飞速发展。 人们不光围绕着矢量控制技术自身的系统结构、非线性问题和电机参数变化影响 系统性能等问题进行了大量的研究，还将现代控制理论应用到了矢量控制之中， 对矢量控制进行了拓展。无速度传感器矢量控制技术 3 1 ，模糊控制技术运用于矢 量控制1 4 1 ，基于磁通观测器的矢量控制系统【5 l 等等新技术的研究和应用使得交流 电动机调速性能特别是动态性能已经可以和直流调速性能匹敌。 2 直接转矩控制技术 1 9 8 5 年由德国鲁尔大学的d e p e n b r o c k 教授首次提出了六边形定子磁链的 直接转矩控制理论 6 1 ，1 9 8 6 年日本学者t a k a h a s h i 提出的圆形磁链的直接转矩控 制1 7 1 。这2 个理论的基本思想是一致的，都是通过检测定子电压和定子电流，直 接计算出交流电机的磁链和转矩，并利用两个滞环比较器，直接实现对定子磁链 和转矩的解藕控制。目前直接转矩控制技术在理论上尚不成熟、不够完善，还存 在低速转矩脉动缺陷，低速区定子电阻的变化引起的定子电流和磁链的畸变，磁 链观测模型的不精确和无速度传感器实用化困难等问题，这些问题一直阻碍着直 接转矩控制系统的进一步发展。 3 矢量控制系统和直接转矩控制系统的比较 矢量控制系统和直接转矩控制系统是目前2 中最先进的交流电动机调速控 制技术，它们均采用转矩和磁链分别控制的方式。但这2 种控制技术构成的交流 电动机调速控制系统的特点和性能的侧重点各不相同，如表1 1 所示嗍： 表1 - 1 矢量控制系统与直接转矩控制系统的特点和性能比较 特点和性能 矢量控制系统直接转矩控制系统 戤链控制转子磁链定子磁链 转矩控制连续控制，平滑砰- 砰控制，脉动 旋转坐标变换需要不需要 转子参数变化影响有无 调速范围较宽不够宽 从表1 1 可以看出，要实现高性能的交流调速控制，矢量控制技术有着较大 的优势。模糊控制技术，无速度传感器控制技术，磁通观测技术等等新技术在矢 3 硕上学位论文 第一章绪论 量控制的运用弥补了矢量控制技术受转子参数变化影响较大的缺憾，再加上d p s 等高速微处理器的运用能快速、精确的实现旋转坐标的转换，这些新技术新设备 的发展和运用使得矢量控制技术成为高性能交流调速控制领域中最成功，使用的 最广泛的控制技术。 1 2 2 模糊控制技术 模糊控制技术是一种由模糊数学、计算机科学、人工智能、知识工程等多门 学科领域相互渗透的科学技术。“模糊控制理论”是由美国学者加利福尼亚大学 著名教授l a z a n d e h 于1 9 6 5 年首先提出。它是以模糊数学为基础，用语言规则 表示方法和先进的计算机技术，由模糊推理进行判决的一种高级控制策略。 模糊控制与传统控制相比，具有以下优点： ( 1 ) 适用于不易获得精确数学模型的被控对象，其结构参数不很清楚或难 以求得，只要求掌握现场操作人员或有关专家的经验、知识或操作数据。 ( 2 ) 模糊控制是一种语言变量控制器，其控制规则只用语言变量的形式定 性地表达，避开状态方程和传递函数。 ( 3 ) 系统的鲁棒性强，尤其适用于非线性、时变、滞后系统的控制。 ( 4 ) 从不同的观点出发，可以设计几个不同的指标函数，其语言控制规则 是分别独立的，但整个系统的设计可以得到总体的协调控制。 模糊控制技术的鲁棒性强，适用于非线性，时变，滞后系统控制的特点，使 其在交流电机的控制领域有着很广阔的发展的空间。模糊控制技术和矢量控制技 术的结合，成为了交流电机控制的必然的趋势。 模糊系统理论还有一些重要的理论课题没有解决。其中两个重要的问题是： 如何获得模糊规则及隶属函数问题和如何保证模糊系统的稳定性。