（电力电子与电力传动专业论文）基于dsp的局部通风机智能变频调速系统研究.pdf

a b s t r a c t a c c o r d i n gt ot h ea c t u a lc i r c u m s t a n c eo ft h ec o a lm i n e ，a n a l y z e dt h er e l a t i o no f v e n t i l a t i o n q u a n t i t yo ft h ea u x i l i a r yf a na n dv a r i e t yo fg a sc o n s i s t e n c y i nt h ed r i v i n gd r i f t ，t h i st h e s i s i n t r o d u c e sw i t ht h ed s pc h i pt m s 3 2 0 f 2 4 0 7a si t sc o n t r o lc o r e ，c o m b i n i n gt h ef u z z yc o n t r o l a l g o r i t h m ，a p p l y i n g t h ec o n t r o l s t r a t e g yo ft h ev o l t a g es p a c e v e c t o r q u a n t i t y m o d u l a t i o n ( s v p w m ) t or e a l i z es u p e r s p e e dd y n a m i cr e s p o n s e u s i n gl e s s e rh a r d w a r es u p p o r ta n dr e a l i z i n g t h ec o m p l i c a t e dc o n t r o lc i r c u i tw i t ht h es o f t w a r e ，t h et h e s i sd e s i g n e dah i g h p e r f o r m a n c e f r e q u e n c y c o n t r o ls y s t e m t h es y s t e m c a nc a l c u l a t er e s u l t q u i c k l y ，t h e nc o n d u c t i n g c o m p r e h e n s i v ec o m p a r i s o n ，a n a l y s i s ，a n dj u d g m e n t ，o u t p u t t i n gt h eo p t i m u ms e l e c t i o nf i n a l l y i t c a nm a k ead i a g n o s i st or e s u l ta n da l a r mw h e ni td i s c o v e r st h ef a u l t i ta t t a i n st h ep u r p o s eo f e n e r g yc o n s e r v a t i o n ，w i n dc o n s e r v a t i o na n dr e d u c i n gw a s t a g ea sw e l la se n s u r e ss a f e t yi n p r o d u c t i o no f t h ec o a l m i n e t h ep a p e rd e d u c e si nd e t a i l st h ev o l t a g es p a c ev e c t o rp u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ( s v p w m ) t e c h n o l o g ya n da n a l y z e dt h ep r i n c i p l eo f o p e r a t eo f t h es y s t e mc o m p l e t e l y a f t e ri n t r o d u c e dt h e h a r d w a r ed e s i g no fs y s t e m ，i te x p l o d e rs o f t w a r eo fd s pi nt h ef i a to fm c k 2 4 0 7e v a l u a t i o n b o a r d 。 