（机械设计及理论专业论文）微型电机变频驱动控制系统性能评价及实验的研究.pdf

学位论文数据集 中图分类号 t h 7 学科分类号 4 6 0 2 0 9 9 论文编号 1 0 0 1 0 2 0 0 7 0 3 9 8密级不保密 学位授予单位代码 1 0 0 1 0 学位授予单位名称北京化工大学 作者姓名王飞学号2 0 0 4 0 0 0 3 9 8 获学位专业名称机械设计及理论获学位专业代码 0 8 0 2 0 3 课题来源工程研究研究方向机械电子工程 论文题目微型电机变频驱动控制系统性能评价及实验的研究 关键词交流变频传动、模糊p i d 控制、系统性能评价、参数整定 论文答辩日期 2 0 0 7 5 2 7论文类型应用研究 学位论文评阅及答辩委员会情况 姓名职称工作单位学科专长 指导教师 张连凯副教授北京化工大学流体控制 评阅人1张国柱教授桂涅有限责任公司流体控制 评阅人2张东胜副教授北京化工大学机械电子 评阅人3 评阅人4 撇员枷 张国柱 教授 桂涅有限责任公司 矿山机械 答辩委员1 张国柱教授 桂涅有限责任公司矿山机械 答辩委员2 方佳雨 教授中国矿业大学流体控制 答辩委员3张有忱教授北京化工大学机械摩擦 答辩委员4李方俊副教授 北京化工大学流体控制 答辩委员5张东胜副教授北京化工大学 机械电子 答辩委员6王丽英 副教授北京化工大学机械设计 注：一 四 论文类型：1 基础研究2 应用研究3 开发研究4 其它 中图分类号在中国图书资料分类法查询 学科分类号在中华人民共和国国家标准( c b t 1 3 7 4 5 - 9 ) 学科分类与代码中 查询 论文编号由单位代码和年份及学号的后四位组成。 1 1 摘要 微型电机变频驱动控制系统性能评价及实验的研究 摘要 目前，交流调速传动已经上升为运动控制系统的主流。由变频器 驱动交流电机的调速系统具有节能降耗、使用简单、运行可靠的优点 因而在交流调速系统中，变频调速越来越得到广泛的应用。 现代交流传动系统对于系统控制策略无论从系统控制的静态品质 还是动态性能上都提出了很高的要求，由于交流传动系统存在参数时 变、负载扰动以及交流电动机自身和被控制对象的严重非线性特性、 强耦合性等不确定因素，传统控制方法( 如p i d 控制器) 难以满足。 本论文着重对于模糊控制特别是模糊p i d 组合方法在微型变频 驱动控制系统中的试验研究。通过理论分析和仿真试验，论文提出了 一种基于控制系统性能评价参数整定模糊p i d 控制( s p a p i d ) 。其中 控制器参数的自调整更根据系统控制性能评价来进行，相比于传统 p i d 控制器更符合系统的响应特性，满足了现代交流传动系统( m o d e m a cd r i v es y s t e m ) 的控制要求。本论文开发完成基于高性能的单片机 c y g n a l 8 0 5 1 f 0 2 0 设计系统控制性能评价的参数自整定模糊p i d 控制 器( s p a p i d ) ，该控制器实现了对变频器驱动交流电机的宽范围、高 精度调速。论文完成了包括系统控制器的硬件及软件设计工作。同时 论文讨论了变频调速系统性能指标模型，并编写了上位机系统性能测 试软件。 i 北京化工大学硕士学位论文 经过大量的实验表明，基于控制系统性能评价参数整定模糊p i d 控制( s p a p i d ) 不需要建立系统的精确数学模型，适用于非线性、 强耦合的变频传动系统。本论文设计于系统控制性能评价的参数自整 定p i d 控制器与变频器及变频电机组成的变频电气传动系统无论是 在高速还是低速有良好的抗负载扰动特性，消除了静差，成本低，使用 方便、简单具有很强的工业应用价值。 关键词：交流变频传动，模糊p i d 控制，系统性能评价，参数整定 l i j r 】 m i n i a t u r em o t o rf r e q u e n c yc o n v e r s i o nd r i v i n gc o n t r o l s y s t e mp e r f o r m a n c ea p p r a i s a la n de x p e r i m e n t r e s e a r c h a b s t r a c t a tp r e s e n t ，a cm o t o rd r i v es p e e dc o n t r o ls y s t e mh a sb e c o m et h e m a i ns t r e a mi nt h ee l e c t r i c a ld r i v ea r e a s i n c et h es p e e dr e g u l a t i o ns y s t e m o ff r e q u e n c y - c o n v e r t e ra cm o t o rh a s t h em e r i t s o