目前，在模糊 控制理论和应用方面研究的主要课题有： ( 1 ) 模糊控制规则设计方法的研究，包括模糊集和隶属函数设定方法，量 化水平，采样周期的最优选择，规则的系数，最小实现以及规则和隶属函数参数 自动生成等问题，以及进一步给出模糊控制器的系统化设计方法。 ( 2 ) 模糊控制器参数最优调整理论的确定以及修正推理规则的学习方法和 算法等。 ( 3 ) 适合于解决工程上普通问题的稳定性分析方法，稳定性评价理论体系， 控制器的鲁棒性分析，系统地可控性分析和可观测性判定方法。 ( 4 ) 模糊动态模型的辨识方法。 ( 5 ) 神经网络与模糊控制相结合，有望发展一套新的智能控制理论。 ( 6 ) 模糊预测系统的设计方法和提高计算速度的方法。 ( 7 ) 模糊控制算法改进的研究。由于模糊逻辑的范畴很广，包含大量的概 念和原则，然而这些概念和原则能真正的在模糊逻辑系统中得到应用的却为数不 4 硕士学位论文 第一章绪论 多。 ( 8 ) 最优模糊控伟4 器的研究。依据恰当提出的性能指标，规范控制规则的 设计依据，并在某种意义上达到最优。 ( 9 ) 简单、实用且具有模糊推理功能的模糊集成芯片和模糊控制装置、通 用模糊控制系统的开发和推广应用。 1 2 3 现场总线技术 由于近年来多轴传动控制对工业自动化生产扮演越来越重要的角色，应用面 越来越广泛，如立辊、双边剪、工业机器人及半导体制造设备等，旨需要高效能 精密传动控制器来实现。而应用分布式即时网络技术来达成多轴同步运动控制， 己成为目前传动驱动发展的趋势。结合网络技术与电机的运动控制，发展成即时 网络控制系统。 现场总线是近年来迅速发展起来的一种工业数据总线，它主要解决工业现场 的智能化仪器仪表、控制器、执行机构等现场设备间的数字通信以及这些现场控 制设备和高级控制系统之间的信息传递问题，采用基于生产者客户模式的网络 结构。微处理器的出现，特别是微控制器的发展为现场总线的产生和发展创造了 条件。现有的多数现场设备，为提高其性能价格比，在实现其内部操作对都采用 了微处理器和数字化元件，于是就提出了必须在这些领域的数字设备之间实现数 字通信的要求。采用现场总线的目的就是为了满足这种要求，为工业领域中的测 量和调节控制设备提供实现串行数字通信的手段。对于现场总线，一方面把传统 的模拟仪表变成数字仪表，变单一功能为多项功能，实现现场仪表的互操作和互 换信息；另一方面是把d c s ( 分散型控制系统) 变成f c s ( 现场控制系统) ，在 现场建立开放式的现场通信网络，实现全系统的数字通信网络化。 p r o f i b u s 是目前欧洲应用最广泛的开放式现场总线技术，广泛应用于制造 业自动化、过程自动化、电力、楼宇、铁路交通等领域。 1 3 论文的主要内容 本文主要研究基于模糊矢量控制的交直流电机同步控制的研究，重点在于对 异步电机的速度控制。系统采用双闭环的控制，内环对交流电机的速度进行矢量 控制，外环对直流电机速度和异步电机速度迸行模糊控制。其中矢量控制通过西 门子m a s t e rd r i v e s 变频器实现，模糊控制通过西门子s 7 3 0 0 p l c 实现，通 讯部分采用p r o f b u s d p 现场总线。 第一章介绍了交直流同步控制的意义，概述了交流电机速度控制的现状，模 糊控制引入的必然性和p r o f i b u s d p 现场总线的概况。 第二章分析了交流电机在静止三相坐标的数学模型和通过坐标变换得到的 5 硕士学位论文第一章绪论 旋转坐标的数学模型，介绍了矢量控制的基本思想和实现方法。 