t h ep a p e ri n t r o d u c e dt h ed e b u g g i n go f p r o g r a ma n dl i s t e dp r o g r a mf l o wd i a g r a mp a r t l y f i n a l l y ， w ed e s i g n e dt h ee l e c t r i c i t ym o d e lo ff r e q u e n c yc o n t r o lu s i n gm a t l a bs o f t w a r ea n do b t a i n e d s i m u l a t i o nw a v e f o r mo fa n t i c i p a t e de f f e c t t h ew h o l es y s t e mm a d em i n ea u x i l i a r yf a nw o r ki nt h es a f e t ya n de c o n o m yc o n d i t i o nb y m o n i t o r i n gg a sc o n s i s t e n c y i tr e d u c e dh u m a nf a c t o r sb e c a u s eo fi m p r o p e ra n di n o p p o r t u n e a d j u s t i n g ，a s w e l la si n c r e a s e da u t o m a t i o nd e g r e ea n d s a f e t y o fm i n ea u x i l i a r yf a n i t e c o n o m i z e dm a s se l e c t r i ce n e r g ya n da d j u s t e da i rq u a n t i t yo ft h ed r i v i n gd r i f t i nr e a s o na n d m a k e sf r e s hw i n de n o u g ho nt i m eo f f e rt od r i v i n gd r i ri nn e e du r g e n t l y i t c h a n g e dt h e t r a d i t i o n a ld r a w i n go u tm e t h a n em e t h o do ft h ea u x i l i a r yf a nb ym a n u a lc o n t r o la n dr e d u c e d a c c i d e n tr a t eo f g a s k e yw o r d ：d s p 、f u z z yc o n t r o l 、v o l t a g es p a c ev e c t o rp u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ( s v p w m ) 独创性声明 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。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方以外，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 含为获得塞徽堡王太堂或其他教育机构的学位或证书而使用 过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文 中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名 ) 习k 荡 签字日期：坼6 月夕日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解塞徽壅王态堂有保留、使用学 位论文的规定，即：研究生在校攻读学位期问论文工作的知识产权单 位属于安徽理工大学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论 文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权塞徵理工 太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。( 保 密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：) 日认皇 签字日期：如t 啤6 月7 日签字日期：矽拜6 月7 日 基于d s p 的智能局部通风机变频调速系统研究 第一章绪论 1 1 问题的提出 在煤矿生产过程中，瓦斯、煤尘、火、水、顶板和机电事故频繁发生，其中 瓦斯事故占有很大比例，且损失之重大、伤亡之严重是六大灾害之最。据资料统 计，1 9 8 l 一1 9 9 5 年，我国重点煤矿在加强瓦斯灾害防治的前提下，仍因瓦斯爆炸 死亡1 5 8 2 人，瓦斯窒息死亡2 7 8 人，造成直接经济损失近1 5 亿元。矿井掘进 工作面是瓦斯煤尘事故多发地点，局部通风机是井下掘进过程中的主要设备，其 使用的灵活性和效能直接影响着瓦斯的安全排放。局部通风机的功率选择是按照 最长掘进距离时必须保证人员正常吸氧和瓦斯浓度不超限的原则进行的，因此局 部通风机选择一般都偏大，当巷道掘进深度较短时，就会出现“大马拉小车”的 现象，造成电能浪费，此时我们希望能够根据实际需要调控风量；另一方面，当 巷道出现瓦斯积存时，需要进行排放处理，为了保证回风巷中瓦斯浓度不超限， 新鲜风流和乏风流汇合处的瓦斯浓度要求不超过1 - - 1 5 ，必须控制瓦斯排放的 速度，以防“一风吹”排放瓦斯造成的危害。