1  引言

電動機作為拖動機械廣泛應用于工礦企業(yè)、交通運輸，國防工業(yè)等領域中。電動機在直接起動時瞬時沖擊電流很大，在電動機經常起動的情況下過大的電流會造成電動機嚴重發(fā)熱，縮短電動機的使用壽命，另外還會對電網造成不良影響，影響電網供電和同一電網上的其它負載[1,2]。隨著電力電子技術的快速發(fā)展，采用晶閘管為主電路元件，單片機為控制核心的智能型起動設備完成電動機的起動過程已成為現(xiàn)實。針對傳統(tǒng)電動機軟啟動器由于PID初始參數(shù)選取不當或工作工程中受外界環(huán)境影響而發(fā)生漂移從而影響控制精度的問題，本文研究了一種將模糊自整定PID(FSA-PID)代替?zhèn)鹘y(tǒng)PID應用于電動機軟起動器設計中的策略。將模糊控制思想與常規(guī)PID控制器相結合，吸收了模糊控制與常規(guī)PID控制兩者的優(yōu)點。主要用于解決傳統(tǒng)方法難以解決的控制對象參數(shù)在大范圍變化的問題，比常規(guī)PID控制器控制性能好，可靠性更高。介紹了模糊自整定PID原理、軟啟動器原理和系統(tǒng)的軟、硬件設計過程。最后通過計算機仿真實現(xiàn)了電動機軟啟動器的工作過程，結果證明了所提出的策略的正確性和有效性。

2  軟啟動器模糊自整定PID控制原理

2.1 FSA-PID控制策略

以常規(guī)PID控制為基礎，采用模糊推理思想根據(jù)不同的E 和EC對PID參數(shù)進行在線自整定[3]。按這種思想構成的控制系統(tǒng)由兩部分組成。即常規(guī)PID控制部分與模糊推理的參數(shù)校正部分。如圖1所示。

圖1  FSA-PID控制系統(tǒng)框圖

PID控制作用可用以下位置式算式來描述：

表1  K_p調節(jié)規(guī)則表

表2  K_i調節(jié)規(guī)則表

表3  K_d調節(jié)規(guī)則表

以電動機輸出電流與期望電流值之差E及其變化率EC作為輸入變量，以晶閘管觸發(fā)角的變化Δα作為輸出變量，經過模糊控制器對輸入信息進行模糊化、模糊推理、模糊決策和清晰化，從而得到控制量，施加于被控電機實現(xiàn)軟啟動的全過程。

2．2  模糊控制參數(shù)選擇

2．2．1  論域、隸屬函數(shù)、控制規(guī)則的確定

模糊軟啟動器的輸入E、EC與輸出U可劃分為五個模糊子集，即{NB,NS,ZR,PS,PB}。E、EC的論域為[-6,6],U的論域為[-3,3]。除了ZR的隸屬函數(shù)選三角形隸屬函數(shù)以外，其余均選梯形隸屬函數(shù)。模糊控制器輸出曲面圖如下所示，從規(guī)則曲面圖可以看出曲面比較光滑且由高至低覆蓋了論域所有范圍，規(guī)則設計的比較合理。

圖2  輸入E與EC的隸屬度函數(shù)

圖3  Kp輸出曲面圖

圖4 Ki輸出曲面圖

圖5 Kd輸出曲面圖

2．2．2  輸入、輸出比例因子的確定

假設某類型電動機參數(shù)為Pe＝7.5kw，Ie＝15A，ne＝3000r/min，f=50Hz ，Y接。電流誤差的實際變化范圍[-10A,10A]。若設定的起動電流為額定電流2倍，即30A。則相對值論域為[-1/3,1/3]。為使其轉換至整數(shù)論域[-6,6]，需Ke＝6/(1/3)=18。同理，偏差變化率實際變化范圍[-8A,8A]時可確定Kec =22.6。觸發(fā)角α的實際變化范圍[-20o,20o]，為轉換至[-3,3]需Ku＝20/3＝6.7。同理，還可以確定出被控量為電壓時的Ke’、Kec’、Ku’的值。