第三章介绍了模糊控制技术的基本思想，模糊控制器的结构和模糊控制器的 设计方法。 第四章分析了现在常用的同步控制方案并根据本系统的特点，选择了主从同 步控制方案，提出了自调整模糊控制器与矢量控制相结合的方法以实现交直流电 机的同步控制。 第五章介绍了实验室系统的结构和硬件的特点，对西门子直流调速装置、交 流变频器、s 7 系列p l c 和p r o f i b u s d p 现场总线的性能特点进行了分析，其 中重点分析了用于控制交流电机的m a s t e rd r i v e s 系列变频器。 第六章在第五章建立实验系统上进行了软件部分的设计和试验，重点是参数 自调整的模糊控制器的设计。最后的试验结果表明该方案正确可行。 6 硕士学位论文 第二章交流电机矢量控制数学模型 第二章交流电机矢量控制数学模型 2 1 交流电机在静止三相坐标系上的数学模型 交流电机的数学模型是一个高阶、非线性、强耦合的多变量系统t 9 1 t l o l 。为了 得到交流电机的多变量数学模型，我们作以下的假设：( 1 ) 忽略空间谐波，设三 相绕组对称，所产生的磁动势沿气隙圆周按正弦规律分布；( 2 ) 忽略磁路饱和， 各绕组的互感和自感都是恒定的；( 3 ) 忽略铁芯损耗；( 4 ) 不考虑频率和温度变 化对绕组电阻的影响。这样我们可以得到三相交流电机的物理模型如图2 1 。 i 奄 之 4 6 噫x 一 芦 叫一彳 7 c c 图2 1 三相交流电机的物理模型 图中，定子三相绕组轴线a 、b 、c 在空间是固定的，以4 轴为参考坐标 轴，转子绕组轴线a 、b 、c 随转子旋转。转子a 轴和定子4 轴间的电角度0 为空 间角位移变量。 2 1 1 电压方程 三相定子绕组的电压平衡方程和三相转子绕组折算到定子侧后的电压方程 7 硕士学位论文第二章交流电机矢量控制数学模型 可以用矩阵形式表示如下： ，l oooo o o吒00 o o 怕 0 0 ，l 000l i f c oo o ，2 o o | i l = ooo o ，2 ok 0000 0 ，2 h岬陲 ( 2 1 ) 式中i d ，i d b ，u c ，甜。分别为定子和转子相电压的瞬时值； i a ，毛，i a ，屯，分别为定子和转子相电流的瞬时值； 仍，仍，他，织分别为各相绕组的全磁链； 一，分别为定子和转子的绕组电阻。 2 1 2 磁链方程 每个绕组的磁链是它本身的自感磁链和其它绕组对它的互感磁链之和，因 此，六个绕组的磁链可表达为： 仍 纯 仍 仍 ( 2 - 2 ) 式中三。，三。，厶z ，三。，三。，三。是各有关绕组的自感，其余的各项则是绕 组间的互感。 将磁链方程( 2 - 2 ) 代入电压方程( 2 - 1 ) ，展开后的电压方程： 一 ：? d ；d z： “= 7 。+ l 万+ 万m 。 ( 2 3 ) 式中右边第二项为电磁感应电动势中的脉变电动势，第三项为电磁感应电动势中 与转速成正比的旋转电动势。 2 1 3 转矩方程 按照机电能量转换原理，可求出电磁转矩的表达式： 疋= 一n p l ，l 瞰_ 屯+ + i c i c ) s i n e + ( i + f 。+ i c i o ) s i n ( 8 + 1 2 0 。) + 也i c + + i c i b ) s i n p 一1 2 0 。) 】 2 _ 4 式中行。为极对数； 厶。为与定子一相绕组交链的最大互感磁通对应于该定子的互感。 8 砌咖加如如如 n隅：|：|：|肌 知胁缸“知如跏励励伽伽如咖伽励知伽缸伽伽缸缸助助伽伽伽励伽助砌助础砌助 硬士学位论文第二章交流电机矢量控制教学模型 通过上式可以清楚地看出三相交流电机的电磁转矩是三相定子电流、三相 转子电流及口角的函数，是一个多变量、非线性且强耦合函数。 