因此，需研制开发能够根据瓦斯浓 度进行风量调节、控制瓦斯排放速度的局部通风机控制装置，既节能又能达到安 全排放瓦斯的目的。 传统的局部通风机一般采用交流接触器手动控制，在长距离独头掘进巷道， 通风工为了少吃炮烟，放炮前就开着风机，而掘进一个工作面一般在半个班内可 以打完放炮，局部通风机就将一直运转到本班开钻、出碴工作面准备之后才回来 停风机。这样，一个工作面的风机无效运行至少5 6 小时，按平均每天多开5 小 时计算，一部1 1 k w 的局部通风机年多耗电2 0 0 7 5 k w h ；其次，开着局部通风机 放炮，使风机叶片、电机转子、轴承受爆破冲击气流冲击，影响其性能和使用寿 命。冲击波将冲击本来就承受风机高风压的风筒，容易破损。据统计因放炮损失 的风筒占全矿损失风筒6 0 以上，而且容易形成污风循环，严重污染了井下工作 面的通风质量，影响通风效果；另外，局部通风机转速不能随着瓦斯浓度的变化 而变化，不能针对井下工作面的实际情况调整矿井的各采区风量供应。1 。由此可 见，局部通风机的运行控制将直接影响井下作业条件和矿山生产成本。随着掘进 基于d s p 的智能局郝通风机变频调速系统研究 工作面的推进，巷道进尺、风筒阻力加大，瓦斯浓度也有很大变化，局部通风机 恒速运转是无法满足节能的需要。1 。因此本课题设计了一种结合模糊控制技术的 局部通风机变频调速系统。以满足工作面人员需要的风量( 人均4m m i n ) 为原则， 以变化的瓦斯浓度为参量，利用变频调速器控制局部通风机的转速，自动大范围 地连续调节局部通风机转速，使其在最佳的工况条件下运转，合理地控制供风域 的风量，就会大量节省局部通风机由于长期恒速运转造成的能量浪费，同时也自 动地将瓦斯浓度控制在安全范围之内。 1 2 变频调速系统的发展现状 近代交流传动经过二十多年的发展，逐渐成为电气传动的主流。在各种异步 电机调速系统中，效率最高、性能最好的是变频调速系统，变频调速是当前交流 调速中最理想、最有发展前途的一种方法。 目前，变流调速已覆盖了所有工业领域，交流电机变频调速技术是当今工业 生产中实现优质、高产、低功耗、推动技术进步的一种主要手段。变频调速以其 优异的调速和起制动性能、高效率、高功率因素和节能效果，被国内外公认为最 有发展前途的调速方式。2 0 0 3 年中国消耗电力1 8 ，5 0 0 亿度。其中有6 0 一7 0 大约 l ，2 万亿度属于动力电。到2 0 0 3 年底，中国的各类电动机的总容量是5 8 亿千瓦， 1 3 亿台左右，8 7 是异步电机。其中只有不到2 ，0 0 0 万千瓦的电动机是带变频器 控制的，而带变动负载，具有节能潜力的电机在中国至少有1 8 亿千瓦。 从总体上看，我国电气传动的技术水平较国际先进水平差距大约1 0 1 5 年。 在大功率交一交变频、无换向器电机传动等变频技术方面，国内只有少数科研单 位有能力制造，但在数字化及系统可靠性方面与国外也有相当差距，而这方面的 产品诸如抽水蓄能电站起动及运行、大容量风机、压缩机和轧机传动、矿井卷扬 方面有很大需求：在中小功率变频技术方面，国内几乎所有的产品都是普通的v f 控制，仅有少量的样机采用矢量控制，品种与质量还不能满足市场需要，每年依 赖大量进口。 近年来，随着电力电子技术和电力电子半导体器件的进步和发展，变频调速 技术得到了很大的发展。变频调速器以其调速精度商、响应速度快、保护功能完 善、过载能力强、节能显著、使用维护方便等优点已在我国逐渐推广与普及。在 基于d s p 的智能局部通风机变频调速系统研究 2 0 0 3 年，由于工业行业及建筑业的迅猛增长和对行业的大量投资，当年市场同比 增长超过了4 0 ，达到了5 5 6 亿元，6 2 6 万千瓦，4 3 万台：在个别地区和个别行 业的增长甚至超过8 0 ，这个速度已经远远超过了当年9 1 的g d p 增长水平。在 随后的几年内，中国的变频器市场虽然很可能无法继续保持这样的增长速度，但 是在未来的5 年内保持着1 0 以上的增长率是可能的。按照这样的发展速度和中 国市场的需求计算，至少在l o 年以后变频器市场才能饱和并逐渐成熟，而届时如 果变频器没有被其他传动产品取代的话，每年的更换市场也将达到5 0 0 万台( 套) 以上。 变频调速技术作为高新技术、基础技术和节能技术，已经渗透到经济领域的 所有技术部门中。因此研究交流变频调速技术必将带来巨大的社会效益和经济效 益，开发带有自诊断功能的高性能、智能化变频器势在必行。虽然国外变频器在 性能和价格上具有很大优势，国内研制的通用变频器无法与之竞争。但是，那些 在煤矿等特殊场合使用的变频器，由于市场需求相对较少，成本高，进口产品并 未占领中国市场。如果选择适当的控制策略研制出性能好，成本低的专用变频 器还是大有可为的。 1 3 本文的研究目的及内容 1 3 1 研究目的 鉴于上述分析的状况，本课题的研究目的就是从节能的角度出发，开发研究 局部通风机相适应的配套变频器调速装置，市场是非常广阔的，也与我国的经济 与能源现状相适应。本课题的设计方案就是利用d s p 的运算速度快，运算功能强 大，结合模糊控制算法，应用电压空间矢量( s v p w m ) 的控制策略来实现高速动态 响应功能，以t m s 3 2 0 f 2 4 0 7 d s p 作为整个系统的控制核心，将复杂的控制算法用软 件实现，在较少的硬件支持下，设计出一种适应煤矿工作面瓦斯浓度变化的变频 调速系统。