模糊矢量控制的多電機(jī)同步控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案

1 引言

隨著近年來(lái)傳動(dòng)系統(tǒng)的發(fā)展，多電機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用于各種領(lǐng)域。為了提高多電機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)性能，滿足一些特定系統(tǒng)對(duì)多電機(jī)控制的同步要求，多電機(jī)協(xié)調(diào)同步控制方法的研究變得越來(lái)越重要。針對(duì)交流電機(jī)的數(shù)學(xué)模型是一個(gè)高階、非線性、強(qiáng)耦合的多變量系統(tǒng)，以及矢量控制的不完全解耦性等缺點(diǎn)，本文引入了智能控制中的模糊控制技術(shù)，選用參數(shù)自調(diào)整模糊控制器，設(shè)計(jì)了一種基于模糊矢量控制的多電機(jī)同步控制方案從而提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。方案中使用西門子變頻器的矢量控制功能對(duì)交流電機(jī)進(jìn)行變頻調(diào)速，在西門子PLC中實(shí)現(xiàn)了參數(shù)自調(diào)整的模糊控制。并通過(guò)Matlab進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)的仿真驗(yàn)證和分析。

2 多電機(jī)同步控制系統(tǒng)概述

在現(xiàn)代應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)過(guò)程中，充分利用計(jì)算機(jī)仿真、實(shí)驗(yàn)技術(shù)，對(duì)于系統(tǒng)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)過(guò)程中合理選擇系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、優(yōu)化系統(tǒng)參數(shù)、檢驗(yàn)控制方法，提高系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)效率有著極其重要的作用。本文依據(jù)已提出的矢量變頻調(diào)速與合成誤差補(bǔ)償主從串聯(lián)控制方案構(gòu)建了主從軸協(xié)調(diào)控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，為實(shí)際應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)積累經(jīng)驗(yàn)與資料，硬件結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。由于可編程控制器(PLC)具有硬件簡(jiǎn)單、編程方便、抗干擾性強(qiáng)等有點(diǎn)，現(xiàn)已廣泛的應(yīng)用與交流電機(jī)控制系統(tǒng)中，本章介紹的矢量控制是以PLC作為控制核心的控制系統(tǒng)。

多電機(jī)同步控制系統(tǒng)的正常運(yùn)行對(duì)電氣傳動(dòng)控制系統(tǒng)的要求基本有以下幾點(diǎn)：

(1) 傳動(dòng)系統(tǒng)要有一定的穩(wěn)定精度和快速動(dòng)態(tài)響應(yīng)。其中穩(wěn)態(tài)精度±0.01~0.02%，動(dòng)態(tài)精度±0.05~0.5%，同步動(dòng)態(tài)精度為±0.05~0.45%;

(2) 工作速度要有較寬、均勻的調(diào)節(jié)范圍。調(diào)節(jié)范圍為之間;

(3) 具有負(fù)荷動(dòng)態(tài)調(diào)整的功能，以免造成負(fù)荷動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)移而引起的過(guò)流或過(guò)壓;

(4) 具有良好的接口能力。

3工業(yè)控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

3.1 變頻PLC控制系統(tǒng)

在工業(yè)自動(dòng)化控制系統(tǒng)中，最常見(jiàn)的是變頻器和PLC的組合應(yīng)用，并且產(chǎn)生了多種多樣的PLC控制變頻器的方法，構(gòu)成了不同類型的變頻PLC控制系統(tǒng)。

變頻PLC控制系統(tǒng)在變頻器控制中屬于通用的一種控制系統(tǒng)。一個(gè)變頻PLC控制系統(tǒng)通常由三部分組成，即變頻器本體、可編程控制器PLC部分、變頻器與PLC的接口部分。交流電機(jī)由西門子變頻器進(jìn)行一對(duì)一的傳動(dòng)控制。西門子S7-200PLC負(fù)責(zé)控制系統(tǒng)的開(kāi)關(guān)量、負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的處理和工藝控制。交流變頻器通過(guò)RS-485實(shí)現(xiàn)與PLC之間的通信。

PLC變頻控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室設(shè)備結(jié)構(gòu)框圖如下圖所示：