fe n e r g y - s a v i n g ， c o n v e n i e n c ei nu s ea n ds a f e t yi no p e r a t i o n ，f r e q u e n c yc o n v e r s i o ns p e e d r e g u l a t i o n h a sb e e nm o r ea n dm o r ew i d e l ya p p l i e di na cs p e e d r e g u l a t i o ns y s t e m m o d e ma cd r i v es y s t e mp u t sf o r w a r dh i g hr e q u i r e m e n tf o rt h e s t a t i ca t t r i b u t ea n dd y n a m i cp e r f o r m a n c eo fs y s t e mc o n t r o ls t r a t e g y t h e t r a d i t i o n a lc o n t r o lm e t h o d ( p i dc o n t r o l l e r ) i sf a rf r o me n o u g ht ol i v eu p t ot h i sr e q u i r e m e n t ，d u et op a r a m e t e rt i m e - v a r y i n ga n dd i s t u r b i n gl o a d i n g o fa cd r i v es y s t e m ，a n ds o m eo t h e rf a c t o r so fa cm o t o ri t s e l fa n d c o n t r o l l e do b j e c t s ，s u c ha st h en o n l i n e a rp r o p e r t ya n ds t r o n gc o u p l i n g p r o p e r t y t h i st h e s i sm a k e sat e n t a t i v es t u d yo ft h ea p p l i c a t i o no ff u z z y c o n t r o l ，e s p e c i a l l yf u z z yp i di n m i n i a t u r em o t o rf r e q u e n c yc o n v e r s i o n d r i v i n gc o n t r o ls y s t e m t h r o u g h t h e o r e t i c a la n a l y s i sa n de m u l a t i o n a lt e s t ， i t p r o p o s e sp a r a m e t e ra d j u s t i n g p i dc o n t r o l l e rb a s e do nt h es y s t e m i i 北京化工大学硕士学位论文 c o n t r o lp e r f o r m a n c ea p p r a i s a l ( s p a p i d ) t h ec o n t r o lp a r a m e t e ri s s e l f - a d j u s t e da c c o r d i n gt ot h ep e r f o r m a n c ea p p r a i s a l ，w h i c h ，c o m p a r e d w i t ht h et r a d i t i o n a lp i dc o n t r o l l e r , i sm o r ec o n f o r m e dw i t ht h es y s t e m r e s p o n s ec h a r a c t e r i s t i c ，t h u sl i v i n gu pt ot h ec o n t r o lr e q u i r e m e n t t h i s t h e s i sd e v e l o p st h ep a r a m e t e ra d j u s t i n gp i dc o n t r o l l e r ( s p a p ! d ) ，b a s e d o nt h e s y s t e m c o n t r o l p e r f o r m a n c ea p p r a i s a l o f h i g h - q u a l i t y c y g n a l 8 0 5 1f 0 2 0d e