既可以快速的计算出结果，将结果进行综合比较、分析、判断，最后 输出最优选择。既达到节能的目的，又保证了煤矿的安全生产。 1 ，3 2 研究内容 本人在课题的进行当中通过调研查找了大量与本课题有关的资料，并进行了 基于d s p 的智能局部通风机变频调速系统研究 细致的消化。又结合煤矿工业现场的实际情况，考虑到这种非线性、多耦合、多 干扰、纯滞后系统，本课题提出一种利用以t m s 3 2 0 f 2 4 0 7 d s p 作为整个系统的控制 核心。采用模糊控制算法找出特定现场的瓦斯浓度与风扇风量的关系，应用电压 空间矢量( s v p w m ) 的控制策略来实现高速动态响应功能，研制出一种适应瓦斯浓 度变化的闭环的变频调速通风控制系统。通过从监测现场瓦斯浓度控制变频器输 入，从而控制局部通风机始终运行在高效区。文中详细分析了系统的工作原理， 设计了变频器调速系统的硬件电路、保护电路及软件编制方案。并以m c k 2 4 0 7 a 评 估板为实验平台开发了d s p 的运行程序，介绍了程序的调试过程列出了程序流程 图和部分程序清单。最后利用m a t l a b 仿真软件建立了变频调速的电气模型，并在 此基础上进行系统试验，得出了仿真波形和试验波形。根据试验结果分析，基本 达到预期效果。 1 4 本课题研究的实际意义 本项目主要针对掘进工作面局部通风机的控制，通过瓦斯传感器监测布置在 工作面的进风流、工作面、回风流三点瓦斯含量，寻找种模糊控制算法，计算 出变频器的控制电压，最终控制风机的抽风量的大小“1 。通过微机监测和自动控 制，使风机始终保持在高效区安全经济运行，减少许多人为调整不当，不及时因 素，进一步提高风机的自动化程度及安全可靠性，节约了大量电能，又能合理的 调整井下供风系统，使靳鲜风流髓够及时可靠的提供给急需要的工作面。结束了 以往传统的人工控制局部通风机排放瓦斯的方式，极大地降低了瓦斯事故率“1 。 粗略估算，采用本系统可节电3 0 以上。以一台2 8 k w 局部通风机为例，未装 变频器以前，每年用电约为1 2 9 9 万元( 用户电价按0 5 3 元k w h ) ，安装变频器以 后，可节电3 9 万元。虽然目前变频器需要引进关键元器件，甚至主机，价格较高， 但性能价格比高，可靠性高，使用寿命长，一般可用1 5 年左右，加上节能效果好，购 用是值得的”“。所以该项目的研究具有非常好的应用前景和社会经济效益。 1 ，5 课题的来源 本课题属于煤矿安全与节能技术的开发研究，是2 0 0 1 年安徽省教育自然科学 研究基金项目局部通风机交频调速智能控制系统( 编号2 0 0 1 k j 2 1 8 ) 。 基于d s p 的智能局部通风机变频调速系统研究 第二章智能局部通风机变频调速系统的总体设计思想 2 1 瓦斯检测与局部通风机的控制 根据煤矿安全规程，当瓦斯浓度达到或超过1 5 时，应进入排放瓦斯状 态。为了达到节能效果，当瓦斯浓度在0 1 5 时，局部通风机的转速应与瓦斯浓 度的增减成比例地升降，即随瓦斯浓度的变化自动调整转速。而目前国内老矿井 的局部通风机的电控方式基本上仍采用交流接触器手动控制方式或继电器控制， 整个电控系统可靠性差，故障点多且查找故障困难，不利于分析和查找事故原因。 最近几年，一些国内厂家开发研制了局部通风机变频调速系统，大多采用单片机 作为控制芯片，系统结构简单，控制策略也比较简单。它的主要缺点是： 1 、可靠性较差，调速系统的动态性能有限。 2 、没有把通过现场实测的瓦斯浓度与风机风速、流量等数据建立正确的联系， 达不到良好的控制效果。 3 、对于现场使用人员合理的使用变频器也是一件不容易的事，它涉及到变频 器的起动转矩的调整、加减速时间的设定、瓦斯浓度与风机转速的关系等等。 因此，为此我们利用d s p 的运算速度快，运算功能强大，结合模糊控制算法， 来对现场的瓦斯浓度进行模糊判断，运用先进电压空间矢量的控制策略，将复杂 的控制算法用软件实现，在较少的硬件支持下，设计出一种适应煤矿工作面瓦斯 浓度变化的变频调速系统。它以变化的瓦斯浓度为参量来控制局部通风机转速， 能够自动地、大范围地调节局部通风机转速，使其在最佳的工况条件下工作，满 足掘进工作面的通风要求，大大地降低由于局部通风机长期恒速运转而造成的吨 煤耗电量。变频调速也使局部通风机的起动更加平滑，减少起动过程中的瞬间冲 击。 2 2 掘进工作面瓦斯浓度的模糊控制 本课题设计的矿用隔爆局部通风机变频器就是为了自动控制局部通风机的转 速，达到大量节省局部通风机由于长期恒速运转造成的能量浪费，同时也自动将 瓦颠浓度控制在安全范围内。对于这种自动控制的要求，必须寻找到输入量与输 基于d s p 的智能局部通风机变频调速系统研究 出量的对应关系。但在煤矿的掘进工作面，局部通风机所需风量与诸多因素有关， 如巷道的长度、风阻、瓦斯浓度等。而巷道内瓦斯的涌出又是随机的，考虑到这 种非线性、多耦合、多干扰、纯滞后系统，我们采用模糊控制方法来实现局部通风 机的自动控制。瓦斯浓度的模糊控制就是利用计算机对瓦斯传感器的发送来的瓦 斯浓度的变化参数，按照预先安排的程序，自动地进行信息的处理、分析、和计 算，利用模糊控制算法，实时发出控制电压调制比，再由变频器将控制电压转换 成相应的控制频率，去控制电压的转速，以此来实现调速目的。