2 1 4 三相交流电机的数学模型 将前面的式( 2 1 ) 、式( 2 - 2 ) 、式( 2 - 3 ) 和式( 2 - 4 ) 归纳起来，便构成了 在恒转矩负载下三相交流电机的多变量数学模型 面：万+ 三生+ m 竺7 一d t a口(2-5) 抄7 嚣，= 瓦+ 去警 棚 且 m 2 百 式中为负载阻转矩。 2 2 矢量变换的基本思想 虽然我们已经得出了交流电机的动态数学模型，但是想要在此模型的基础上 直接实现对交流电机的高性能控制还是十分困难的。为了简化控制思想、提高控 制精度，许多学者提出了交流电机的双轴理论【l l 】【1 2 l 【1 3 】1 1 4 j 1 5 1 ，双轴理论的核心是 将交流电机在三相坐标系下的空间矢量模型变换( 或归算) 成两相直角坐标系下 的空间矢量模型，使其近似于直流电机的模型，再对电机的稳态、动态运行进行 分析，因其将三轴电机模型变换为两轴电机模型而得名双轴理论。建立在双轴理 论基础上的电机空间矢量模型是矢量控制的基础。 我们比较直流电机转矩与电枢的关系式： = c 0 妃 ( 2 6 ) 和交流电机转矩与转子电流的关系式： 瓦= c 0 毋c o s 矿 ( 2 - 7 ) 可以看出，直流电机之所以能实现较满意的动态性能是因为只要励磁电流l 不 变，则磁通妒不变，那么只要调节电枢电流l ，就可以调节电磁转矩疋。而交流 电机的气隙磁通妒、转子电流l 、转子功率因数e o s p 都与转速有关，所以要在 动态中要准确的控制转矩比较困难。 1 9 7 1 年德国西门子公司的e b l a s e h k e 等提出了矢量变换控制原理，这种理 论就是实现在普通的三相交流电机上设法模拟直流电机控制转矩的规律，它的基 本思想是按照产生同样的旋转磁场这一等效原则建立起来的。矢量变换控制的基 本思想实质上就是通过数学变换把三相交流电动机的定子电流分解成两个分量， 一个用来产生旋转磁动势的励磁分t i m ，另一个用来产生电磁转矩的转矩分量 9 硕士学位论文第二章交流电机矢量控制数学模型 。如图2 2 所示。 图2 2 交流电机坐标变换结构图 从整体上看，其输入为4 、曰、c 三相电压，输出为转速国，为一台交流电 机。从内部看，经过三相两相( 3 2 ) 变换和同步旋转( v r ) 变换，变成了一台 由、为输入，珊为输出的直流电机。 2 3 交流电机在两相任意旋转坐标系上的数学模型 三相交流电机的数学模型式( 2 5 ) 是建立在三相静止的a b c 坐标系上的， 可以通过矢量变换将其变换到任意的二相旋转坐标系( 匈坐标系) 上。这样可 以简化模型，而又不失一般性。 2 3 1 物理模型、磁链方程与电压方程 交流电机变换到由坐标系得物理模型如图2 3 霄- - t 锄 矿 乙 胃 d 2 d l 图2 3 交流电机变换到印坐标系得物理模型 通过变换得到的由坐标系上的磁链方程为 l o 硕士学位论文第二章交流电机矢量控制数学模型 i 1 2 2 式中k 为由 b 坐标等效绕组间的互感； t 为由坐标系定子等效绕组的自感； 三，为由坐标系转子等效绕组的自感。 通过变换得到的由坐标系上的电压方程为 l 甜g i u d 2 “9 2 r i + t pq i ll m p q l l 。