s i g n i tr e a l i z e sb r o a d - r a n g ea n dh i g h - p r e c i s i o ns p e e d r e g u l a t i o nf o rf r e q u e n c y c o n v e r t e ra cm o t o r t h i st h e s i sa c c o m p l i s h e s t h ed e s i g no fb o t hh a r d w a r ea n ds o f t w a r eo fs y s t e mc o n t r o l l e r m e a n w h i l e ，i td i s c u s s e s t h e f r e q u e n c ys p e e dr e g u l a t i o ns y s t e m p e r f o r m a n c e i n d e xm o d e la n d c o m p o s e su p p e rc o m p u t e rs y s t e m p e r f o r m a n c et r i a ls o f t w a r e t h ee x p e r i m e n ts h o w st h a tt h ee s t a b l i s h m e n to fm a t h e m a t i c a l m o d e li sn o tn e e d e df o rt h ep a r a m e t e ra d j u s t i n gp i dc o n t r o l l e rb a s e do n t h es y s t e mp e r f o r m a n c ea p p r a i s a l ( s p a p i d ) i ti s a p p l i c a b l et o t h e n o n l i n e a ra n d c o u p l i n gf r e q u e n c y c o n v e r s i o nd r i v e s y s t e m t h e p a r a m e t e ra d j u s t i n gp i dc o n t r o ll e rb a s e do nt h es y s t e mp e r f o r m a n c e a p p r a i s a l ，t h e t r a n s d u c e ra n dt h e f r e q u e n c y m o t o rc o n s i s to f v a r i a b l e f r e q u e n c ye l e c t r i cd r i v es y s t e m p l e n t yo ft e s t si n d i c a t et h a ti t h a sa n t i d i s t u r b i n gl o a d i n gc a p a c i t ya tb o t hh i g ha n dl o ws p e e da n d e l i m i n a t e ss t e a d y - s t a t ee r r o r w i t hl o wc o s ta n dc o n v e n i e n ta n de a s y o p e r a t i o n ，t h i sv a r i a b l e - f r e q u e n c ye l e c t r i cd r i v es y s t e mh a ss i g n if i c a n t i v j 摘要 p r a c t i c a lv a l u ei nt h ef i e l do fi n d u s t r y k e yw o r d ：v a r i a b l e - f r e q u e n c ye l e c t r i cd r i v es y s t e m ，f u z z yp i dc o n t r o l ， s y s t e mp e r f o r m a n c ea p p r a i s a l ，p a r a m e t e ra d j u s t m e n t v 目录 第一章绪论 目录 1 1 论文背景 1 1 2 变频驱动控制系统技术发展 3 1 2 1 变频器技术发展 3 1 2 2 交流变频传动系统的控制策略 3 1 3 模糊控制在交流传动系统中的研究现状4 1 3 1 从交流传动系统驱动品质来考虑对于现代控制策略的要求 4 1 3 2 模糊控制在交流传动系统中的研究现状 5 1 4 论文研究的工作内容及章节安排 7 1 4 1 论文研究的目标小7 1 4 2 论文结构安排 7 第二章基于控制系统性能评价参数整定模糊p id 控制技术。 