圖1 系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)框圖

本文重點(diǎn)研究交流電機(jī)的同步控制，為達(dá)到研究目的，在上述工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)中，以一臺(tái)交流電機(jī)為主動(dòng)電機(jī)，以其它交流電機(jī)為從動(dòng)電機(jī)，按照交叉耦合并行同步控制方式，進(jìn)行交流電機(jī)的同步控制。

系統(tǒng)中，由S7-200系列PLC完成數(shù)據(jù)的采集、處理和對(duì)變頻器、電動(dòng)機(jī)等設(shè)備的控制任務(wù)。主、從電機(jī)接受PLC或其他系統(tǒng)的速度指令，通過(guò)編碼器形成速度反饋，使系統(tǒng)達(dá)到精確的速度控制。當(dāng)主電機(jī)獲得PLC的啟動(dòng)命令和速度給定時(shí)，經(jīng)過(guò)矢量變頻器進(jìn)行處理，調(diào)整轉(zhuǎn)矩獲得給定的速度。如果從電機(jī)并未將力矩傳遞到負(fù)載上，那么從電機(jī)將感覺(jué)到負(fù)載重增加扭矩，同時(shí)主電機(jī)也將相應(yīng)的減小扭矩;若主電機(jī)負(fù)載稍輕，那么主電機(jī)就會(huì)相應(yīng)的減小扭矩以保證與從電機(jī)保持相應(yīng)的速度，主從任何一方的負(fù)載變化必將反映在另一方的輸出轉(zhuǎn)矩變化上。

3.2 變頻器裝置

西門子6SE70系列變頻器是一種電壓型矢量變頻器。它能利用處理器完成復(fù)雜運(yùn)算、開(kāi)環(huán)和閉環(huán)的控制、通訊等任務(wù)，保證生產(chǎn)過(guò)程控制精度和靜態(tài)、動(dòng)態(tài)的控制最優(yōu)化。其動(dòng)態(tài)響應(yīng)不低于0.25%，靜態(tài)精度不低于0.01%，能夠滿足控制系統(tǒng)的要求。本系統(tǒng)是要對(duì)交流電機(jī)實(shí)現(xiàn)高性能的速度控制，以實(shí)現(xiàn)交流電機(jī)同步速度的跟隨，西門子6SE70矢量控制的標(biāo)準(zhǔn)軟件包含兩種基本的控制型式：頻率控制適用于簡(jiǎn)單應(yīng)用場(chǎng)合和成組傳動(dòng)高水平同步運(yùn)轉(zhuǎn)。磁場(chǎng)定向閉環(huán)控制(矢量控制)用于動(dòng)態(tài)性能要求較高的傳動(dòng)系統(tǒng)。根據(jù)本系統(tǒng)的要求，我們選擇閉環(huán)速度控制，這樣能在較低轉(zhuǎn)速時(shí)有較高的動(dòng)態(tài)特性和高轉(zhuǎn)速精度。其原理圖如圖2所示：

圖2 帶速度檢測(cè)的閉環(huán)速度控制原理圖

在6SE70變頻器中，速度調(diào)節(jié)器為一個(gè)傳統(tǒng)的比例積分(PI)調(diào)節(jié)器，無(wú)自適應(yīng)能力。主要表現(xiàn)在兩方面：

(1) PI控制器參數(shù)整定必須相對(duì)于某一系統(tǒng)參數(shù)己知的系統(tǒng)。

(2) PI控制器參數(shù)一旦整定完畢，便只能適用于已知的系統(tǒng)。

該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中，主從電機(jī)為兩臺(tái)不同交流異步機(jī)，分別由兩臺(tái)變頻調(diào)速控制器供電。主軸變頻器控制信號(hào)由工控機(jī)按實(shí)驗(yàn)要求與合成誤差控制器的疊加給定;從軸變頻器控制信號(hào)是由工控機(jī)經(jīng)協(xié)調(diào)控制策略，跟蹤偏差實(shí)時(shí)計(jì)算后提供的;發(fā)電機(jī)分別與從電動(dòng)機(jī)同軸相連的發(fā)電機(jī)作為雙軸的可調(diào)負(fù)載，兩個(gè)增量編碼器分別與主、從軸發(fā)電機(jī)同軸相連，由此可獲得速度、角位移信號(hào)及速度反饋信號(hào)。