l 岛l o j j l lr i + t pq l 厶l pj j 0 k p- - o j l 2 瓦皿2 + l r p 8 2 q 2 乙l p r 2 + l , p l q 2 ( 2 8 ) ( 2 9 ) 2 3 2 转矩方程与数学模型 交流电机在砌坐标系上的转矩方程 l = h p l m ( i q i l d 2 一l 2 ) ( 2 - 1 0 ) 由交流电机在砌坐标系上的磁链方程、电压方程和转矩方程可以求得交流电 机在由坐标系上的数学模型为： ：死+ 塑d d 8n t(2-11) 舻虿 且 口= q 1 一 通过比较交流电机在三相坐标系和面坐标系下的电压方程、磁链方程、转 矩方程和数学模型，变换之后的方程维数降低了，数学模型也简单多了。 2 4 矢量控制原理及其引入模糊控制的必然性 2 4 1 坐标变换与反变换 为了像控制直流电机一样的控制交流电机，我们先模仿直流电机的控制方 式，求得直流电机的控制量，再经过坐标的反变换，就可以用来控制交流电机了。 我们常用到的变换与反变换有四种； ( 1 ) 三相静a b c 坐标系到两相静止口一坐标系的3 2 变换( c l a r k e 变换) c 纰i = 2ll 333 。去一万1 0象一帕融 o k o 籽瓦o o 筠 o o k 税 硕士学位论文第二章交流电机矢量控制数学模型 ( 2 ) 两相静止口一坐标系到两相同步旋转的d g 坐标系的p a r k 变换 = 卜c o 证s # 口伽s i n o 习 ( 3 ) 两相同步旋转的d q 坐标系到两相静止口一坐标系的逆p a r k 变换 c ：z d 2 j = 一i c o s 名- 刚s i no j ( 4 ) 两相静止口一坐标系到三相静止a b c 坐标系的2 3 变换( 逆c l a r k e 变换) c 2 啪，= 1 1 1 22 、矗 矗 u 一 22 2 4 2 矢量控制系统图 通过上面所说的4 种坐标变换，可以推出矢量控制系统框图，如图2 4 设计控制器时可略去这一部分 反馈信号 图2 4 矢量控制系统 如果我们认为虚线内的p a r k 变换和逆p a r k 变换，3 2 变换和2 3 变换互相抵 消，那么剩下的部分就和直流调速系统非常相似了。那么，矢量控制交流变频调 速系统的控制性能就完全可以与直流调速系统相媲美了。 2 4 3 引入模糊控制的必然性 然而矢量控制交流变频调速系统的控制性能还是受到很多因素的制约，主要 有两个方面，一个是矢量控制具有不完全解耦性；另一个是交流电机的许多参数 都随着温度等环境因素的改变而改变，也就是说交流电机模型参数的时变性。 矢量控制具有不完全解耦的性质，其主要表现在2 个方面【1 6 1 ： ( 1 ) 磁场定向的不准确性影响矢量控制的解耦效果。 ( 2 ) 交流电机定子电流的两个分量依然耦合，极大的影响了矢量控制的解耦效果。 硕士学位论文 第二章交流电机矢量控制数学模型 矢量控制能够实现交流电机的静态解耦，但它不能真正实现转速与转子磁间 的解耦，特别是两者问的动态解耦【1 7 i 嘲。矢量控制的不完全解耦性主要体现在 动态过程中。为了提高解决上述问题，以提高交流电机的控制性能，十分有必要 在矢量控制的基础上再添加一个具有强鲁棒性的控制器。 硕士学位论文 第三章模糊控制原理分析 第三章模糊控制原理分析 在第二章我们介绍矢量控制的时候提到其具有不完全解耦性，需要设计一个 鲁棒性较强的控制器以提高其控制性能，本系统设计基于模糊控制原理的控制器 来提高交流电机矢量控制的精度。 3 1 模糊控制原理 3 1 1 模糊控制的提出和特点 模糊控制技术是一种由模糊数学、计算机科学、人工智能、知识工程等多门 学科领域相互渗透的科学技术。