9 2 1 变频驱动系统的性能指标9 2 1 1 系统动态响应指标 9 2 1 2 系统稳态响应指标 9 2 1 3 变频驱动系统特有性能指标 1 0 2 2 模糊p i d 控制原理 1 0 2 2 1 模糊p i d 控制器结构 l o 2 2 2 模糊p i d 控制中k pk i k d 对系统性能的影响1 2 2 2 3 量化因子与比例因子对系统控制性能的影响1 3 2 3 模糊控制器设计基本方法d oltl0qo 1 3 2 4 基于控制系统性能评价的参数整定模糊p i d 控制器( s p a p i d ) 结构1 5 2 5 基于控制系统性能评价参数整定模糊p i d 控制器( s p a p i d ) 设计1 6 2 5 1 系统参数检测及模糊化过程1 7 2 5 2 酶、k i 、k d 规则库设计 1 7 2 5 3 基于系统性能测试比较判断的修正系数规则知识库设计2 0 2 6 仿真研究 2 0 、一 北京化工大学硕士学位论文 2 7 本章小结 2 5 第三章微型电机变频驱动系统硬件设计 2 7 3 1 电机变频驱动控制系统组成及原理 2 7 3 2 变频驱动控制系统硬件设计 2 7 3 2 1 主控制器芯片选型 2 7 3 2 2 变频器选型 2 9 3 2 3 电机选型 3 l 3 3 模糊s p a p i d 控制器硬件电路设计3 2 3 3 1 光电编码器及变m t 测速c y g n a l c 8 0 5 1 f 0 2 0 内部实现 3 2 3 3 2 控制器串行通信电路 3 3 3 4 本章小结 3 5 第四章变频驱动控制器( s p a p id ) 系统软件设计” 3 6 4 1 控制器软件设计总体设计思想 3 6 4 2 主程序设计 3 6 4 3 速度环子程序设计 3 7 4 4s p a p i d 控制算法子程序 4 0 4 5 串行通信程序设计 4 l 4 5 1 控制器与上位机通信程序设计 4 1 4 5 2 控制器与变频器串行通信程序设计 4 2 4 6 系统采样频率选择4 3 4 7 本章小结 4 5 第五章微型电机变频驱动控制系统上位机软件设计4 6 5 1 前言 4 6 5 2 控制分析软件开发工具选择和模块的设计 4 7 5 3 控制分析软件中重要的模块的开发 4 9 5 4 微型电机变频驱动控制系统上位机软件设计的实现0 0oo og o o ooq o o 5 0 5 4 1 用户登陆界面及主界面 5 0 v k【 北京化工大学硕士学位论文 5 4 2 进行电机性能测试实验和其检测曲线显示5 l 5 4 3 电机控制性能对比分析界面5 2 5 4 4 软件系统参数的设置界面和软件的辅助功能介绍 5 3 5 5 本章小结 5 5 第六章微型电机变频驱动控制系统实验 5 6 6 1 前言 5 6 6 1 1 实验平台 5 6 6 1 2 实验目的 5 7 6 1 3 试验方法o q go 5 6 2 系统阶跃响应试验 5 7 6 2 1 电机空载启动和控制器参数调整试验 5 7 6 2 2 电机空载转速连续变化试验 5 8 6 3 冲击速降试验 5 9 6 4 正弦曲线跟踪试验6 0 6 5 本章小结o o qq qo bo q qoo ooqo 6 l 第七章论文总结与展望 6 3 7 1 论文总结6 3 7 2 研究展望 6 4 参考文献 6 5 致谢 6 9 、 攻读硕士期间发表的学术论文 7 0 v 珊 k j k i - 第一章绪论 1 1 论文背景 第一章绪论 运动控制系统是以机械运动的驱动设备电动机为控制对象，以控制器 为核心，以功率变换装置、电力电子为执行机构，在自动控制理论指导下组成的 电气传动控制系统。系统控制电动机的转速、转角和转矩，将电能转换为机械能， 实现机械装置的运动要求i l j 。 信息时代的高新技术流向传统产业，引起后者的深刻变革。作为传统产业 之一的机械工业，在这场新技术革命冲击下，产品结构和生产系统结构都发生了 质的跃变，微电子技术、微计算机技术使信息和智能与机械装置和动力设备相结 合，推动的通用运动控制技术，以成为自动化技术的一个重要分支【2 】。运动控制 也不再局限于传统的机械工业，在机床、汽车、仪表、家用电器、轻工机械、纺 织机械、包装机械、印刷机械、冶金机械、化工机械以及工业机器人、智能机器 人等许多行业产品每年都有新的进展。 运动控制系统的发展得力于微电子技术、电力电子技术、永磁材料技术、 传感器检测技术、自动控制技术、微机应用技术的最新发展成果。正是这些技术 的进步使运动控制技术在2 0 年内发生了很大的变化。其发展经历了从丌环控制 到闭环控制，从模拟控制到数字控制，从单片机运动控制到今天的p c - - - b a s e 运动控制和基于网络式运动控制系统，从直流调速到交流调速的发展过程。