基于模糊PID控制的同步电动机节能技术研究

基于模糊PID控制的同步电动机节能技术研究付周兴，雷娇（西安科技大学电气与控制工程学院，西安710054）摘要：本文首先分析了同步电动机节能的基本原理，而后建立了同步电动机的数学模型，并提出了一种新型的模糊PID控制器，对励磁系统加以调节，最终可使同步电动机始终工作在最佳功率因数状态。并在MATLAB-simulink中建立了系统仿真模型，仿真结果表明，与常规PID控制方法相比，模糊PID控制有良好的快速跟踪性能和抗干扰性能。关键词：同步电动机励磁系统；节能；模糊PID控制；simulink仿真ResearchaboutSynchronousMotorEnergy-savingTechnologybasedonFuzzy-PIDControlFuZhouxing，LeiJiao(Schoolofelectricalandcontrolengineering，Xi’anUniversityofSinceandTechnology，Xi’an710054，China)Abstract:Thispaperfirstanalysisofthebasicprincipleofsynchronousmotorenergy-saving,thenestablishedamathematicalmodelofsynchronousmotor,andproposesanovelfuzzy-PIDcontrollertoadjusttheexcitationsystemtomakethesynchronousmotoralwaysoperatinginthebestpowerfactorstate.ThesystemsimulationmodelismadeinMATLAB-simulink,andsimulationresultindicatesthatfuzzy-PIDcontrolispreferabletoPIDcontrolinrespectoffasttrackingperformanceandanti-jammingperformance.Keywords:synchronousmotorexcitationsystem；energy-saving；fuzzy-PIDcontrol；Simulinksimulation0引言随着工业的迅速发展，一些生产器械的功率越来越大，如矿山的球磨机、冷库用制冷机、大型鼓风机等，其功率可达数百kW到数万kW，并且这些生产器械本身没有调速的要求。由于同步电动机具有速度稳定和功率因数可调的优良特性，因此，采用同步电动机去拖动这些器械，在运行时，不仅不会使电网的功率因数降低，相反的，却能改善电网的功率因数，从而达到节能降耗的目的。本文提出了一种同步电动机励磁调节的模糊PID控制算法，通过调节可使同步电动机始终工作在最佳功率因数状态，并且通过调节励磁电流的大小，还能改善系统的功率因数。仿真实验结果表明，采用该算法得到的同步电动机励磁调节器的控制结果明显优于常规PID调节器。1同步电动机节能机制因为同步电动机转子侧产生电流的方式与异步电动机不同，而使同步电动机有功率因数可调节的可贵特性，这种特性即为同步电动机的节能机制所在。要改善电网总功率，就要使同步电动机在超前功率因数下运行。分析同步电动机的功率因数与励磁电流的关系，忽略电动机空载损耗和电枢绕组铜耗，在负载转矩不变的情况下，电动机电压方程为：0...jEXIUc电磁功率常数cosm1UIP电磁转矩常数sin0cXUmET即常数cosI，常数sin0E图1同步电动机向量图因此当电网电压、频率及电动机的负载一定时，改变同步电动机的励磁电流，即可调节其无功电流的分配，引起无功功率的变化，进而改变同步电动机的功率因数。同步电动机在过励时，将从电网吸取容性电流和超前的无功功率；而在欠励时，将从电网吸取感性电流和滞后的无功功率，如图1所示]1[。根据图1，即可得出同步电动机的V形曲线如图2，从图2可看出，在1cos的点，电枢电流最小，1cos电枢电流都在增大。通常利用改变同步电动机励磁电流可以调功这一特点，使同步电动机工作过励状态，从电网吸收容性电流和超前无功功率，以平衡感性负载的无功功率，从而改善电网的功率因数。不稳定区IfI滞后欠励超前过励正常励磁Cosϕ=0.8（滞后）Cosϕ=1.0Cosϕ=0.8(超前)'MP=常数''MP=常数'''MP=常数MP=00图2同步电动机V形曲线2同步电动机数学模型的建立由于模糊逻辑控制不需要精确的控制对象数学模型，故为了便于说明问题，本文粗略地将同步电动机的励磁回路与定子回路分别视为一阶惯性环节。在应用模糊逻辑之前，以下先分析系统中各个环节的工作原理，得出其传递函数，从而完成系统的开环、闭环传递函数的分析]2[。2.1同步电动机传递函数在不考虑同步电动机磁路的饱和特性时，同步电动机的传递函数可以简化为以下一阶滞后环节：sTKGdDD01s）（式中：DK为电动机的放大系数，0dT为其时间常数，忽略电动机磁场饱和现象。2.2功率放大单元励磁控制器输出控制信号到励磁控制器件的输出之间的功率转换即为功率放大单元，该单元可认为是一阶惯性环节，其传递函数为：sTKsGAAA1)(式中：AK为放大环节的电压比例，AT为放大环节时间常数，一般电子放大器的时间常数小于0.05，本文AT0。2.3电压测量比较单元电压测量比较单元可以完成由同步电动机机端电压到控制器输入信号的转化，其中整流滤波电路有延时，但其它电路一般可以忽略延时，所以整个电压测量单元总的滞后时间比较小，为了简化计算，可以用一阶惯性环节来近似描述，其传递函数可表示如下：sTKsGRCM1)(式中，CK表示电压比例系数，RT表示测量回路的时间常数。