模糊控制技术在电机测试系统中的应用

《中小型 电机 , 模糊控制技术在电机测试系统中的应用 模糊控制技术在电机测试系统中的应用 浙江大学 杭州市 , 麦俊杰 黄 进 杨家强 杭州富生电器有限公司 杭州市 , 沈 伟 杨替会 摘要 本文针对 控制器在电机测试中的缺陷 , 将模糊控制技术应用在 电机测试系统中 。 详细论述了系统模糊控制器设计的方法和思路 , 并给出了转矩 调节在 控制和模糊控制下的动态响应曲线 。 试验结果表明模糊控制的响应 速度快 , 超调量小 , 优于 控制 。 叙词 模糊控制 电机测试 控制 麦 俊 杰 年 月 生 , 浙 江 大 学 电机 系 电 机专业 级硕士研究 生 。 主要研究方向为电 机检 测 及 控 制 、 智 能 控 制理论及应用 。 , , , , , , , 引言 电机制造厂在进行 电机 出厂试验以及型式试 验时 , 常常要求调节 电机运行至某一工作点 , 如调 节电机运行至某一 目标转矩 、转速或功率等 。 再由 各种仪表测出此工作点的相应参数 , 最终获得 电机 的特性曲线 。 所以 , 优 良的电机测试系统除了能测 量转矩 、转速和功率等电机运行参数外 , 还应能准 确快速地控制电机运行至某一工作点 。 传统 电机控制主要采 用 或者 控制 。 控制系统的基本结构如图 所示 控创 目标旅 偏趁值 控侧值 抽出值 进行 比较后 , 控制器根据偏差值进行运算 , 输 出控制值控制被控对象 。 用计算机实现数字 控制 , 其控制算法的 差分形式为 △ , , , 卜 卜 真中 一 , 扩 , 一 一 , 一 凡 一 洲 这里 为采样数 , 是采样周期 , △ 。 是输出 控制量的变化量 , , 是比例系数 , 、是积分常数 , 是微分常数 。 作为被控对象的电机 , 其动态转矩平衡方程式 为 一 , 一 二 义 田 十 , 义 瓮 图 控制系统 该控制系统首先给定 目标值 , 然后由测量元件 从被控对象检测出状态变量 , 用其反馈值与 目标值 即 式中 分一 卜田 关架 —电动机产生的电磁转矩 —电动机的负载转矩 模糊控制技术在电机测试系统中的应用 《中小型 电机 》 , 几 — 、 旋转阻力系数 。 —电动机的机械角速度 —电动机及其负载的转动惯量几 —电动机的机械时间常数或 控制器参数的确定 , 依赖上述模型 的参数 。 当针对一种型号的电机整定控制器参数 , 往往会有较好的控制性能 , 但对于另一种型号的电 机 , 若其机械时间常数 几 有较大的变化 , 则上述 或 控制器的调节性能将很不理想 , 会 出现 大的超调或响应速度慢等现象 。 在 电机测试过程 中 , 为了得到重复性好 , 精确 度高的测试结果 , 要求工作 点的调节过程尽量短 即速度尽量快 , 以尽量减少被测电机的发热 。 此 外 , 由于 电机磁路的磁滞效应 , 还要求工作点的变 化是单调递减或递增的 , 不应出现超调或工作点来 回变动这样的现象 。 由此可见 , 或 这样的依 赖数学模型 的控制器难以满足精密电机测试系统 的要求 。 基于上述考虑 , 本文提出采用模糊控制技术替 代 控制 , 并将其应用在 以拖动系统为基础 的 电机测试系统中 , 且获得了良好的控制效果 。 图 中 , 。 为被控量的偏差 , △。 为被控量的偏 差变化率 , “ 为控制量 而 、 、 为模糊语言集合 中的语言变量 。 对于两维查表方式 的模糊控 制 系统 结构 如 下 匕 」 母母母母母母同同同同 化化化化化化 模模模模模模模栩栩 控控控控制制制制制制表表表表表表表表 对象象 母母母母母母母母母 化化化化化化化 模糊控制系统 图 控制表方式的模糊控制系统结构 图 中 , 为 目标值 , 为测量输出值 。一 一 , △。二 。 一 。 , 即 两次偏差的差值 、 为被控 量偏差 ‘ 和偏差变化率 △己 量化到相应论域时的量 化因子 , 为控制量 “ 的比例因子 , 、 , 分别是偏 差 。 和偏差变化率 △。 