全數(shù)字化矢量控制變頻傳動(dòng)是指以矢量控制(VC)技術(shù)為主構(gòu)成控制回路，以交流變頻為主回路換能方式，控制交流電機(jī)運(yùn)行。由于VC技術(shù)的采用，交流電機(jī)數(shù)學(xué)模型與直流電機(jī)有了某種程度的一致。原來(lái)高品質(zhì)直流傳動(dòng)中使用的成熟的控制手段和控制理論得以借鑒。全數(shù)字化的應(yīng)用還解決了模擬系統(tǒng)中電子器件參數(shù)受環(huán)境因素影響的問(wèn)題，特別是溫度漂移問(wèn)題。從而對(duì)系統(tǒng)精度的不可控影響因素得以消除，控制精度僅受微機(jī)字長(zhǎng)、檢測(cè)元件精度影響，可以利用現(xiàn)有技術(shù)達(dá)到較高的傳動(dòng)性能指標(biāo)。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

4.1速度閉環(huán)和矢最控制的實(shí)現(xiàn)

針對(duì)同步方案的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和矢量控制的特點(diǎn)，如果能用一個(gè)模糊控制器取代變頻器的速度PI調(diào)節(jié)器，能有效的提高整個(gè)系統(tǒng)的控制性能。而6SE70變頻器是一個(gè)工業(yè)產(chǎn)品，可通過(guò)參數(shù)設(shè)置，將速度PI調(diào)節(jié)器的積分部分關(guān)閉，將比例環(huán)節(jié)增益設(shè)置為1，同時(shí)將模糊控制器的輸出作為變頻器電流調(diào)節(jié)器的輸入，這樣就實(shí)現(xiàn)了交流電機(jī)速度控制環(huán)的模糊控制。其相關(guān)參數(shù)設(shè)置如下：

(1) 設(shè)置P315=1。P315為Pl調(diào)節(jié)器增益的功能參數(shù);

(2) 設(shè)置P240為23001。P240為速度調(diào)節(jié)器積分時(shí)間功能參數(shù)，此設(shè)置封鎖積分作用;

(3) 設(shè)置P220=0。讀入速度調(diào)節(jié)器轉(zhuǎn)速實(shí)際值;

(4) 將參數(shù)自調(diào)整模糊控制器的輸出寫入P438。

其中第1步、第2步的設(shè)置關(guān)閉了變頻器的速度調(diào)節(jié)器，第3步設(shè)置關(guān)閉了速度反饋環(huán)節(jié)，第4步設(shè)置則用參數(shù)自調(diào)整模糊控制器取代了原有的速度調(diào)節(jié)器，完成了速度的閉環(huán)控制。

為了實(shí)現(xiàn)變頻器的矢量控制，就必須對(duì)變頻器的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，選擇相應(yīng)的控制方式。設(shè)置步驟如下：

(1) 選擇功能參數(shù)菜單。P060有8個(gè)參數(shù)值，分別對(duì)應(yīng)8種不同的功能菜單，我們選擇P060=5進(jìn)入系統(tǒng)設(shè)置菜單;

(2) 選擇開(kāi)環(huán)/閉環(huán)控制方式。P100有5個(gè)參數(shù)值，分別對(duì)應(yīng)著V/F控制、V/F控制(紡織工業(yè)用)、V/F控制+速度控制、無(wú)測(cè)速機(jī)的速度控制、有測(cè)速機(jī)的速度控制和轉(zhuǎn)矩控制，其中后3個(gè)屬于矢量控制。根據(jù)系統(tǒng)的要求我們選擇了有測(cè)速機(jī)的速度控制，即選擇Pl00=4;

(3) 輸入交流電機(jī)參數(shù)。在P101、P102、P107和P108，分別輸入交流電機(jī)的額定電壓、額定電流、額定頻率和額定轉(zhuǎn)速。而P103的電機(jī)勵(lì)磁電流和P109電機(jī)極對(duì)數(shù)會(huì)由系統(tǒng)自動(dòng)計(jì)算;

