基于Matlab/Simulink的模糊PID控制的異步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)仿真

王翀 仝永臣

摘 要：為改善因電機(jī)參數(shù)變化和負(fù)載波動(dòng)等因素引起異步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)性能變差的問題，研究設(shè)計(jì)了一種模糊自整定PID控制器。模糊控制器的量化因子、比例因子可以根據(jù)輸入變量的大小調(diào)整，從而自動(dòng)調(diào)整模糊控制規(guī)則。并在matlab/simulink上建立系統(tǒng)仿真模型進(jìn)行了仿真試驗(yàn)驗(yàn)證，給出了試驗(yàn)波形及分析結(jié)果。仿真結(jié)果說明，該異步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)和穩(wěn)態(tài)性能都得到提高，而且具有很好的魯棒性。

關(guān)鍵詞：模糊自適應(yīng)控制；矢量控制；PID；異步電機(jī)；matlab/simulink

0 引言

PID控制在動(dòng)態(tài)控制過程中有過去、現(xiàn)在和將來的信息，可以通過參數(shù)設(shè)定將其配置做到最優(yōu)，是交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中最基本的控制形式，其應(yīng)用廣泛，PID控制在定常線性系統(tǒng)中能得到很好的控制效果，但是其在處理非線性、大滯后等復(fù)雜工業(yè)對(duì)象以及難以建立數(shù)學(xué)模型或者模型非常粗糙的工業(yè)系統(tǒng)時(shí)，難以到達(dá)預(yù)想的效果[1，2]。智能控制理論不依賴于控制對(duì)象數(shù)學(xué)模型的精確建立，可以很好的解決系統(tǒng)魯棒性問題。但是大多數(shù)智能控制方法原理過于復(fù)雜或是附加條件過多，這些不利條件嚴(yán)重影響了它們的工程實(shí)用化進(jìn)程。只有盡可能簡單的控制方法才是工程應(yīng)用中實(shí)用的控制方法[3]。通過分析，本文在傳統(tǒng)PID基礎(chǔ)上加入模糊自整定模塊，充分利用傳統(tǒng)PID控制控制簡單有效的特點(diǎn)，還能實(shí)現(xiàn)控制過程PID參數(shù)模糊自整定，從而實(shí)現(xiàn)了最佳的控制效果，提高了系統(tǒng)的魯棒性及自適應(yīng)能力。

1 模糊PID控制系統(tǒng)基本原理

模糊PID控制器由一個(gè)常規(guī)的PID控制器和一個(gè)模糊自調(diào)整機(jī)構(gòu)組成。其結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。該系統(tǒng)一改傳統(tǒng)PID控制器的固定參數(shù)Kp，Ki，Kd的控制策略，基于常規(guī)PID控制器，首先對(duì)輸入量e和ec進(jìn)行模糊化處理，再根據(jù)預(yù)設(shè)知識(shí)庫中的控制規(guī)則進(jìn)行模糊推理，最后對(duì)輸出清晰化處理，實(shí)現(xiàn)對(duì)PID各參數(shù)的動(dòng)態(tài)自整定， 使PID控制器對(duì)被控對(duì)象的控制效果達(dá)到最佳，使系統(tǒng)具有較強(qiáng)的魯棒性[4]。

圖1 模糊自整定PID控制結(jié)構(gòu)框圖

2 模糊PID控制器設(shè)計(jì)

2.1 PID參數(shù)模糊自整定的原則。

3 在異步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)中的應(yīng)用及Matlab仿真

3.1 仿真模型的建立和算法實(shí)現(xiàn)。在Matlab中Simulink 環(huán)境下將模糊邏輯工具箱（fuzzy logic tool box） 與Matlab函數(shù)相結(jié)合對(duì)上面提出的PID模糊控制系統(tǒng)進(jìn)行了仿真研究，推理方法采用工程上常用的Mamdani方法，利用“極大-極小”合成模糊規(guī)則，進(jìn)行模糊運(yùn)算[8，9]。根據(jù)表1，調(diào)節(jié)規(guī)則可以寫成49條模糊條件語句。模糊規(guī)則編輯窗口如圖3.1。