“模糊控制理论”是由美国学者加利福尼亚大学 著名教授l a z a n d e h 于1 9 6 5 年首先提出0 9 1 。它是以模糊数学为基础，用语言 规则表示方法和先进的计算机技术，由模糊推理进行判决的一种高级控制策略。 8 0 年代以来，自动控制系统被控对象复杂化，它不仅表现在控制系统具有多输 入多输出的强耦合性、参数的时变性和严重的非线性特性，更突出的是从系统 对象所能获得的知识信息相对减少，而与此相反的对控制性能的要求却日益提 高。要想精确的描述复杂对象与系统得任何物理现象和运动状态，实际上已经是 不可能的。模糊控制可以使准确和简明之间取得平衡，使问题得描述具有实际意 义，这种描述的模糊性对问题的求解并非有害，却能高效率地对复杂事件做出正 确的判断和处理。模糊控制不仅适用于小规模线性单变量系统，而且逐渐向大规 模、非线性复杂系统扩展。 模糊控制在控制领域中的地位和作用越来越重要，这点在图3 1 中可以看 出。 t , b 规模 燃糊控割乡 荔 自霪裔 线性垂 荔 习( p i d ) 刁 ： 架系统 匿 髟形勿 线乍 扩展z 少 现代控 知识处l 制( 多变 理系统【 量系统) 大规模 图3 1 模糊控制在控制领域中的地位与作用 1 4 硕士学位论文 第三章模糊控制原理分析 模糊控制不用建立数学模型，根据实际系统的输入输出结果数据，参考现场 操作人员的运行经验，就可以对系统进行实时控制。模糊控制实际上是一种非线 性控制，从属于智能控制的范畴。模糊控制相比于传统控制有如下一些突出特点： ( 1 ) 模糊控制是一种基于规则的控制，它直接采用语言型控制规则，其依 据是现场操作人员的控制经验或相关专家的知识，在设计中不需要建立被控对象 的精确的数学模型，因而使得控制机理和策略易于理解，设计简单，便于应用。 ( 2 ) 由工业过程的定性认识出发，比较容易建立语言控制规则，因而模糊 控制对那些精确数学模型难以获取，动态特性不易掌握或变化非常显著的对象非 常适用。 ( 3 ) 基于模型的控制算法及系统的设计方法，由于出发点和性能指标的不 同，容易导致较大差异；但一个系统语言控制规则却具有相对的独立性，利用这 些控制规律间的模糊连接，容易找到折中的选择，使控制效果优于常规控制器。 ( 4 ) 模糊控制是基于启发式知识及语言决策规则设计的。这有利于模拟人 工控制的过程和方法，增强控制系统的适应能力，使之具有一定的智能水平。 ( 5 ) 模糊控制系统的鲁棒性强，干扰和参数变化对控制效果的影响被大大 减弱，尤其适用于非线性、时变及纯滞后系统的控制。 3 1 2 模糊控制系统的组成 模糊控制系统，主要由模糊控制器、输入输出接口、检测装置、执行结构和 被控对象等几部分组成。其系统组成框图如图3 2 。 图3 2 模糊控制系统的组成框图 其中模糊控制器又称为模糊逻辑控制器，由于所采用的模糊控制规则是由模 糊控制理论中的模糊条件语句来描述的，所以模糊控制器是一种语言型控制器， 故又称为模糊语言控制器。 模糊控制器是模糊控制系统的核心，一个模糊控制系统的性能优劣，主要取 决于模糊控制器的结构，所采用的模糊规则、合理推算法以及模糊决策的方法等 因素。 模糊控制器一般由计算机实现，用计算机程序和硬件实现模糊控制算法，这 里说的计算机包括单片机、工控机、p l c 等各类型的微型计算机，程序设计语言 硕士学位论文 第三章模糊控制原理分析 可以是汇编语言、c 语言、s t e p 7 等语言。模糊控制器的组成框图如图3 3 所示。 它包括有：输入量模糊化接口、数据库、规则库、推理机和输出解模糊接口五个 部分【1 9 j 。 