2．3  模糊決策

從節(jié)約單片機內存資源的角度出發(fā)，本文不采用存控制表格的方式，而是采用在線計算控制量的解析法。選用多修正因子法，如下式所示。其中α0＝0.4,α1＝0.6,α2＝0.75。計算時NB,NS,ZR,PS,PB的取值分別對應-2，-1，0，1，2。

3 軟啟動器的軟、硬件實現(xiàn)

如圖6所示，采用三相平衡調壓式主回路，它利用晶閘管的開關特性將三對反并聯(lián)的晶閘管串接于電動機的三相回路上，用單片機控制其觸發(fā)角的大小，改變晶閘管的開通程度，進而改變電動機起動電壓的大小，控制電動機的起動特性。當起動完成后，程序控制將真空接觸器閉合，短接所有晶閘管，使電動機直接投網運行，以避免在元件上的持續(xù)損耗。
 

圖6  軟啟動器硬件結構框圖

控制系統(tǒng)的硬件由AT89C52單片機系統(tǒng)、電壓同步信號采樣及處理電路、電流檢測電路、脈沖觸發(fā)電路等組成。由同步變壓器來的電壓信號經電壓比較器、光電隔離及功率驅動后送入AT89C52外部中斷。電流檢測電路以電流互感器測出電動機的實際工作電流，經整流、濾波、放大、A/D轉換及光電隔離后送入單片機，用軟件對其非線性進行補償，以此電流信號作為計算晶閘管導通角大小的依據(jù)，并用于故障檢測及數(shù)碼管顯示。系統(tǒng)的軟件流程圖如圖7所示。

圖7  軟啟動器軟件流程圖

4仿真結果與分析

控制系統(tǒng)的計算機仿真是應用現(xiàn)代科學手段對控制系統(tǒng)進行科學研究的十分重要的手段之一。MATLAB載[5]軟件應該說是仿真軟件中的佼佼者，它以功能強大、操作簡單等特點受到廣大科研人員的青睞。本文采用MATLAB語言編程對軟啟動器中的FSA-PID算法進行仿真研究。

按編程順序，仿真程序主要由五個部分組成。

1） 仿真模型和仿真初值的給定部分

2） 語言變量及其隸屬函數(shù)定義部分

3） 規(guī)則列表矩陣定義部分

4） 仿真計算部分

5） 仿真圖形的輸出部分

仿真結果如圖8所示。整個過程分為軟啟動、平穩(wěn)運行和軟停車三個階段。由圖可見，與常規(guī)PID控制相比，模糊軟啟動過程響應快、超調小，對電網沖擊小，不會造成大的電壓降落，保證了電網電壓的穩(wěn)定，可提高供電設備的使用壽命。在接到停車指令后模糊控制均使輸出電流按設定電流變化，一直到完全停車，晶閘管全部關斷，具有更好的跟蹤性能。

圖8  軟啟動全過程仿真結果

5  結論

本文嘗試將模糊自整定PID控制策略應用到電動機軟啟動器的設計中，使控制器智能化，使系統(tǒng)魯棒性增強，從而解決電動機起、停過程中電流、轉矩對電機本身的機械沖擊及對電網的負面影響等問題載。仿真結果表明了該策略的正確性，進一步拓寬了模糊控制的應用領域。

參考文獻

[1]  王艷杰, 曾毅, 呂鳳. 基于ATmega128的智能軟啟動器的設計. 自動化技術與應用, 2010(2):72-75.

[2]  周俊. 基于DSP的三相異步電機智能軟起動器. 浙江大學碩士學位論文, 2006.

[3]  余永權,曾碧.單片機模糊邏輯控制.北京航空航天大學出版社,1995.

[4]  毛盾,郭丙君. 基于模糊PID控制的Cuk變換器研究,2010(3):1-3.

[5]  樓順天,胡昌華,張偉.基于MATLAB的系統(tǒng)分析與設計——模糊系統(tǒng).西安電子科技大學出版社, 2001.

作者簡介：

趙啟迪，1992年生，沈陽理工大學信息學院在讀本科生，測控技術與儀器專業(yè)，研究興趣為智能檢測與控制。郵箱：yusongh@126.com

作者簡介：

趙啟迪，1992年生，沈陽理工大學信息學院在讀本科生，測控技術與儀器專業(yè)，研究興趣為智能檢測與控制。郵箱：yusongh@126.com