淺談基于模糊控制的電機(jī)調(diào)速

葉正茂

（武漢大學(xué) 動(dòng)力與機(jī)械學(xué)院，湖北 武漢 430072）

1 前言

直流電機(jī)因其良好的調(diào)速特性，比較寬廣的調(diào)速范圍，在調(diào)速性能要求較高的場(chǎng)合得到了廣泛應(yīng)用。

直流電機(jī)調(diào)速主要有兩種方法：勵(lì)磁控制法和電樞電壓控制法。勵(lì)磁控制法是控制磁通，其控制功率小，低速時(shí)受到磁飽和限制，高速時(shí)受到換向火花和換向器結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的限制，而且由于勵(lì)磁線圈電感較大動(dòng)態(tài)響應(yīng)較差，所以這種控制方法用得很少。大多數(shù)應(yīng)用場(chǎng)合都使用電樞電壓控制法。隨著電力電子技術(shù)的進(jìn)步，改變電樞電壓可通過(guò)多種途徑實(shí)現(xiàn)，其中PWM（脈寬調(diào)制）便是常用的改變電樞電壓的一種調(diào)速方法。

2 直流電機(jī)調(diào)速原理

PWM調(diào)速控制的基本原理是按一個(gè)固定頻率來(lái)接通和斷開(kāi)電源，并根據(jù)需要改變一個(gè)周期內(nèi)接通和斷開(kāi)的時(shí)間比（占空比）來(lái)改變直流電機(jī)電樞上電壓的“占空比”，從而改變平均電壓，控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。在脈寬調(diào)速系統(tǒng)中，當(dāng)電機(jī)通電時(shí)其速度增加，電機(jī)斷電時(shí)其速度減低。只要按照一定的規(guī)律改變通、斷電的時(shí)間，即可控制電機(jī)轉(zhuǎn)速。而且采用PWM技術(shù)構(gòu)成的無(wú)級(jí)調(diào)速系統(tǒng)。啟停時(shí)對(duì)直流系統(tǒng)無(wú)沖擊，并且具有啟動(dòng)功耗小、運(yùn)行穩(wěn)定的特點(diǎn)。

PWM調(diào)速控制的電路原理圖如圖1所示。

該電路用到的電力電子器件為具有自關(guān)斷能力的電壓控制型器件N溝道IGBT以及續(xù)流二極管VD。直流電機(jī)勵(lì)磁方式為他勵(lì)式。

圖1 電路原理圖

若電機(jī)始終接通電源時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速為最大，設(shè)為Vmax，并且設(shè)占空比為D，并且有：D=t/T。其中T為周期，t為一個(gè)周期中電機(jī)接通電源的時(shí)間。那么可以得出電機(jī)平均轉(zhuǎn)速為：

由公式可知，當(dāng)改變占空比D時(shí)，就可以得到不同的電機(jī)平均轉(zhuǎn)速V，從而達(dá)到調(diào)速的目的。嚴(yán)格的講，電機(jī)平均轉(zhuǎn)速V與占空比D并不是嚴(yán)格的線性關(guān)系，但是在一般的應(yīng)用中，可以當(dāng)成線性關(guān)系來(lái)處理。

在直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制電路中，PWM信號(hào)由外部控制電路提供，并經(jīng)高速光電隔離電路、電機(jī)驅(qū)動(dòng)邏輯與放大電路后，驅(qū)動(dòng)H橋下臂MOSFET的開(kāi)關(guān)來(lái)改變直流電機(jī)電樞上平均電壓，從而控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)PWM調(diào)速。

3 基于模糊控制技術(shù)的直流電機(jī)調(diào)速

模糊控制是用語(yǔ)言歸納操作人員的控制策略，運(yùn)用語(yǔ)言變量和模糊集合理論形成控制算法的一種控制。模糊控制不需要建立對(duì)象的精確數(shù)學(xué)模型，只要求把現(xiàn)場(chǎng)操作人員的經(jīng)驗(yàn)和數(shù)據(jù)總結(jié)成比較完善的語(yǔ)言控制規(guī)則，因此它能繞過(guò)對(duì)象的不確定性、不精確性、噪聲以及非線性、時(shí)變性、時(shí)滯等影響。模糊控制系統(tǒng)的魯棒性強(qiáng)，尤其適用于非線性、時(shí)變、滯后系統(tǒng)的控制。