的量化值 。 为查表得出的 未精确化的控制量 , 其中 。义 , 。 模栩控制器在电机测试系统中 的应用 本 电机测试系统是 由被测电机 、 测功机 、 计算 机 、数据采集卡等组成 , 如图 所示 。 模糊控制系统是以模糊数学 、模糊语言形式的 知识表示和模糊逻辑的规则推理为理论基础 , 采用 计算机控制技术构成的一种具有反馈通道的数字 控制系统 。 其系统组成如图 所示川 计计教教教教教据采采 ’’ 算算 「「「「 集卡卡卡 机机 ····· 日日日日日日日 被被侧电机机机机机机机机 给定俄 被控制 图 模糊控制系统组成框图 在图 所示的模糊控制系统中 , 给定值和输出 值之间的数字量偏差作为模糊控制器的输入 , 模糊 控制器经过计算得 出控制量再通过其执行机构控 制被控对象的输出值 , 使其稳定在给定值 。 一个模糊控制器的设计是指 根据操作人员的 先验知识 , 确定模糊控制规则到生成模糊控制查询 表的完整过程 。 它包括输入量模糊化 , 确定模糊子 集和模糊关系矩阵 , 进行模糊判决 , 并建立控制输 出 查询表等 内容 。 模糊控 制器 的结构如 图 所 示 」。 图 模糊控制器结构图 图 测试系统构成框图 该系统的测功机采用的是磁滞测功机 , 它作为 传感器检测被测电机的转速和转矩 , 再 由测量电路 对测功机输出的转矩和转速信号进行滤波 、放大等 处理 。 此信号经电量隔离传感器后送给数据采集 卡 , 经过数据采集卡 转换 , 再送给计算机 。 由 计算机执行编写的软件程序经过模糊决策得 出数 字控制信号 , 经数据采集卡 变换和 电量隔离 送到控制电路 , 控制测功机的励磁电流而控制负载 转矩 , 以此实现对被测电机的控制 。 模糊控制路的设计 本系统模糊控制器采用两维输入 , 一维输 出 。 其控制系统结构如图 所示 。 输入变量为被控制量 如转矩 、转速 、 功率的偏差 。 和与其相对应的偏差 变化率 △。 输出变量为 △ , 即控制量的变化量 , 其 合成控制量 一 △“ 为测功机的励磁 电流 。 为方便说明 , 本文以转矩为例说明系统模糊控 《中小型电机 》 , 模糊控制技术在电机测试系统中的应用 制器的设计 。 为了实现高精度转矩控制 , 转矩模糊控制器输 入转矩偏差 。 量化到论域 一 , 」。‘ 的模糊子 集选取如下词 集 , , , , , , , , 。 选用三角形隶属度函数曲线 , 要满足系 统调节转矩稳态误差范围的要求 , 在接近 目标转矩 点时的曲线应具有较高的分辨率 , 所 以转矩偏差 ‘ 的隶属度函数赋值曲线选用如图 所示的曲线 。 如 △ △ 即 当转矩偏差 。 为负小 , 转矩偏差变化量 △。 为正 大时 , 控制量的变化量 △ 为正零 。 根据实际经验 , 写出具体的模糊控制状态表如 表 。 表 模糊控制状态表 一 一 一 一 · 十 图 转矩偏差变量 ‘ 隶属度函数赋值曲线 转矩模糊控制器输入转矩偏差变化率 △。 量 化到论域仁一 , 。 △ 的模糊子集选取如下词 集 , , , , , , 。 选用 三角形 隶属度函数曲线 , 其隶属度函数赋值曲线如图 所 尔 诊诊代代 。 、、、、 塑 妙 石 邢 一 一 一 一 图 转矩偏差变化量 △‘ 隶属度函数赋值曲线 转矩模糊控制器 的输 出变量 △ 量化到论域 仁一 , 〕 。 △ 的模 糊 子 集 选 取 如 下词 集 , , , , , , , , 。 选用三 角形隶属度函数曲线 , 为避免系统在接近 目标点处 出现超调 , 在控制量较小时 , 隶属度 曲线应具有较 高的分辨率 。 所以控制量的变化量 △ 的隶属度函 数选用如图 所示的曲线 。 卒丝、 塑 刀气心‘认尸犷 洲 厂生 求取模糊控制查询表 由输入变量转矩偏差 。 和转矩偏差变化率 △。 的量化值 、 模糊控制状态表以及隶属度函数曲线 , 根据 模糊推理算法得 出模糊控制量 , , ⋯ 、 , ⋯ 。 。 再按照重心法原则川模糊判决得 出模糊控制 查询表 。 