模糊控制程序是 根据瓦斯传感器的信号获得迎风头和回风口的瓦斯浓度，取其中较大的一个值作 为计算依据。当瓦斯浓度超过o 7 时，装置输出最大值使风机全速运行：当瓦斯 传感器断线时，这时检测不到瓦斯信号，基于安全考虑，风机也将逐渐加速到全 速运行过程。当瓦斯出现超限情况时，装置发出报警信号。瓦斯浓度正常情况下， d s p 控制芯片根据模糊控制规律( 以查表方式实现) ，计算出变频器给定值来调 整风机实际所需要的转速。 23 局部通风机的变频控制策略的选择 目前国内厂家生产的局部通风机变频调速器大多采用s p w m 技术，s p w m 是从 电源角度出发，追求输出一个频率和电压可调、三相对称的正弦波电动机供电电 源，其控制规则是尽可能减少输出的谐波分量。这种方法虽然具有数学模型简单、 控制线性度好和容易实现的优点，但是它也有缺点电压利用率太低。例如进 行双极性调制时，整流滤波后的直流电压为k = 2 3 8 0 v ，当调制比 j - - - - l 时， 逆变器输出的相电压幅值为叹，相电压的有效值为1 9 0 v ，相应的线电压有效 值为3 2 9 v 。可见，电压利用率只有0 8 6 5 。为此人们提出三次谐波注入法等技术， 来使调制度m i 而又不会出现过调制现象，但这些方法都是出于补救目的。目前 最流行、效果最好的方法当属电压空间矢量p w m 技术。因为，异步电动机需要输 入三相正弦电流的最终目的还是在空间产生圆形磁场，从而产生恒定的电磁转矩。 电压空间矢量p 删技术的主要控制思路是采用逆变器空间电压矢量的切换来获得 准圆形的旋转磁场向交流电机提供可变频电源、并保证电动机形成定子磁链圆， 就可以实现交流电机的变频调速。电压空间矢量法与传统的s p w m 法相比不但可以 基于d s p 的智能局部通风机变频调速系统研究 减少转矩脉动和铁损耗，而且可以提高电源利用率。本课题就是利用电压空间矢 量p w m 技术设计一种高性能的p w m 逆变器，详细内容将在第四章加以分析。 2 4 智能局部通风机变频调速系统的组成 基于上述设计思想，本课题就以t i 公司的t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 d s p 芯片为核心，采 用电压空间矢量法设计了变频器，而且结合模糊控制技术能够对现场瓦斯浓度进 行智能判断的智能局部通风机变频系统。系统主要由两个部分组成：一是局部通 风机智能控制装置，主要完成瓦斯浓度的检测，以及根据瓦斯浓度的变化，利用 模糊控制规律运算出相应的变频器给定值。为提高系统可靠性和安全性，系统选 用高低浓度组合的防爆瓦斯传感器；第二部分是变频器，它是系统中的执行机构， 根据局部通风机智能控制装置输出的给定值来改变风机的转速。本课题所选用的 变频器除满足容量、输出电压及瞬时过载能力等常规要求外，还应满足以下两个 要求：一是能够运行在有瓦斯环境下，也就是要能够防爆；二是当变频器发生故 障时，能够保证风机的正常运转，而不会出现停机现象。 图2 - 1局部通风机模糊控制变频调速系统框图 整个系统由整流模块、逆变模块、瓦斯浓度模糊判断模块、d s p 控制模块、 和瓦斯传感器等构成，系统框图如图2 - i 所示。系统运行时，根据瓦斯传感器检 测到的实际浓度，经于瓦斯设定值比较，得到瓦斯浓度偏差e 与瓦斯浓度偏差变 基于d s p 的智能局部通风机变频调速系统研究 化率ae ，然后按各自的隶属度函数计算出各自的模糊量。模糊控制器由这两个模 糊输入量，综合人工经验的模糊控制规则计算得到输出的模糊量，再对其反模糊 化就可以得到输出精确控制量。输入变量设计为瓦斯浓度偏差e 和瓦斯浓度偏差 变化率e ，输出变量为控制变频器的调制比。瓦斯浓度模糊控制器通过模糊算法 得到所需调节值，将此值送到d s p 控制模块的输入口，从而控制变频电源的输出 频率，由此改变风机的转速，达到控制通风量的目的。 基于d s p 的智能局部通风机变频调速系统研究 第三章瓦斯浓度模糊控制器的设计 3 1 模糊控制的产生及发展 1 9 6 5 年，美国加利福尼亚大学的扎德( l a z a d c h ) 教授发表了两篇开刨性 的论文：“模糊集( f u z z y s e t s ) ”和“模糊集与子系统( f u z z y s e t s a n d s y s t e m s ) ”，从而产生了模糊集合论，并奠定了模糊集理论和应用研究的基础。 ( 町 在自动控制产生之前，人们在生产过程中只能采用手动的方式进行控制在 整个控制过程中，人首先通过观测被控对象的输出，然后再根据所得观测结果做 出决策，最后对被控对象进行手动调整。操作人员不断地进行观测一决策一调整， 来实现对被控对象的控制，而这三步分别是由人的眼一脑一手来完成的。后来， 随着科技的进步，人们又利用各种测量装置( 如测量仪表、传感器等) 代替人眼， 利用各种控制器( 如p l i ) 控制器) 来代替入脑，利用各种执行机构来代替人手，这 样就构成了常规的反馈控制系统。人们经过长期的研究和实践形成的经典控制理 论对解决线性定常系统是比较有效的，再后来又出现了基于状态空间的现代控制 理论，它在解决线性或非线性、定常或非定常问题上得到了广泛的应用。