模糊控制器是模糊控制系統(tǒng)的核心。它是基于模糊條件語(yǔ)句描述的語(yǔ)言控制規(guī)則，所以又稱為模糊語(yǔ)言控制器。模糊控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 模糊控制系統(tǒng)

3.1 模糊控制器的輸入、輸出變量

在人工控制中，一般根據(jù)被控制量的誤差E、誤差變化EC和誤差變化的速率ER進(jìn)行決策。模糊控制器的輸入變量通常取E或E和EC或E、EC和ER，分別構(gòu)成所謂的一維、二維、三維模糊控制器。一維模糊控制器的動(dòng)態(tài)性能不佳，通常用于一階被控對(duì)象，二維模糊控制器的控制性能和控制復(fù)雜性都比較好，是目前廣泛采用的一種形式。一般選擇控制量的增量作為模糊控制器的輸出變量。

3.2 描述輸入輸出變量的詞集

在模糊控制中，輸入輸出變量的大小是以語(yǔ)言形式描述的，因此要選擇藐視這些變量的詞匯。一般選用“大、中、小”三個(gè)詞匯來(lái)描述模糊控制器的輸入輸出變量的狀態(tài)，再加上正負(fù)兩個(gè)方向和零狀態(tài)，總共有七個(gè)詞匯，即：

｛負(fù)大，負(fù)中，負(fù)小，零，正小，正中，正大｝

一般用英文表示為

一般情況下，選擇上述七個(gè)詞匯比較合適，也可以多選或者少選。選擇較多的詞匯可以精確描述變量，提高控制精度，但使控制規(guī)則變得復(fù)雜；選擇過(guò)少的詞匯使變量表述太粗糙，導(dǎo)致控制器性能變壞。為了提高系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)精度，通常在誤差接近于零時(shí)增加分辨率，將“零”又分為“正零”和“負(fù)零”，詞集表示為

3.3 模糊控制規(guī)則

對(duì)于本文所提及的模糊控制器主要是面向直流電機(jī)的調(diào)速，因此設(shè)其輸入量為轉(zhuǎn)速偏差E和轉(zhuǎn)速偏差率EC，輸出為控制量U，每一條控制語(yǔ)言都采用以上三個(gè)變量來(lái)描述。模糊控制規(guī)則的建立依賴的是使用電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)。在本文中，其控制規(guī)則依賴的是實(shí)際轉(zhuǎn)速與給定基準(zhǔn)轉(zhuǎn)速的比較，所建立的控制規(guī)則表見(jiàn)表1。

表1 模糊規(guī)則控制表

例如表中第一條規(guī)則如下：

即電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速與給定基準(zhǔn)轉(zhuǎn)速偏差正大、偏差變化率正大，此時(shí)電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速比基準(zhǔn)轉(zhuǎn)速小而且有轉(zhuǎn)速繼續(xù)下降的趨勢(shì)，那么就要用控制量負(fù)大來(lái)抑制這種趨勢(shì)。具體來(lái)說(shuō)，假設(shè)直流電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速與基準(zhǔn)轉(zhuǎn)速偏差E的論域?yàn)閇a，b]（指偏差E的變化區(qū)間，一般為關(guān)于零的對(duì)稱區(qū)間），偏差的變化率EC的論域?yàn)閇c，d]，于是可以把這兩個(gè)區(qū)間分別均分成七個(gè)子區(qū)間，且這些子區(qū)間分別對(duì)應(yīng)于模糊規(guī)則控制表中的模糊變量詞匯。這樣，對(duì)于各自論域中的任何E或者EC，都可以映射到表1所示的模糊規(guī)則控制表中，然后對(duì)應(yīng)得出輸出模糊變量U，然后根據(jù)一定的“清晰化”規(guī)則得出U的具體值。

[1]林敏，丁金華，田濤.計(jì)算機(jī)控制技術(shù)及工程應(yīng)用[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2005，（8）.

[2]諸靜.模糊控制原理與應(yīng)用[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2001.