2.4常规PID控制器常规PID传递函数如下：)11()(sTsTKsGdiPK其中diTTKP、、可由模糊控制器在线整定。3模糊PID控制器设计常规PID控制器由于其参数一旦确定便不能在线修正，只能控制定参数系统，因此其对实际中较复杂的系统控制效果不太理想，而模糊控制由于其不依赖被控对象的数学模型，且设计方法简单、易于实现、适应性强，故本文使用将模糊控制与常规PID控制相结合的模糊PID控制算法，对PID控制器的三个参数进行在线整定，使控制系统具有一定的自适应性，从而获得更优良的控制结果。其基本组成如图3所示。Uf*模糊控制器du/dt功率放大单元同步电动机电压测量比较单元PID控制器KPKIKDUf图3模糊PID控制器仿真框图在同步电动机励磁调节中，模糊控制器的输入为励磁电压测量值与整定值的偏差e和偏差变化率ce，经量化后其模糊论域分别为{-6，-4，-2，0，2，4，6}及{-3，-2，-1，0，1，2，3}，语言变量均定义为7个等级，即{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}，隶属度函数选择三角函数，各语言值的隶属函数如图4、图5所示。输出控制信号为PID控制器的三个参数的整定值，PK、iK、dK经量化后的模糊论域均为：{-6，4，-2，0，2，4，6}，语言变量均定义为7个等级，即{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}，隶属度函数选择三角函数，各语言值的隶属函数如图6所示。NB-4NM4PMPB10.50-6602NSZOPS-2图4e的隶属度函数10.50-33-2NM2PM01NSZOPS-1图5ce的隶属度函数NB-4NM4PMPB10.50-6602NSZOPS-2图6PK、iK、dK的隶属度函数通过分析各参数的作用，确定模糊控制规则]4,3[：（1）当e0时，无论e如何变化，为尽快消除偏差，应使控制量快速增加，所以控制量应取正大。但当e取负小和负大时，控制量一般取正小和零。（2）e为正小或0时，此时系统趋于稳定，应防止超调并使系统尽快稳定，就要根据偏差变化来确定控制量的变化。当e0时控制量不能过大，当e0时控制量应减小。（3）当e0时，根据对称原理，只需要把相应的控制量符号改变即可。将以上模糊控制规则制成表格作为模糊控制规则表如表1：表1PKiKdK模糊控制规则表UENBNMNSZOPSPMPBECNBNB/NB/NBNB/NB/NSNM/NB/ZONM/NM/ZOPS/PS/ZOPS/ZO/PSZO/ZO/PSNMNB/NB/NSNB/NB/NSNM/NM/NSPM/NM/NSPS/PS/ZOZO/ZO/NSZO/ZO/PMNSNM/NM/NBNM/NM/NBNM/NS/NMPS/NS/NSZO/ZO/ZOPS/PS/PSPS/PS/ZOZONM/NM/NBNS/NS/NMNS/NS/NMZO/ZO/PSPS/PS/ZOPM/PS/PSPM/PM/PMPSNS/NS/NBNS/NS/NMZO/ZO/NSPS/PS/PSPS/PS/ZOPM/PM/PSPM/PM/PSPMZO/ZO/NMZO/ZO/NSZO/PS/PSPM/PS/PSPM/PM/ZOPM/PB/PSPB/PB/PSPBZO/ZO/PSNS/ZO/ZOPS/PS/ZOPM/PM/ZOPM/PB/ZOPB/PB/PBPB/PB/PB图7同步电动机励磁模糊控制器仿真4仿真及实验4.1仿真框图在MATLAB-simulink中构建模糊PID控制的同步电动机励磁控制器仿真模型如图7所示，其中仿真参数的设置如下：同步电动机sTKGdDD01s）（，其中DK=1，0dT=4功率放大单元sTKsGAAA1)(，其中AK=43，AT=0电压测量比较单元sTKsGRCM1)(，其中CK=1，RT=0.06常规PID控制器的参数：PK=1.3，iK=0.3，dK=0.064.2仿真结果在simulink中对以上控制系统进行了仿真，仿真结果如图8所示，为了方便比较，同时对常规PID控制系统也进行了仿真，仿真结果同样如图8所示。通过比较可以看出，模糊PID阶跃响应快，超调量小且稳态误差小。00.20.40.60.811.21.41.61.8200.20.40.60.811.21.4PIDFuzzyPID图8模糊控制器与常规PID控制器阶跃响应结果5结语从仿真结果可看出，同步电动机励磁模糊控制器可以对常规PID控制器的参数实现在线整定，弥补了常规PID控制器在复杂系统中控制效果不理想的缺陷，将其应用在同步电动机励磁调节器中，可达到使功率因数总是处于最佳状态的目标，值得在现实控制系统中推广应用。参考文献[1]李发海，朱东起.电机学(第四版)[M].北京：科学出版社.2007.[2]金岫，邓志良，张鸿鸣.基于模糊PID控制的同步发电机励磁控制系统仿真研究[J].继电器，2007(19)：13-15，21[3]李士勇.模糊控制•神经控制和智能控制论[M].哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社.1996.[4]YingWu,HangJiang,MinZou.TheResearchonFuzzyPIDControlofthePermanentMagnetLinearSynchronousMotor[J].PhysicsProcedia，2012(24):1311-1318