但是， 不管是古典控制理论还是现代控制理论都必须事先知道被控对象的精确数学模 型，然后才能进行控制系统的设计。而在许多情况下被控对象的数学模型很难建 立，这时，利用前述的方法就很难实现理想的控制。对于有经验的操作人员来说 这种被控对象进行手动控制却能达到较好的效果。这样，一些学者就把模糊集的 思想引入系统控制，提出了模糊控制的概念，并开展了理论及应用方面的研究。 近3 0 年来，模糊控制在控割领域的应用越采越受到人们的重视。国内外不少 专家、学者、工程技术人员都致力于模糊控制的研究，并将模糊控制器用于工业 过程控制方面，取得了良好的效果。1 9 7 4 年，英的e h _ l a m d a n i 首先把模糊控 制语言组成的模糊控制器用于控制蒸汽发动机。1 9 7 5 年，英国的k i n g 及m a m d a n i 利用模糊控制器控制一个反应炉搅拌池的温度。1 9 7 6 年，荷兰学者k i c k e r t 等人 通过模糊控制器解决了热交换过程中非线性、干扰、非对称增益特性和时滞的控 制问题，收到了最佳p i 控制的效果。1 9 7 6 年，英国学者t o n g 对压力容器内部的 9 基于d s p 的智能局部通风机变频调速系统研究 压力和液面进行模糊控制。1 9 7 7 年，英国的p a p p i s 等采用模糊控制，对十字路 口的交通管理进行试验，使得平均等待时间减少7 ，1 9 7 9 年英国的i j p r o c y 和e h m a m d a n i 研究一种自组织的模糊控制器，这种控制器在控制过程中能不 断地修改和调整控制规则，使控制系统的性能不断完善。1 9 7 9 年，丹麦f l s m i d t h 公司研制的模糊逻辑计算机协调控制系统投入运行，1 9 8 2 年又研制成功n o 分析 器和上述系统配合使用，实现了湿法水泥窑的模糊控制。1 9 8 3 年，日本学者s h u t a ) l l u r a k a m i 研制成功一种基于语言真值推理的模糊逻辑控制器，成功地用于汽车速 度的自动控制。 从1 9 7 9 年开始，我国也不断开展了模糊控制理论及其应用方面的研究工作， 取得了一定的理论成果。近十五年来，国内在工业过程控制中，尤其是在工业炉、 窑的控制中应用模糊控制取得了不少成果。河北科学院自动化研究所安建民等设 计的可锻铸铁退火炉温度模糊自寻优控制系统，1 9 8 5 年1 2 月通过鉴定。1 9 8 6 年， 湖南大学罗安等把模糊自适应控制成功地用于气炼机控制系统。重庆电子技术研 究所华晓鸣设计的电弧冶炼炉的模糊控制系统1 9 8 6 年4 月投入运行，并与同年 1 0 月通过化工部组织的鉴定等。从以上介绍的部分有代表性的研究情况来看，模 糊控制的理论研究和推广应用工作在我国不仅有了良好的开端，而且逐步成为引 人瞩目的一个热点技术，具有广阔的应用前景9 3 。 3 2 模糊控制在局部通风机自动控制中的应用 本课题设计的矿用隔爆局部通风机变频器就是为了自动控制局部通风机的转 速，达到大量节省局部通风机由于长期恒速运转造成的能量浪费，同时也自动将 瓦斯浓度控制在安全范围内。对于这种自动控制的要求，必须寻找到输入量与输 出量的对应关系。但在煤矿的掘进工作面，局部通风机所需风量与诸多因素有关， 如巷道的长度、风阻、瓦斯浓度等。而巷道内瓦斯的涌出又是随机的，考虑到这 种非线性、多耦合、多干扰、纯滞后系统，我们采用模糊控制方法来实现局部通风 机的自动控制。本课题提出了将模糊控制理论应用于变频器的输入电压控制，使 变频器随着瓦斯浓度的变化自动调整输出电压。 模糊控制是一种非线性的控制方法，是属于非线性、智能化控制范畴的一种 计算机控制。以其简洁性赢得了更高的可靠性，以其并行运算加快了控制的响应 基于d s p 的智能局部通风机变频调速系统研究 速度，以其单个规则的独特性抵消了个别规则的响应误差对全局的影响程度，使 整个系统的抗误差能力增强，鲁棒性增强。与一般的控制技术相比，模糊控制具 有以下几方面的特点： ( 1 ) 不需要建立精确的数学模型。它可以利用人的直接经验，把人的控制规 则模型化，模拟人的控制即实现智能控制。在工业生产的过程控制中，应用模糊 控制技术可以模拟熟练操作者经验，实现对系统的闭环控制。 ( 2 ) 传统的控制方法是以传递函数的基础实现的，现代控制方法是以状态方 程为基础实现的，而模糊控制则是以模糊控制规则或模糊矩阵来实现的。 ( 3 ) 模期控制器结构简单，易于实现，成本低廉。生产过程增加模糊控制， 所需增加的设备投资很少，可以实现低附加成本值和高附加利润的统一。 ( 4 ) 模糊控制器具有较好的鲁棒性( r o b u s t n e s s ) ，主要是： 对系统参数变化的适应性强。当系统的参数变化时，容易实现较 稳定的控制。 由于用模糊边界代替了原来发生0 1 突变的边界点，所以系统的稳 定性和抗干扰能力强。 只要规则设定合理，就可以避免恶性循环和险情发生。 ( 5 ) 模糊控制器实际上是给出了一种知识表示和推理的方法，可用来设计一 类决策系统和专家系统。 3 3 瓦斯浓度模糊控制器的设计 在实际应用中，模糊控制器有两种实现方式，一种是由模糊逻辑芯片组成的 硬件专用模糊控制器，用硬件芯片来直接实现模糊控制算法，其特点是推理速度 快、控制糖度高，但价格昂贵，输入和输出以及模糊规则都有限，且灵活性较差； 另一种是采用与数字控制器相同的硬件结构，而在软件上采用模糊控制方式来实 现控制，这种模糊控制器资源开销少，灵活性高，通用性强，应用广泛。