每一 个过程的发展都在很大程度上促进了运动控制系统的发展【3 l 。 在运动控制系统中，可以分为直流传动和交流传动。在近百年的运动控制 系统发展历程中，确立了直流调速，交流不调速的公认模式。这是因为直流电机 主磁通于电枢电流相互独立，容易得到满意的动静态性能，但是交流电机虽然结 构简单，其模型确是强耦合、非线性和多变量的控制对象，调速系统控制复杂， 难以实现高精度控制。近几十年来，在新型电力电子、现代控制理论和智能控制 方法的支持下，使得交流调速系统的开发与应用如同中天。目前，运动控制系统 的新格局已近形成：交流上升到主导地位，逐步取代直流调速系统。交流调速系 统相比于直流调速系统有以下优点1 4 j ： ( 1 ) 单机容量不受限制。 直流电动机由于换向能力限制了电机的容量和速度，直流电动机的极限容量 和速度之积为1 0 6 k w 个r a i n 。而交流电机的单机容量可突破这一限制，为生产设 备提供更大的动力。 北京化t 人学硕：i ：学位论文 ( 2 ) 体积小、重量轻、占地面积小 由于交流电机结构简单、体积小、重量轻、占地面积小。而直流电机不仅单 机体积大，为了减少传动惯量，常常采用双电枢串联方式，占地面积也很大。而 交流电机由于结构简单，坚固，因此可以与机械合为一体，形成机电一体化产品， 例如轧钢地下卷取机的卷耿芯棒就作为同步电机的转子。 o ) 转动惯量小 以宝钢2 0 5 0 m m 热连轧机为例，直流主传动电机2 x 4 5 0 0 k w ( 2 5 0 5 7 8 r m i n ) ， 转动惯量7 6 8 k g m 2 ，而罘用交流主传动电动机9 0 0 0 k w ( 2 5 0 5 7 8 r m i n ) 单电枢传 动，转动惯量仅为1 7 2 k g m 2 ，仅为直流电机的0 2 2 倍。 ( 4 ) 动态响应好 由于交流电机转动惯量大大减少，而且交流电机没有换向火化对过载能力的 限制，电机可以具有更大的动态加速电流。因此交交变频同步电机较直流电机有 更好的动态响应特性。宝钢2 0 5 0 m m 热轧机交流电机的响应时间由1 2 0 m s 提高 到8 0 m s 。 ( 5 ) 维护简单化。 由于交流电机无需换向器，维护量大大减少，德国厚板轧机直流主传动电机 年维修量为1 4 5 h ，而采用交流传动后只需3 6 h ，仅为直流电机的1 4 。 ( 6 ) 节约能源 交流同步电机的效率比直流电机提高2 - 3 ，以淮南矿业集团谢桥矿煤输送 系统主驱动电机为例，原直流电机传动2 x 4 5 0 0 k w ，功率消耗2 x 3 4 3 k w ，消耗冷 却水2 1 1 0 t l l ，而采用交流传动，电机容量增大到2 x 5 0 0 0 k w ，功率消耗仅 2 x 1 8 6 7 k w ，减少损耗4 6 ，冷却水消耗为2 5 9 油，仅为直流电机的5 4 ，采 用交流传动后，每吨煤电耗节约为1 5 以上，而产量提高3 0 。 然而我国运动控制系统尤其是交流传动系统经过几十年的发展，虽然取得 了很大的进步和成就，但是在关键技术上还受制于国外，尤其在高性能( 高性价 比、高速、高效和高精密性等) 的运动控制系统方面。由于不能生产高性能的运 动控制系统，因而无法集成复杂运动的整机，也是导致了我国机械工业装备整体 落后的一个原因。 此外由于受资金、技术、能源价格的影响，我国能源利用率比发达国家低 的多1 5 l 。2 0 0 4 年我国高耗能产品的耗能量比发达国家高出1 2 - 5 5 左右，9 0 以上的能源在矿业开采、加工转换、储运和终端利用过程中损失和浪费。我国的 单位能耗g n p ( 吨标准煤千美元) 的国家比较( 9 0 年代中期) ，中国分别是瑞 士、意大利、日本、法国、德国、英国、美国、加拿大的1 2 3 倍、1 0 6 倍、9 8 倍、8 8 倍、8 3 倍、8 1 倍、6 9 倍、4 6 倍和3 8 倍。2 0 0 0 年，中国火电厂煤耗 2 第一章绪论 为3 8 9 克标准煤k w h 。我国电机的总装机容量已达4 亿千瓦，年耗电量达6 0 0 0 亿千瓦时，约占工业耗电量的8 0 。我国8 0 以上为0 5 5 - 2 2 0 k w 以下的中小型 异步电动机，并且在电机运动控制系统的总装备水平仅相当于发达国家5 0 年代 水平。我国在十一五计划中，电机系统节能方面的投入高达7 0 0 亿元左右。因此 研究电机变频驱动控制系统有着十分重要而深远的意义。 1 2 变频驱动控制系统技术发展 1 2 1 变频器技术发展 变频器是变频运动控制系统中的功率变换器。当今的运动控制系统包含多种 学科的技术领域。总的发展趋势是：驱动的交流化，功率变换器的高频化，控制 的数字化、智能化和网络化。因此，变频器作为系统的重要功率变换部件，提供 可靠的高性能变压变频的交流电源而得到迅猛的发展。 