基于和利時(shí)PLC的交流電機(jī)模糊軟啟動(dòng)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

周震

摘??要：提出了基于和利時(shí)LM小型PLC對(duì)實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下的小功率交流電動(dòng)機(jī)進(jìn)行的模糊控制，從而實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)在自制和利時(shí)PLC實(shí)驗(yàn)臺(tái)的基礎(chǔ)上，以LM3108K為核心單元，通過(guò)模糊控制算法控制三相智能交流調(diào)壓模塊，對(duì)交流電動(dòng)機(jī)的帶載啟動(dòng)實(shí)現(xiàn)了軟啟動(dòng)控制。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果看，本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及其程序設(shè)計(jì)可達(dá)到預(yù)期目標(biāo)，具有一定的參考、借鑒意義。

關(guān)鍵詞：模糊控制;軟啟動(dòng);LM3108K;智能交流調(diào)壓模塊

中圖分類號(hào)：TM571???????????????文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A???????????????DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.14.005

交流電動(dòng)機(jī)在全壓直接啟動(dòng)過(guò)程中，啟動(dòng)電流可達(dá)到額定電流的4～8倍，但啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩僅能達(dá)到額定轉(zhuǎn)矩的0.5～1.5倍。為了限制啟動(dòng)電流對(duì)電動(dòng)機(jī)自身和電網(wǎng)的影響，軟啟動(dòng)控制方式得到了普遍應(yīng)用。軟啟動(dòng)控制系統(tǒng)可分為開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)兩種基本結(jié)構(gòu)。在閉環(huán)控制系統(tǒng)中，傳統(tǒng)的控制方式采用閉環(huán)PID算法對(duì)交流電動(dòng)機(jī)進(jìn)行恒流軟啟動(dòng)。但交流電動(dòng)機(jī)在啟動(dòng)過(guò)程中的電流和主電路中的晶閘管調(diào)壓電路的控制電壓之間的數(shù)學(xué)模型很難確定，同時(shí)，交流電動(dòng)機(jī)本身參數(shù)的耦合性很強(qiáng)，是高階非線性的被控對(duì)象，因此，采用PID控制參數(shù)調(diào)試的過(guò)程較長(zhǎng)，很難取得理想的控制效果。在智能控制算法中，模糊控制理論以模糊數(shù)學(xué)和模糊語(yǔ)言形式表達(dá)為難以建立精確數(shù)學(xué)模型的被控對(duì)象的模糊控制規(guī)則。由于模糊控制規(guī)則可根據(jù)大量的經(jīng)驗(yàn)結(jié)論和操作方法提煉，所以，其描述對(duì)于被控對(duì)象的控制而言，不需要基于精確的數(shù)學(xué)模型，同時(shí)，在表達(dá)方式上更接近人對(duì)事物處理判斷的模糊控制思維。因此，?交流電動(dòng)機(jī)的軟啟動(dòng)過(guò)程中，采用基于模糊控制規(guī)則的模糊控制能更好地獲得預(yù)期的控制效果。基本的模糊控制系統(tǒng)的組成如圖1所示。

圖1??模糊控制系統(tǒng)組成框圖

控制系統(tǒng)中的模糊控制器可以采用單片機(jī)、PLC或其他計(jì)算機(jī)裝置實(shí)現(xiàn)模糊控制算法。在前期完成的自制和利時(shí)PLC實(shí)驗(yàn)臺(tái)的基礎(chǔ)上，結(jié)合和利時(shí)PLC模塊的特點(diǎn)，對(duì)實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下的小功率交流電動(dòng)機(jī)模糊軟啟動(dòng)進(jìn)行了研究，提出了可行的模糊軟啟動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)方案。

1??實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)硬件方案

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)采用實(shí)驗(yàn)臺(tái)上的和利時(shí)LM3108KCPU模塊和三相交流調(diào)壓實(shí)驗(yàn)區(qū)器件組建交流電動(dòng)機(jī)的模糊軟啟動(dòng)控制系統(tǒng)，如圖2所示。

圖2??模糊軟啟動(dòng)控制系統(tǒng)