(4) 選擇工藝條件。根據(jù)本系統(tǒng)的特點(diǎn)，我們選擇Pll4=0，即選擇快速加速系統(tǒng);

(5) 電機(jī)編碼器的選擇。選擇P130=11，即選擇脈沖編碼器;

(6) 返回到參數(shù)菜單。選擇P060=1，即退出了系統(tǒng)設(shè)置回到參數(shù)菜單，此時(shí)輸入的參數(shù)值將被檢驗(yàn)是否合理。

4.2 S7-200的模糊控制

系統(tǒng)中使用了一臺(tái)西門子S7-200PLC作為控制系統(tǒng)的核心，它負(fù)責(zé)讀取電機(jī)速度值v1和電機(jī)速度值v2，并計(jì)算v1和v2的差值e和差值變化率ec，查詢?cè)赟7-200PLC內(nèi)部建立的模糊控制規(guī)則，得到一個(gè)控制量，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線將控制量傳送給變頻器，通過(guò)變頻器實(shí)現(xiàn)對(duì)交流電機(jī)的速度控制，最終實(shí)現(xiàn)交流電機(jī)速度的同步控制。

系統(tǒng)的模糊控制器選用計(jì)算機(jī)離線計(jì)算，在線查表的方法實(shí)現(xiàn)參數(shù)自調(diào)整模糊控制。把復(fù)雜的模糊推理過(guò)程交給計(jì)算機(jī)離線完成，得到模糊控制器的總控制規(guī)則表和參數(shù)自調(diào)整規(guī)則表。以數(shù)據(jù)模塊的形式分別存入S7-200PLC系統(tǒng)的內(nèi)存中，由查詢表子程序管理。

首先建立速度誤差E、速度誤差變化率EC和輸出U的賦值表。

E={NL，NB，NM，NS，0，PS，PM，PB，PL};

EC={NL，NB，NM，NS，0，PS，PM，PB，PL};

U={NL，NB，NM，NS，0，PS，PM，PB，PL};

依據(jù)實(shí)際工作情況和操作經(jīng)驗(yàn)，選取各輸入量與輸出量的論域：

E的模糊論域取[-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，+1，+2，+3，+4，+5，+6];

EC的模糊論域取[-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，+1，+2，+3，+4，+5，+6];

U的模糊論域取[-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，+1，+2，+3，+4，+5，+6]。

隸屬度函數(shù)的形狀有很多種，由于人們對(duì)事物的判斷往往沿用正態(tài)分布的思維特點(diǎn)，所以采用正態(tài)分布的隸屬函數(shù)，即把三個(gè)模糊變量速度誤差E、速度誤差變化率EC和輸出U看成是正態(tài)分布的，那么它們?nèi)齻€(gè)模糊子集的賦值表可用正態(tài)分布的隸屬函數(shù)

得到。通過(guò)計(jì)算可以得到速度誤差E、速度誤差變化率EC和輸出U的賦值表。

4.3 系統(tǒng)軟件構(gòu)成

1、主程序的設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的主程序框圖如圖3所示。圖中按照控制工藝要求給電機(jī)傳送給定。當(dāng)中斷時(shí)間到達(dá)時(shí)，即進(jìn)行參數(shù)自調(diào)整的模糊控制。參數(shù)自調(diào)整的模糊控制的框圖如圖4所示。

圖3 主程序框圖

圖4 參數(shù)自調(diào)整的模糊控制框圖

5 仿真研究

在Matlab/Simulink仿真環(huán)境下，根據(jù)前面的設(shè)計(jì)，采用永磁同步電動(dòng)機(jī)模型構(gòu)建多電機(jī)同步控制系統(tǒng)仿真框圖。圖5為采用模糊控制補(bǔ)償器的情況下三電動(dòng)機(jī)速度響應(yīng)曲線圖。

圖5 電動(dòng)機(jī)速度響應(yīng)曲線

由仿真結(jié)果比較可以看出：采用模糊控制器的補(bǔ)償方法時(shí)候，系統(tǒng)的同步性能、抗干擾性能力強(qiáng)，因而適合同步精度要求較高的場(chǎng)合。