随着新型电力电子器件尤其是i g b t 半导体技术和高性能微处理器的应用以 及控制技术的发展，变频器的性能价格比越来越高，体积越来越小，而厂家仍然 在不断提高可靠性来实现变频器的进一步小型轻量化、高性能化和多功能化以及 无公害化1 6 h 9 】变频器的性能优劣主要体现在以下三个方面：一是输出交流电压 得谐波对电机的影响：二是对电网的谐波污染和输入的功率因数；三是变频器本 身的能量消耗效率。目前变频器发展的趋势是：主电路功率开关元件的自关断化、 电路模块化、集成化、智能化、开关频率不断提高其损耗进一步降低【l o l - 【1 4 】。 目前中达电通公司已成功研制出对于低压小容量变频器网侧采用6 脉冲变 流器而对中压大容量装置采用多重化1 2 脉冲以上变频器。对于四象限运行的转 动，a b b 公司变频器也成功的研制出再生能量向电网回馈和节省能量，网侧采 用了可逆变流器，同时采用功率双向流动的双p w m 变频技术。德国西门子公司 利用对网侧加以适当控制使输入电流完全接近正弦波，成功的研制出对电网无公 害的变频器l i 封。 1 2 2 交流变频传动系统的控制策略 1 9 6 8 年德国d a r m t a d e r 工科大学h a s s e 博士提出异步电机的矢量控制的思 想，1 9 7 1 年德国西门子公司的f b l a s c h k e 将矢量控制形成系统理论16 1 。矢量控 制的思想是：将异步电动机的非线性、多变量、强耦合数学模型简化成常系数的 线性微分方程组，通过拉氏变换转换成代数方程组，写成矩阵阵方程，然后再进 3 北京化工大学硕士学位论文 行电动机轴系的坐标变换，通过坐标变换和按磁场定向，将a 南_ c 三相定子电流 变成相互正交的转矩电流分量和转子磁链分量，从而得到与直流电动机相当的数 学模型，通过分别控制转矩阵电流分量和转子磁链电流分量，使电动机的转速和 磁链的控制完全解耦，保持转子磁链电流分量，使电机的电磁转矩与转矩电流分 量成线性正比关系，从而得到与直流电动机相应的控制特性。其实质是将交流电 动机等效为直流电动机，分别对速度，磁场两个分量进行独立控制。通过控制转 子磁链，然后分解定子电流而获得转矩和磁场两个分量，经坐标变换，实现正交 或解耦控制。矢量控制方法的提出具有划时代的意义。 1 9 7 7 年a b p l u n k e r 提出了直接转矩控制思想，8 0 年代后期经过德国的 m d e p e n b r o c k 和日本的1 t a k a h a s h i 的发展【1 7 j ，并且和s e i m e n s 和a b b 公司的 工程实践应用。该技术在很大程度上解决了上述矢量控制的不足，并以新颖的控 制思想、简洁明了的系统结构、优良的动静态性能得到了迅速发展。直接转矩控 制直接在定子坐标系下分析交流电动机的数学模型，控制电动机的磁链和转矩。 它不需要将交流电动机等效为直流电动机，因而省去了矢量旋转变换中的许多复 杂计算；它不需要模仿直流电动机的控制，也不需要为解耦而简化交流电动机的 数学模型。 随着交流传动矢量控制理论和直接转矩控制理论的相继提出，近年来围绕着 交流电机控制方法的缺陷，如交流电动机的系统结构复杂、非线性、强耦合性和 电动机参数变化影响系统性能等问题，国内外学者进行了大量的试验研究，取得 了很多的研究成果。如磁通反馈技术矢量控制- 【2 0 1 、转差频率矢量控制【2 4 】、 基于电机磁场理论的直接转矩控制( d t c ) 1 2 5 h 2 9 】、基于现代控制理论的滑模变 结构技术【3 0 】【3 3 1 、采用微分几何理论的非线性解耦控制【3 4 】【3 们、模型参考自适应控 制3 7 h 3 9 1 等。这些方法使交流调速系统控制性能得到了改善，但它们仍然是建立 在控制对象的精确数学模型的基础之上，有的需要大量的传感器、观察器，因而 结构复杂，有的还无法摆脱非线性和电机参数变化的影响。 传统的交流传动控制系统大都采用p i d 控制器，它具有结构简单、稳定性 好、鲁棒性好等特点，从而得到了广泛的应用，但过分依赖于控制对像的模型参 数，不能有效的克服负载变化，难以满足现代交流传动控制系统的高精度、高速 度的要求。针对以上问题的出现，还需要进一步研究一种更为适合交流传动系统 自身特点的现代控制方法。 1 3 模糊控制在交流传动系统中的研究现状 1 3 1 从交流传动系统驱动品质来考虑对于现代控钥策略的要求 4 第一章绪论 由前面叙述可知交流传动系统已是运动控制系统发展的主要趋势，它广泛应 用于现代各类机械装备中，如精密数控加工机床和机器人等方面。其主要原因是 交流电动机与直流电动机相比具有体积小、过载能力强、输出转矩大、不存在电 刷磨损、无需经常维修等优点，而且由于无电刷压降因素的影响，可以达到很低 的转速，且具有良好的机械特性。 从现代交流传动系统的驱动品质来看，对于系统的控制性能要求主要有【4 0 】： ( 1 ) 动态品质：要求具有快速的跟踪性能，即系统对于输入信号的响应快， 跟踪误差小，过度过程时间短，l 且超调量小或无超调。 ( 2 ) 静态品质：稳态精度高，即系统输出与给定值间稳态偏差小，定位精度 高，具有较大的制动力矩。 可以看出，现代交流传动系统对于控制策路的要求甚高，不是传统控制方法 ( 如p i d 控制器) 所能满足的。这主要由于交流传动系统存在参数时变、负载 扰动以及交流电动机自身和被控制对象的严重非线性特性、强耦合性等不确定因 素。 因此现代交流传动系统对于控制策略的要求是：要求控制策略满足上述的动 态、静态性能，具有抑制各种非线性因素对系统的影响，具有解耦能力和强的鲁 棒性，无需依赖系统的精确数学模型4 。 1 3 2 模糊控制在交流传动系统中的研究现状 模糊理论是美国帕克莱加州大学电气工程系l o t f i a z a d e h 教授于1 9 6 5 年创 立的模糊集合理论的数学基础上发展起来的，主要包括模糊集合理论、模糊逻辑、 模糊推理和模糊控制等方面的内容【4 引。模糊控制( f u z z yc o n t r 0 1 ) 是基于规则的一 种智能控制方式，它不依赖于被控制对象的精确的数学模型，特别适宜对m i m o ( 多输入多数出) 的强耦合性、参数的时变性和严重的非线性与不确定性的复杂 系统或过程的控制，且控制方法简单，鲁棒性好【4 3 j 。 近年来，众多学者将模糊控制引入电气传动系统，特别是交流传动控制系统 中，其中主要的研究方面有： ( 1 ) 基于常规模糊控制器的电机控制 模糊控制器处于最外环，而内环保留矢量控制、直接转矩控制、滑模解耦控 制等传统控制方法。用模糊控制器取代常规的p i 或p i d 控制器以提高系统的 动态性能，在负载扰动、参数变化情况下仍可得到快速响应、强鲁棒性控制。如 6 g f i n d o 巷d u 等人将模糊控制应用在交流电机驱动曲柄机构速度控制上，获得了 5 北京化工大学硕士学位论文 很好的控制效果【4 4 1 。l1 7 0 l a k 等人则将模糊控制引入电抗性反应补偿同步电机控 制中，并开发了基于p i c1 6 f 8 7 7 单片机的模糊控制器，同时开发了对于电流、 电压和系统功率因数测量的交流传动控制系统，使系统具有良好的鲁棒性和可控 性【4 5 1 。 ( 2 ) 基于适应模糊控制器及模糊神经网络的电机控制 在模糊控制系统中，最大的问题在于当对象参数、给定或扰动变化过大时， 很难得到满意的控制效果。因此人们提出了许多改进的控制方案。r j w a i 等人 将自适应模糊控制结合神经网络共同对永磁伺服电机进行控制，提高了控制系统 的性能【矧。g 沥g & - b a l 等人将自组织模糊控制器用于超声电机控制系统研究中， 并提出了一种直接修改系统控制参数的控制算法 4 r l ，陈伟等人对于模糊自适应 p i d 控制系统引入机床主轴交流调速系统进行研究，针对交流电机磁链轨迹型 s p w m 机床主轴交流调速系统，提出了一种基于模糊p i d 控制的速度调节器， 并提出了新的速度调节器设设计，使交流调速系统性能得到了很大的提升，拓展 了模糊控制的领域( 4 8 1 。张好和荣盘祥利用神经网络的自学习自适应能力和快速 计算能力，提出一种基于模糊神经网络的智能控制器，与传统p i d 控制相比， 在超调量和稳定时间上都得到了很大的改善f 4 川。 ( 3 ) 模糊控制与p i d 控制器组合在调速中的应用 将模糊控制与其他控制手段结合起来的复合模糊p i d 比传统控制具有更快 的动态特性和小的超调量，比单纯的模糊控制有更高的稳态精度。模糊p i d 控 制器用模糊控制的方法，在线调整p i d 参数，以达到较好的动态性能【5 0 】l 引】。 f u z z y - p i 复合控制时将p i 控制策略引入模糊控制器，在大偏差范围内采用模糊 控制，在小偏差范围内转换为p l 控制，yxs u 和s p a 均m a s i v 锄将f u z z y 和 p i d 复合为双环模糊p i 控制器，实现对电机调速系统的控制，获得了良好的控 制效果【5 2 l 。王淑青和张子蓬等人对模糊p i d 复合控制策略进行研究，并应用到 水轮机控制系统中，采用专家经验和遗传算法优化相结合的方法对模糊p i d 复 合形式进行参数和规则整定，达到了较好的控制效剽 j 模糊控制提供了常规控制策略不能替代的高效控制方法，但将模糊控制应用 于电气传动特别是交流传动系统得研究还刚刚起步，仍有不少有待进一步研究的 问题： ( 1 ) 基于模糊控制的调速系统得系统化设计方法、稳定性分析等； ( 2 ) 自学习、自适应和自学习模糊控制在交流传动控制系统中的应用研究； ( 3 ) 模糊控制方法同p i d 传统控制方法的有机结合研究。 综上所述，交流传动系统模糊控制方法研究的目标就是研究出简单、有效的 自调整、自适应的控制方法，使系统不仅具有大范围调速能力，而且能实现连续 6 第一章绪论 快速的精确控制。 