在實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中，LM3108KCPU本機(jī)提供8點(diǎn)繼電器型DO，電壓型AI和AO均為0～10?VDC輸入/輸出信號(hào)，精度為1%FS。交流量的公共端子為2M和3M，三相電壓電流輸入信號(hào)范圍為0～14?VAC，精度為1%FS。實(shí)驗(yàn)用受控交流電動(dòng)機(jī)的額定功率為750?W，額定電流為2.19?A，定子三相繞組接成星形方式，交流電動(dòng)機(jī)加載器為可控磁粉制動(dòng)器。三相智能交流調(diào)壓模塊可接受LM3108K的一路AO信號(hào)，從而對(duì)交流電動(dòng)機(jī)進(jìn)行調(diào)壓控制。

2??模糊控制算法說(shuō)明

在模糊算法中，對(duì)于模糊輸入變量和模糊輸出變量，其模糊化等級(jí)通常取{0，±1，±2，…，±m(xù)}，同時(shí)，將對(duì)應(yīng)等級(jí)的模糊子集取為以下幾種情況之一。

e={負(fù)大，負(fù)小，零，正小，正大}={NB，NS，ZO，PS，PB};e={負(fù)大，負(fù)中，負(fù)小，零，正小，正中，正大}={NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB};e={負(fù)大，負(fù)中，負(fù)小，零負(fù)，零正，正小，正中，正大}={NB，NM，NS，NZ，PZ，PS，PM，PB};e={負(fù)很大，負(fù)大，負(fù)中大，負(fù)中，負(fù)中小，負(fù)小，負(fù)很小，零負(fù)，零正，正很小，正小，正中小，正中，正中大，正大，正很大}={NVB，NB，NMB，NM，NMS，NS，NVS，NZ，PZ，PVS，PS，PMS，PM，PMB，PB，PVB}。

在實(shí)驗(yàn)中，取交流電機(jī)定子電流偏差ei對(duì)應(yīng)的模糊變量為Ei，電流偏差變化率為eiC=de/dt，對(duì)應(yīng)的模糊變量為EiC。將模糊輸入變量Ei的模糊化等級(jí)取m=3，模糊子集取上述第2種情況，且將每個(gè)模糊子集用三角形隸屬度函數(shù)模糊化。將模糊輸入變量EiC的模糊化等級(jí)取3，模糊子集取上述第1種情況，且將每個(gè)模糊子集用三角形隸屬度函數(shù)模糊化。模糊控制器的輸出量為控制晶閘管模塊的控制電壓uC，其對(duì)應(yīng)的模糊變量為UC。模糊控制器的輸出量的模糊化等級(jí)取m=3，模糊子集取上述第2種情況，采用高斯型隸屬度函數(shù)與每個(gè)模糊子集對(duì)應(yīng)。結(jié)合交流電動(dòng)機(jī)的恒流軟啟動(dòng)控制經(jīng)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的控制規(guī)則采用模糊規(guī)則表表示，如表1所示。根據(jù)模糊控制規(guī)則表，按照第一類推理方式可求得總的模糊關(guān)系R，可進(jìn)行模糊推理，并采用加權(quán)平均法解模糊得到1張模糊控制查詢表，如表2所示。設(shè)定輸入變量電流偏差ei的實(shí)際變化范圍為[-eimax，+eimax]，輸入變量電流偏差變化率eiC的實(shí)際變化范圍為[-eiCmax，+eiCmax]，輸出變量控制電壓uC的實(shí)際變化范圍為[0，5?V]。需要將輸入量的精確量按照式（1）將其轉(zhuǎn)換到對(duì)應(yīng)的論域區(qū)間[-3，+3]，并按照轉(zhuǎn)換后的等級(jí)查詢模糊控制查詢表中對(duì)應(yīng)的輸出量模糊等級(jí)。最后將輸出量通過(guò)式（2）得到實(shí)際的輸出控制電壓，用于調(diào)節(jié)交流電動(dòng)機(jī)的三相定子電壓。具體轉(zhuǎn)換公式如下：

（1）

（2）

式（1）（2）中：e為精確量，e∈[a，b];為離散后的精確量，∈[-3，+3]。

表1??模糊控制規(guī)則表