其表达式为 习 , 、 。 , △ 上立匕一一 习 。 二 才 其 中 为模糊推理得 出模糊控制量的元素 , 为此元素对应模糊语言变量的隶属度 为模糊推 理所得模糊控制量元素的数 目 。 试验结果及 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 一 一 一 一 飞 图 输出变量 △“ 隶属度函数赋值曲线 根据上述 种隶属度函数赋值 曲线就可 以实 现系统输入量和输出量的模糊化过程 。 模糊状态表的确定 由于本系统采用 的是两维输入 , 一维输 出 , 所 以采用如下语句 △ △ 写出模糊控制状态表 。 其中 , 、 、 是语言变量域 , , , , , , , , 中的语言 变量 。 对于 不 同转动惯量的 电机 , 分别使用 控 制器和模糊控制器进行试验 。 试验使用测功机额定转矩为 · 。 对 于 空 载 转 速 为 , 额 定 功 率 为 的三相异步 电动机 , 对转矩 的调节过程为 空载 一 目标转矩 · 一 目标转矩 · 。 用 示波器 以 , 格进行扫描获得的转矩调节响应 曲 线分别如 图 、 图 所示 。 图中示 波器幅值 格 , 扫描周期 格 。 由图 、 图 可知 , 采用 控制器时 , 上升 调节稳定时间为 。 , 并且存在一定超调 而下降调 节稳定时间为 , 同样存在超调 。 采用模糊控制 器时 , 上升调节稳定时间为 下降调节稳定时间 模糊控制技术在电机测试系统中的应用 《中小型 电机 》 , 为 , 两个过程都不存在超调 。 可 见采用 控 制器在响应速度上较模糊控制器缓慢 、并且有超调 现象 。 而采用模糊控制器调节 , 可以控制被测 电机 很快地运行到 目标转矩点 , 并且没有超调现象 。 无论采用 控制还是模糊控制 , 均可 以通 过不断的试验以改进 控制器参数或模糊控制 查询表 。 这样 , 就可以缩短上述转矩调节响应曲线 的调节时间 。 但 控制仍不能消除本文开始所 论述的它在电机测试中的缺陷 。 结论 图 ‘ 控制转矩调节响应曲线 试验结果证明 对于 电机期望工作点的调节 , 采用传统 控制器在调节速度上较模糊控制器 缓慢 、 并且有超调现象 。 而采用模糊控制器对电机 进行控制 , 可以使型号不同的被测电机快速准确地 运行到期望的工作点 , 并且没有超调现象 。 该控制 技术很有实用价值 。 参考文献 三 · 川 君 · ·⋯沙朴汁朴沙沙补 ‘ 钾妇 一 州 护 图 。 模糊控制转矩调节响应曲线 对于空载转速为 , 额定功率为 的三相异步 电动机 。 转矩的调节过程 空载 一 目标转 矩 · 一 目标转矩 · 。 按上述同样的方 法测得的曲线如图 、 图 所示 。 图中示波器幅 值 格 , 扫描周期 格 。 图 控制转矩调节响应曲线 图 模糊控制转矩调节响应曲线 由图 、 图 可知 , 采用 控制器时 , 上升 调节稳定时间为 , 下降调节稳定时间为 , 都 存在一定超调 。 采用模糊控制器时 , 上升调节稳定 时间为 下降调节稳定时间为 , 两个过程 都不存在超调 。 蒋静坪 计算机实时控制系统仁 」浙江 大学 出版社 、 诸静等 模糊控制原理 与应用 〔 机械 一 业 出版社 , 余永权 、 曾碧 单片机模糊逻辑控制 〕北京航空航 天大学出版社 , 卯 , , , ‘ ’ · , , · , 〕 , 〔皿 , 收稿 日期 一 一 全范 公乞 场 妞退范 屯 和承龟笠亘范丫泣泛 兮绝沐兮龟烤句困交 〕乡绝 效定扭户绝 范妙泛 弓泛 书讯 《中小型电机 》杂志历年合订本 为了满足广大读者的需要 , 编辑部特意整理装 订了历年的《中小型电机 》杂志合订本 。 目前可供邮 购 的有 年 、 年 、 年 、 年 、 年 、 年 、 年 、 年 、 年 、 年 、 年 、 年 、 年 、 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