1 4 论文研究的工作内容及章节安排 1 4 1 论文研究的目标 本论文课题研究重点在于基于控制系统性能评价参数自调整的模糊p i d 控 制方法在交流变频传动控制系统中的应用研究，主要进行以下几个方面的研究： ( 1 ) 结合变频驱动控制系统的特点，研究模糊p i d 控制系统设计方法与仿真 试验。 ( 2 ) 重点探讨基于控制系统性能评价参数自调整p i d 控制方法( s p a p i d ) 相比于传统p i d 控制方法对于变频驱动控制系统性能的影响，设计一种适用、 有效的模糊p i d 参数自整定控制方案。 ( 3 ) 开发设计一套基于c y g n a l s 0 5 1 f 0 2 0 新一代处理器的微型电机变频驱动 控制系统，同时用v i s u a lb a s i c 编程语言开发上位机系统控制性能观测分析软件， 为进行基于控制系统性能评价参数整定模糊p i d 控制方法( s p a p i d ) 的应用研 究建立良好的试验平台。 ( 4 ) 在上述的试验平台上，将论文设计的基于控制系统性能评价参数整定模 糊p i d 控制( s p a p i d ) 应用于微型电机变频驱动控制系统中，相比于传统p i d 控制方法，验证其控制的实用性和有效性。 综上所述，论文课题研究的理论研究与应用具有一定的学科前沿性，同时也 具有广泛的工程应用前景。 1 4 2 论文结构安排 全文分为七章： 第一章为绪论。介绍了运动控制系统的发展，论述了变频调速的发展新方向。 同时介绍论文研究内容和论文结构安排。 第二章为系统控制策略研究，对模糊p i d 控制方法和基于控制系统性能评 价参数整定模糊p i d 控制( s p a p i d ) 进行了深入的研究。 第三章为变频驱动控制系统设计。设计了其系统硬件结构，为实现论文设计 的基于控制系统性能评价参数整定模糊p i d 控制( s p a p i d ) 做好硬件设计基础。 第四章为s p a p i d 控制器的软件设计。软件是系统控制的灵魂，为了使控制 系统各个设备正常运行，有效地实现各个控制环节，应充分利用硬件资源，融合 7 北京化工大学硕士学位论文 软件设计思想，编写高质量的软件，因此，下位机软件设计是整个控制系统设计 中非常重要的内容。 第五章为变频驱动控制系统上位机性能评价软件的编写，实现对控制器远程 监控和系统控制性能分析。 第六章为基于控制系统性能评价参数整定模糊p i d 控制( s p a p i d ) 在微型 电机变频驱动控制系统试验，并相比于传统调速系统控制性能和特点作实验比 较，得出实验结果。 第七章为全文所作研究进行了概括性的总结，并提出了有待进一步研究和解 决的问题。 8 第二章基于控制系统性能评价参数整定模糊p i d 控制技术 第二章基于控制系统性能评价参数整定 模糊p id 控制技术 2 1 变频驱动系统的性能指标 变频驱动系统性能评价指标与其他驱动控制系统既有着相同的指标评价体 系又有着自身独特评价指标。 变频调速系统的主要性能指标包括稳态性能指标( 稳态输出误差，调速范围) 和动态性能指标( 系统上升时间，超调量，延迟时间，峰值时间，调节时间等) 及其它性能指标( 转矩脉动，频率稳定性，频率精度，系统可用率) 5 4 】。 2 1 1 系统动态响应指标【5 5 】 1 系统上升时间( 仃) 表示系统响应曲线从零上升到稳态值所需要的时间。 2 超调量万 指系统响应的最大偏离量h ( t p ) 与终值j i l ( ) 的差与终值h ( o o ) 比的百分数，即 ：万：h ( t ) - h ( o o ) l o o ) 3 延迟时间t d 指系统响应曲线曲线第一次达到其终值一半所需要的时间。 4 峰值时间印 指系统响应超过其终值到达第一个峰值所需要的最短时间。 5 调节时间t s 指响应到达并保持终值士5 内所需要的最短时间。 2 1 2 系统稳态响应指标 l 稳态输出误差 表示变频驱动系统在负载变化的条件下，转速的稳定程度。其定义为在整个 调速度范围内，系统从空载增大到满载( 额定负载) 时的转速与电动机的理想空 9 北京化工大学硕士学位论文 载转速的比值。 2 转速比 在额定负载条件下调速系统可以提供的最高转速与最低转速的比值。 2 1 3 变频驱动系统特有性能指标 l 电流响应 电流响应的定义方式与速度定义方式基本相同。 测量电流响应时，阶跃电流给定值应等于其额定值的5 。而且，电动机不 连接任何负载。 2 冲击速降 匀速情况下突然加负载，动态速降曲线包围面积值的百分数。 3 转矩脉动 由变频装置的电流脉动引起的变频驱动系统的转矩脉动，用额定转矩的百分 数表示。 4 系统可用率 系统可用率是变频驱动系统的平均故障率重要指标，系统可用率按以下公式 计算：k ：下r - r ： 式中k 一系统可用率：r 一总的考核时间；t f 一总的故障时间。总的考核 时间一般规定为两周时间。 除此