图3 3 模糊控制器的组成 ( 1 ) 模糊化接口 模糊控制器的输入必须要通过模糊化才能用于模糊控制器输出的求解，因此 它实际上是模糊控制器的输入接口。它的主要作用是将真实的确定量输入转换成 一个模糊矢量。 ( 2 ) 数据库 数据库所存放的是所有输入、输出变量的全部模糊子集的隶属度矢量集。在 规则推理的模糊关系方程求解过程中，向推理机提供数据。 ( 3 ) 规则库 规则库是用来存放全部模糊控制规则的，在推理时为推理机提供控制规则。 由数据库和规则库这2 部分组成整个模糊控制器的知识库。 ( 4 ) 推理机 推理是模糊控制器中根据输入模糊量，由模糊控制规则完成模糊推理来求解 模糊关系方程，并获得模糊控制量的功能部分。它和模糊控制理论中最基本的问 题。 ( 5 ) 输出解模糊接口 输出解模糊是将模糊推理得到的控制量( 模糊) 变换为实际用于控制的清晰 量。它包含以下两部分内容： c a ) 将模糊的控制量经清晰化变换变成表示在论域范围的清晰量。 ( b ) 将表示在论域范围的清晰量经尺度变换变成实际的控制量。 3 2 模糊控制器的设计 3 2 1 模糊控制器的设计过程 1 6 硕士学位论文 第三章模糊控制原理分析 模糊控制器的设计要经过以下几个步骤： ( 1 ) 确定模糊控制器的输入变量和输出变量。 ( 2 ) 设计模糊控制器的控制规则。 ( 3 ) 确定模糊化和非模糊化( 清晰化) 的方法。 ( 4 ) 选择模糊控制器的输入变量和输出变量的论域并确定模糊控制器的参 数( 如量化因子、比例因子) 。 ( 5 ) 编制模糊控制算法的应用程序。 ( 6 ) 合理选择模糊控制算法的采样时间。 3 2 2 模糊控制器的结构选择 所谓模糊控制器的结构选择，就是确定模糊控制器的输入输出变量。从理论 上讲，模糊控制器的维数越高，控制越精细。但如果维数过高，模糊控制规则变 得过于复杂，控制算法的实现相对困难。本系统中我们主要是要进行交流电机的 转速控制，以使其转速与直流电机同步。所以我们采用二维的输入变量即使用误 差和误差的变化率，实现的框图如图3 - 4 所示： 图3 4 二维模糊控制器框图 3 2 3 精确量的模糊化方法 在确定了模糊控制器的结构后，需要对输入量进行采样、量化并模糊化。 将精确量转化为模糊量的过程称为模糊化，或称为模糊量化。 一般情况下，如果把p ，b 】区间的精确量x 转化为区间【一万，+ 川的离散量模糊 量y ，其中n 为不小于2 的正整数，容易推出： y = 2 n x - ( a + b ) 2 ( a - b ) ( 3 。1 ) 3 2 4 模糊规则的选取 模糊控制规则的设计是设计模糊控制器的关键，一般包括三部分设计内容： 选择描述输入输出变量的词集，定义各模糊变量的模糊子集和建立模糊控制器的 控制规则。 ( 1 ) 选择输入输出变量的词集 模糊控制器的控制规则表现为一组模糊条件语句，在条件语句中描述输入、 输出变量状态的一些词汇的集合，这些词汇是模糊控制模糊性的体现，称为这些 变量的词集。选择较多的词汇来描述输入、输出变量，可以使制定控制规则方便， 但是控制规则相应变得复杂。选择词汇过少，使得描述变量变得粗糙，导致控制 1 7 硕士学位论文 第三章模糊控制原理分析 器性能变坏。根据人们的生活习惯和生产工艺要求，一般选择下面的词集。 负大，负中，负小，零，正小，正中，正大 缩写为 n b ，n m ，n s ，z o ，p s ，p m ，p b 描述输入、输出的词汇都具有模糊特性，可以用模糊集合来表示。因此， 模糊概念的确定问题就直接转化为求取模糊集合隶属函数的问题。 ( 2 ) 定义各模糊变量的模糊子集 定义一个模糊子集，实