肖心凯—基于LabVIEW的交流电机模糊控制系统设计.doc

1基于LabVIEW的交流电机模糊控制系统设计吴延华，肖心凯，徐剑飞（1.黑龙江科技学院，哈尔滨， 150027；2.广州市怡文科技有限公司，北京，150080）摘要：本文介绍一种基于模糊控制算法实现交流电机调速控制的系统。利用LabVIEW的模糊控制设计模块进行模糊控制器的设计，通过PCI-1716板卡完成交流电机实时速度的采集以及电机的调速控制。实际运行结果表明该系统具有调节时间短，超调量小及振荡小等特点。关键字：模糊控制，交流调速，数据采集卡 The Design of Fuzzy Control Systom for AC Motor Based on LabVIEWWU Yan-hua，XIAO Xin-kai，XU Jian-fei(1.Heilongjiang Institute of Science and Technology, Haerbin150027，China;2. Guangzhou YiWen Science and Technology Company, Beijing 150080, China)Abstract: In this paper,A fuzzy control algorithm was used to realize the speed control for AC motor. The fuzzy control design modules in LabVIEW was used to design the fuzzy controller, through PCI-1716 board, the real-time collection of AC motor speed and the speed control was realized. The results shows that the actual operation of the system has features of short settling time, small overshoot and small oscillation.Keywords: fuzzy control; frequency converter ; data acquisition card 0 引言模糊控制技术是以模糊集合论、模糊语言变量及模糊逻辑推理为基础的一种计算机数字控制技术。随着近年来智能控制方法的发展，许多学者开始将智能控制引入交流调速控制系统，用于克服超调大, 调节时间长, 控制效果差等缺点。LabVIEW是一种面向仪器测量控制的图形化的编程语言，配合数据采集卡和其他外围设备可以非常方便的构成以计算机为核心的测量控制系统。本设计利用LabVIEW8.6软件提供的模糊逻辑工具包(Fuzzy Logic for G Toolkit)结合模糊控制算法，通过1716板卡与计算机连接实现交流电机调速的模糊控制系统。通过实际测试，本模糊控制运行结果比较理想。1 系统组成系统原理框图如图1所示。图1中：e为速度偏差，e为速度偏差变化率;Ke、Kec为比例因子。系统中交流电机的驱动和测速装置需要相应的外围硬件电路，其他部分通过软件编程由计算机来实现。 图1电机转速模糊控制系统结构框图Figure 1 Motor speed fuzzycontrol system block diagram 电机驱动部分使用东元7200MA变频器，计算机通过RS 485与变频器通信，对变频器进行控制。RS485串行总线采用平衡发送和差分接收方式传输信号，485通信具有传输距离远，干扰能力强，高灵敏度等特点，由于计算机只有232接口所以在连接上要加一个232-485转接口。通讯程序通过LabVIEW的串口VI编程实现。测速部分通过旋转编码器来获取转速脉冲信号，通过1716的模拟量输入口送入计算机。由于研华数据采集卡PCI-1716自带16位数字量输入/输出通道所以无需外接AD转换模块，线路连接十分方便。2 模糊控制器设计由于交流调速对控制的实时性要求较高，因此本文选用了控制算法简单有效且实用程度高的基于量化、比例和规则因子自调整这一类自适应模糊控制方法进行研究。模糊控制器主要由模糊化、数据库和规则库、模糊推理和去模糊化4个部分组成。模糊化是将输入的精确量转换为模糊量，分别定义速度误差 E、误差变化率 EC及控制量 U的模糊其子集为:E = EC= U = ：NLZO（零），PS（正小）， PM（正中）， PB（正大） PL（正极大），其论域均为-4，- 3, - 2, - 1, 0, 1, 2, 3，4。为确保模糊控制器有较高的灵敏度, 各变量的隶属函数都选灵敏度较高的三角形函数。 图2 模糊控制器结构Figure 2 Fuzzy controller structure 模糊推理方法选择典型的Mamdani（Max-Min）推理方法，去模糊化方法选择CoM（Center of Maximum）方法。输出量U的模糊规则如表1所示。 表1 输入输出控制规则表Table 1 Control rules of input-output table3.软件设计本系统软件采用LabVIEW8.6版本进行设计。软件设计由前面板和虚拟仪器程序框图两部分组成。系统的前面板是用于模拟真实仪器的面板如图3所示，用户可以根据实验要求调节系统参数。 图3系统前面板Figure 3 System front panel 虚拟仪器程序框图是虚拟仪器设计的重要部分。它是利用图形语言对前面板上的控制量和显示量进行控制,使程序完成设定的功能。本程序框图由初始化、速度采集系统和模糊化控制三大部分组成。首先系统对驱动端口进行初始化设置，将采集控制端口各参数通过解析后输入到速度采集子VI中进行速度采集，然后将实际转速与给定转速送入模糊控制模块进行模糊化处理，同时将实际转速及输出量显示出来并控制输出端口输出。算法设计模块主要采用LabVIEW8.6的模糊逻辑工具包(Fuzzy Logic for G Toolkit)，该工具包提供了模糊控制器图形化设计工具，模糊逻辑控制器设计VI，这是一个在LabVIEW环境下独立运行的VI,其使用非常方便。该VI目前只支持四个语言变量输入以及一个语言变量输出，每个语言变量下面最多可以有9个子模糊集，而且只支持四种隶属度函数：三角型，梯型，S型和Z型，对于一般的模糊控制器设计可以很好的满足要求。程序框图如图4所示。 图4电机调速程序框图Figure 4 Motor diagram 4.系统运行及结果分析本设计通过对Y2-112M-6型功率2.2KW三相交流电动机进行试验，其系统运行结果显示如图5所示。其中平滑曲线代表给定转速，曲折曲线是调速后曲线，图中可以清楚观察到模糊控制系统在给定速度突然增加或减小时无论是超调量还是调节时间都很小，稳态误差也比较理想，并在输入扰动时能很快恢复，对扰动有很强的抑制能力，具有较好的适应性，由此可见模糊控制方法不失为一种较理想的调速方案。 图5系统运行结果Figure 5 The results of system operation5.结论本设计在于利用labview8.6虚拟仪器中Fuzzy Logic for G Toolkit与1716采集卡结合来实现对交流电机的模糊控制。利用智能控制技术解决了PID控制往往难以得到较理想的静、动态特性的问题提高了控制系统的智能化程度,具有一定的推广价值。并且利用labview8.6的虚拟仪器进行试验 ,大大缩减了原有的试验环节 ,并且避免了许多不必要的危险 ,提高了试验的效率。同时也可以清楚的观察到系统具有一定的延迟，这是由于数据采集，程序运行都需要一定的时间，造成控制的实时性比较差。解决方法是使用专门的控制器如DSP,可用labview进行试验编程当实验结果满足要求后将程序下载到专用控制器中。 参考文献1 涂承宇等 模糊控制与理论实践. M.北京：地震出版社，19982 杨乐平等 LabVIEW高级程序设计.M. 北京:清华大学出版社 ,20033 邓炎，王磊等 labv