建立模糊推理規(guī)則后，可以通過操作查看規(guī)則圖示或三維曲面圖形（圖3.2、3.3）。

ASR速度調(diào)節(jié)器的傳統(tǒng)PID及自適應(yīng)模糊PID控制模塊如圖3.4、圖3.5所示。

圖3.7為本文搭建的帶轉(zhuǎn)矩內(nèi)環(huán)，轉(zhuǎn)速、磁鏈閉環(huán)的矢量控制系統(tǒng)仿真模型[8]，其中，主電路由直流電源DC、逆變器inverter、電動(dòng)機(jī)AC motor和電動(dòng)機(jī)測量模塊組成，其中由電流滯環(huán)脈沖發(fā)生器模塊產(chǎn)生逆變器的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，轉(zhuǎn)子磁鏈觀測器采用了兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系上的磁鏈模型，系統(tǒng)仿真模型還包括3s/2r及2r/3s轉(zhuǎn)換模塊、速度調(diào)節(jié)器、轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器和磁鏈調(diào)節(jié)器。其中轉(zhuǎn)速控制可切換為兩種不同控制方式，即傳統(tǒng)PID控制和模糊自整定PID控制。矢量控制調(diào)速系統(tǒng)仿真模型如圖3.6、圖3.7所示：

3.2 仿真結(jié)果與分析。分別在空載無擾動(dòng)、空載加擾動(dòng)、轉(zhuǎn)速改變?nèi)N情況分別對(duì)系統(tǒng)傳統(tǒng)PID和模糊自整定PID控制器進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)，得到下列曲線。

空載無擾動(dòng)的仿真結(jié)果如圖3.8.1所示，由圖中仿真曲線看出模糊自整定PID控制相比傳統(tǒng)PID控制響應(yīng)速度快、響應(yīng)時(shí)間短，系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)性要好。

空載加擾動(dòng)的仿真結(jié)果如圖3.8.2所示，由圖中仿真曲線看出，當(dāng)系統(tǒng)負(fù)載波動(dòng)時(shí)，模糊自整定PID控制相比傳統(tǒng)PID控制響應(yīng)速度快、超調(diào)量小、穩(wěn)態(tài)性能更好。

轉(zhuǎn)速改變的仿真結(jié)果如圖3.8.3所示，由圖中仿真曲線看出，當(dāng)改變系統(tǒng)轉(zhuǎn)速，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)速操作時(shí)，模糊自整定PID控制相比傳統(tǒng)PID響應(yīng)速度快、穩(wěn)態(tài)性能更好。

4 結(jié)語

本文建立的模糊自整定PID控制器將模糊自適應(yīng)控制應(yīng)用到傳統(tǒng)PID控制中。保留了傳統(tǒng)PID控制器簡單有效的優(yōu)點(diǎn)，通過模糊自整定模塊實(shí)時(shí)在線調(diào)整控制器的比例、積分、微分因子，克服了其在復(fù)雜非線性系統(tǒng)中控制性能差的缺點(diǎn)。仿真實(shí)驗(yàn)對(duì)模型進(jìn)行了驗(yàn)證，也表明該新型控制器在響應(yīng)速度、響應(yīng)時(shí)間和穩(wěn)定性上較傳統(tǒng)PID控制有了很大提升，具有很好的實(shí)用價(jià)值。

參考文獻(xiàn)：

[1]Rohrs CE， et.al.Robustness of Adaptive Control Algorithms in the Presence of Unmodelled Dynamics[C].Proc.21st IEEE Conf.Deci Contr.，Orlando， FL，1982.

[2]李永東.交流電機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)[M]，北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2002：21-35.

[3]楊立永，陳智剛，李正熙，趙仁濤.新型抗飽和PI控制器及其在異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].電氣傳動(dòng)，2009（5）.

[4]韓瑞珍.PID控制器參數(shù)模糊自整定研究[D].杭州：浙江工業(yè)大學(xué)，2001.

[5]薛定宇.控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)——MATLAB語言與應(yīng)用[M].清華大學(xué)出版社，2006（03）：372-383.

[6]劉明蘭，孫立紅，鐘紹華，等.基于自調(diào)整因子Fuzzy規(guī)則的專家控制器[J].武漢：武漢汽車工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，1997（4）：76-79.

[7]李大喜，王莉.模糊自適應(yīng)PID控制在異步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)中的應(yīng)用研究[J].大電機(jī)技術(shù)，2008（6）.

[8]高芳.模糊控制在異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)中的應(yīng)用研究[D].西安科技大學(xué)，2012（06）.

[9]周淵深.交流調(diào)速系統(tǒng)與MATLAB仿真[M].中國電力出版社，2005（04）.