本课题 就采用后一种方式，因此，模糊控制器的设计实质上就是设计模糊控制算法，根 据模糊控制原理，按以下几个步骤进行设计： 1 确定模糊控制器的结构，即根据具体的系统确定其输入、输出变量。 2 输入、输出变量的模糊化。即把输入输出的精确量转化为对应语言变量的 基于d s p 的智能局部通风机变频调速系统研究 模糊集合。 3 模糊推理决策算法的设计。即根据模糊控制规则进行模糊推理，并决策出 输出模糊量。 4 对输出模糊量进行模糊判决，完成其模糊量到精确量的转化。 5 编制模糊算法的应用程序，写到控制器的程序存储器中。 下面就各主要步骤针对本课题加以说明。 3 3 1 瓦斯浓度模糊控制器的结构 模糊控制器的结构有很多种，由于本课题的被控对象对精度要求不高，且只 有一个控制量，所以采用二维模糊控制器。 模糊控制器的结构框图如图3 一l 所示： 图3 一l瓦斯浓度模糊控制器结构框图 模糊控制器输入变量设计为瓦斯浓度偏差和瓦斯浓度偏差变化率，输出变量 m 为脉冲宽度调制度。系统运行时，根据瓦斯传感器检测到的实际浓度，经于瓦 斯设定值比较，得到瓦斯浓度偏差e 与瓦斯浓度偏差变化率e ，然后按各自的隶 属度函数计算出各自的模糊量。模糊控制器由这两个模糊输入量，综合人工经验 的模糊控制规则计算得到输出的模糊量，再对其反模糊化就可以得到输出精确控 制量。从而控制变频电源的输出频率，由此改变风机的转速，达到控制通风量的 目的。 3 3 2 输入输出变量的模糊化 模糊化设计含有两个重要内容，一个是模糊划分设计，另一个是模糊量隶属 度函数设计。前者是要解决在语言变量论域中取模糊量的个数问题，后者则用解 决模糊量的隶属度函数形状问题“。 ( 1 ) 偏差和偏差变化率的模糊化 考虑到本课题的控制并不复杂，把瓦斯浓度偏差论域取为 8 ，7 ，6 ，5 ，4 ， 3 ，2 ，l ，0 ) ，模糊语言集为( p v ，p b ，p m ，p s ，z e ) ，语言变量描述为( 很大偏差， 大偏差，中偏差，小偏差，无偏差) 。隶属函数和隶属度赋值表分别如图3 2 ，图 3 3 所示。 偏差变化率以1 个采样时间计算，其变化率的公式为e 。= e 。一e 。( e 。，e 。为采样 时刻t ，t - 1 的偏差量) ，选偏差变化率e 。的论域为卜5 ，一4 ，一3 ，3 ，4 ，5 ) ， e c 的模糊语言集为 n b ，n s ，0 ，p s ，p b ) ，语言表示为( 负大，负小，零，正小，正 大) 。隶属函数和隶属度赋值表类似与偏差变化。 0i 2345678 e 图3 - 2瓦斯浓度偏差隶属度函数 表3 - 1 瓦斯浓度偏差e 的隶属度赋值表 8765432lo z eo0 0 0 o0 0 8 0 4 l p s0oo00 20 6lo 40 p m00o 20 4 1 0 6o0 o p b0 0 6 l0 40oo0o p v10 80 2o00o00 基于d s p 的智能局部通风机变频调速系统研究 ( 2 ) 输出量的模糊化 选输出量在模糊论域为1 8 ，7 ，6 ，5 ，4 ，3 ，2 ，1 ，o ) ，对应的模糊语言集为 p v ，p b ，p m ，p s ，z e ) ，语言变量描述为 最高，较高，中高，小高，无) 。输出量 的隶属函数和隶属度赋值表如图3 4 ，表3 2 所示： 01 234 567 8 图3 - 3 输出控制量隶属度函数 表3 - 2 输出量m 的隶属度赋值表 87 6543210 p v 0o 000o 0 8 0 4l p b 0o 00o 20 610 40 p m00o 20 41o 6000 p s0o 610 4000o0 z e10 8o 200000o 3 3 3 模糊控制规则的设计 模糊控制规则实质上是将局扇操作工和现场技术人员的经验加以总结而得出 一条条模糊条件语句的集合，确定模糊控制规则的原则是必须保证控制器的输出 能够使系统输出响应的动静态特性达到最佳。 模糊控制规则用条件语句表示： i fe = a ia n de c = b jt h e nm = c k i _ 1 ，2 ，3 n 1 ：j = 1 ，2 ，3 n 2 ：k = l ，2 ，3 n 3 ) ( 3 一1 ) 式中：a i 一论域误差e 中的模糊子集； b j 一论域误差变化e c 中的模糊子集； 基于d s p 的智日2 局部通风机变频调速系统研究 c k 一输出m 的模糊子集； n 1 ，n 2 ，n 3 一模糊子集a i ，b j ，c k 的个数； 一个系统的控制规则视其所需的精度而确定条数及前后件结构。本课题根据 实现操作过程中遇到的各种可能出现的情况共得出2 5 条控制规则如表3 3 所示。 表3 - 3 模糊控制规则表 x e p vp bp mp sz e p bn bn bn sn s0 p sn bn sn so o 0n bn so00 n sn sn s0p mp b n bn sop mp bp b 3 3 4 模糊推理与决策 模糊控制器的推理结果是模糊量。