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zhoudengquan先生

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发表人：zhoudengqu

发表时间：2011/6/24 22:56:00

发表新论题

本栏论题：

PI控制器的设计 [12793]

    一、引言
    随着计算机控制技术、电力电子技术的飞速发展，交流变频调速技术正以其优异的控制性能日益为工业界接受，可编程控制器作为一种可靠性的工业PC，也正以前所未有的速度在工业自动化领域迅速普及。在我国传统的钢铁冶金、交通运输、机械化工等各产业中，存在着大量的以继电器、接触器和直流调速为主的电气传动系统，这些系统存在硬件线路复杂、可靠性低、能耗大、生产维修量大等许多缺点，因此如何将PLC与交流变频调速技术相结合，对传统产业进行改造，是企业界正着力解决的问题。本文就某电机智能测控系统的PLC控制交流变频调速系统进行详细介绍。
    二、模糊自校正PI控制器的设计
    1、控制器设计的理论依据
    在起动和负载变化阶段，控制系统的反应较慢。而模糊控制将专家的知识及现场操作人员的经验转化为控制策略，使模型难以确定的复杂系统得以有效的控制。在对象参数发生变化或受到外部扰动时，模糊控制仍能达到较为满意的控制效果。因而与传统的控制方案相比，模糊控制具有较强的鲁棒性。但是模糊控制无法从根本上消除稳态误差，控制精度较低。而比例积分控制(PI)能够消除稳态误差，将模糊控制技术和传统的PI控制相结合，能够有效地解决模糊控制存在稳态误差的缺陷。目前较为广泛的是模糊控制与PI控制的串联或者模糊控制与PI控制相并联。但是参数固定的PI控制又一定程度上给系统带来了动态与稳态之间的矛盾，模糊控制的优势没有得到完全体现。本文提出的模糊自校正控制器使PI调节器参数跟随系统误差变化而动态变化，从而具备了模糊控制较强鲁棒性和PI控制削弱稳态误差的功能。
    2、模糊控制原理及其应用
    该模糊控制输入信号为速度偏差e和速度偏差变化率△e，输出信号为控制信号。变量的模糊子集为{正大，正中，正小，零，负小，负中，负大}，相应的语言变量设定为{PL，PM，PS，ZO，NS，NM，NL}。
    首先，把速度偏差及偏差变化率的实际范围作为输入论域，输出控制量的允许变化范围作为输出论域，而在论域中的元素隶属于某个语言变量值的隶属度用隶属函数表示，论域两端的隶属函数取半三角形的形状，其余则取三角形的形状。其次，在模糊化过程中取输入变量的实时值，即求速度偏差及偏差变化率的实时值。第三步是把输入变量的实时值和已定义的隶属函数进行比较组合，求出相应的模糊输入量。有了上面三个步骤后，再采用MAX-MIN推理合成算法进行模糊推理，并产生模糊输出结果。最后，将模糊输出结果清晰化，并采用PWM方式实现输出控制，在周期一定的条件下调节占空比，而占空比的实时值由模糊控制规则自动调节。
    3、控制器的参数校正
    模糊自校正控制器是由模糊控制器、PI调节器、参数整定环节和估测器四个基本部分组成。模糊控制器和PI调节器根据校正的参数对过程对象进行控制，参数整定环节根据系统误差的动态变化对PI调节器进行参数校正。该模糊自校正控制系统的运行过程就是模糊自校正控制器不断采样、校正，直至系统达到并保持期望的控制性能指标。
    PI调节器的参数校正原则：在控制的起始阶段取较小的PI调节器校正参数；当模糊控制达到基本稳定时，根据系统误差逐渐增大PI调节器的校正参数，以获得平稳的上升并消除误差；当整个系统已基本稳定时，则根据系统要求和误差适当减小PI调节器的校正参数。
    三、变频调速系统的组成及主程序框图
    变频调速系统框图如图1所示。本系统采用三菱公司的FX2N PLC作为速度调节器，它把给定信号与编码器输出脉冲信号的量化值进行比较，获得误差e，通过具有参数自整定的PID算法，得到所需调节值，将此值送入D/A转换变为模拟信号，再送至变频器的模拟电压输入端，控制变频器频率，从而控制电机的转速。

    图1 变频调速系统框图
    系统的主程序框图如图2所示。为了使电机稳定性好，响应速度快，必须正确选择系统的比例、积分、微分等参数。本系统利用PLC的高速运算及判断能力，由PID算法子程序计算出控制量UR，对扰动作出动态调节，使得稳态误差最小。

    图2 系统的主程序框图
    四、实验结果及结论
    在该电机控制系统调试过程中，对11kW/15kW直流电动机-交流发电机机组进行启动实验，给定速度为1500转/分钟，系统能很快跟踪给定速度，反应性能良好。在突加负载的情况下，系统能快速自动调节，恢复时间约为0.6s，其转速特性曲线如图3所示。

    图3 转速特性曲线（转速单位为转/分钟，时间单位为ms）
    本系统充分利用了变频器的多种控制功能，用编码器精确测速，控制算法采用了参数自整定PID算法，实现了精确的变频调速闭环控制。实验数据表明，该系统能对电机转速实现精确控制，实用性强，具有一定的推广价值。