由于模糊量是一个模糊子集，而实际被控 对象所需的控制量是精确值，所以，模糊控制器的推理输出是不能作实际控制的。 为了从推理结果中取得用于控制的精确量，需要对模糊推理进行一定的处理，求 取一个能恰当反映精确量的精确值，有时也称反模糊化。 模糊量的精确化有很多方法，其中较常用的有三种，即最大隶属度法、中位 数法、和重心法。在本课题中，采用重心法进行反模糊化。所谓重心法，就是对 模糊推理的结果的所有元素求取重心元素的方法，把模糊量的重心元素作为反模 糊化之后得到的精确值m + 。在本课题中，最后得到的精确量为脉冲宽度调制度 肘，当电动机达到稳定点后，在波形产生中断子程序中，取该值计算脉冲宽度， 来产生p w m 波形。 模糊推理的过程是根据模糊控制规则公式( 3 - 1 ) 可得到模糊关系矩阵r ，再 根据模糊推理的合成规则，输出的控制量应是模糊集m 基于d s p 的智能局部通风机变频调速系统研究 r = ( e f e c j ) m ( 3 2 ) 其中：尼厂各条规则的模糊关系，e 一瓦斯浓度误差e 的模糊向量，占1 z 广_ 瓦 斯浓度变化率p c 的模糊向量，m ，一模糊控制器的输出向量。 肛模糊关系矩阵 由上式可以得到模糊关系矩阵月，矩阵中的每一行对应一个模糊子集。为了 全面反映推理信息，采用重心法进行模糊判决。 2 5 a ( u ) “口 即 m + = 上l - 一 ( 3 - 3 ) a ( u ，) i = l 对输入空间论域中的所有组合计算出相应的输出控制量，即可构成一个模糊 控制查询表：3 - 4 “”。 表3 - 4 模糊控制表 茁 54321o 一1 2 3 4 5 ，6 s 4 3 3 2 2 o 7 7 5 4 4 3 3 2 o 7 7 6 5 4 4 3 3 o 7 7 6 5 矗4 4 3 o 8 7 7 6 5 4 雌3 o 8 7 7 6 6 5 5 椿o 8 8 7 6 矗6 5 幸o 8 毒s 6 6 6 5 5 i 8 8 8 6 6 6 6 s 2 8 窨8 8 嚣7 6 6 2 g 8 8靠霉1 7 6 3 8 7 6 5 4 3 2 l o 基于d s p 的智能局部通风机变频调速系统研究 3 3 5 编制模糊算法的应用程序 利用计算机可根据上述推理的结果，预先计算好控制量m ，制成模糊控制查 询表，作为“文件”存贮在计算机中。当进行实时控制时，便于根据输入的信息。 从“文件”中查询所需采取的控制量“”“。由于模糊控制表的建立是离线进行的， 因此它丝毫没有影响模糊调节器实时运行的速度。模糊逻辑推理控制的算法就是 简单的查表法，其运算速度完全能够满足实时控制的要求。 基于d s p 的智能局部通风机变频调速系统研究 第四章电压空间矢量调制变频调速系统的分析与仿真 4 1s v p w m 控制策略的引入 s v p w m 是一种依据空间电压矢量切换来控制逆变器的控制策略。主要控制思 路是采用逆变器空间电压矢量的切换来获得准圆形的旋转磁场，使交流电动机获 得了较好的动态响应性能，提高了电压利用率，还减小了电动机的转矩脉动。s v p w m 将电机与逆变器视为一个整体，其数学模型是建立于电机统一理论和坐标轴系变 换理论基础之上的，其物理意义直观，数学模型简单，便于微机实现。这种控制 方法和传统的电压正弦p w m 不同，它是从电动机的角度出发，着眼于如何使电动 机获得幅值恒定的圆形磁场，即正弦磁通。具体的说。它是以三相对称正弦波电 压供电时交流电动机的理想磁通圆为基准，用逆变器的不同开关模式所产生的实 际磁通去逼近基准磁通，由它们比较的结果决定逆变器的开关，形成p w m 波形“。 4 2 电压矢量与磁链矢量的关系 当用三相平衡的正弦电压向交流电动机供电时，电动机的定予磁链空间矢量 幅值恒定，并以恒速旋转，磁链矢量的运动轨迹形成圆形的空间旋转磁场( 磁链 圆) 。因此如果有一种方法，使逆变电路能向交流电动机提供可变频电源、并能保 证电动机形成定子磁链圆，就可以实现交漉电动机的变频调速“”。 逆变器的输出电压u 。( t ) 直接加到异步电动机的定子上，则定子磁链i f ：( t ) 与 定子电压u ：( t ) 之间的关系为： 5 f ，o ) = i ，( f ) 一i s ( ，) r ；) a t ( 4 - 1 ) 若忽略定子电阻上压降的影响，则； 虬( f ) zk p 矽 ( 4 - 2 ) 公式4 - 2 表示：定子磁链空间矢量沿着电压空间矢量的方向，以正比于 输入电压的速度移动，通过逐步合理地选择电压矢量，可以使定子磁链矢量椤的 运动轨迹纳入一定的范围，沿着预定的轨迹移动。图4 一l 所示是定子磁链矢量随 着选择电压矢量的不同而运动的轨迹。通过选择合理的电压矢量，可使得磁链幅 基于d s p 的智能局部通风机变频调速系统研究 值在给定值v 。+ 和允许的偏差帆的范围内变化，使其平均值基本保持不变。 当合理地选择彰的施加顺序及时间比例，可形成多边形磁通轨迹，亦即逼近圆形 轨迹。当多边形的边数大于4 0 时，可以认为磁通轨迹近似为圆。当磁链矢量在空 间旋转一周时，电压矢量也连续地按磁链圆的切线方向运动2 石弧度，其运动轨迹 与磁链圆重合。这样，电动机旋转磁场的形状问题可转化为电压空间矢量运动轨 迹的形状问题来讨论“”。 u 3 u l u 5 图4 - 1 异步电动机定予磁链的轨迹 ( 1 ) 基本电压空间矢量 在三相逆变