模糊自适应PID控制的异步电动机软起动器的研究

1、模糊自适应PID控制的异步电动机软起动器的研究陈忠华 刘勋 郭凤仪(辽宁工程技术大学电气与控制工程学院 辽宁葫芦岛125105)摘 要：针对异步电动机直接起动过程中存在的问题，研究了一种基于模糊自适应PID控制的异步电动机转矩斜坡起动方式。通过异步电动机恒转矩负载机械特性的分析，推导出了转矩斜坡起动方式的数学模型。利用Matlab软件中的电气系统模块库和模糊逻辑工具箱,建立了基于模糊自适应PID控制的异步电机软起动系统的仿真模型，并进行了仿真。仿真结果表明恒转矩负载下模糊自适应PID控制的转矩斜坡软起动方式正确有效，可以有效地减小起动过程中对电网的冲击，降低了对拖动系统的不利影响，同时起动过程

2、平稳。关键词:异步电动机；软起动；模糊自适应PID；转矩斜坡；仿真Research of Soft-staring for Asynchronous Motor with Self-adaptive Fuzzy PID ControlCHEN Zhong-hua, LIU Xun，GUO Feng-yi(College of Electrical and Control Engineering of Liaoning Technical University, Huludao 125105, China)Abstract: Considering the existing problems a

3、s asynchronous motor start up directly, this paper studys a torque slope start-up mode for asynchronous motor based on Self-adaptive fuzzy PID control. Through analysis of mechanical characteristics of asynchronous motor with constant torque, the paper establishes mathematic model of torque slope st

4、art-up mode for asynchronous motor based on Self-adaptive fuzzy PID control. In this paper, with the use of the power system blackest and the fuzzy logic toolbox in Matlab, the simulation model is built and simulink. The simulation results show that the soft-staring mode is correct and effective, re

5、duces the shock to the electrical network and the adverse effects on the drag system and make asynchronous motor start up very smoothly.Keyword: asynchronous motor; soft-starting; self-adaptive fuzzy PID; torque slope; simulation0 引言异步电动机直接起动电流是额定电流的5-7 倍1-3，起动瞬间起动转矩造成的机械冲击会影响电机本身及其拖动设备的使用寿命，过大的起动电流

6、加速了电动机绝缘老化，同时较大的起动电流会引起较大的电网线路压降，影响电网的供电和其他设备运行。因此异步电动机的软起动方式及控制一直是个非常重要的研究课题。目前软起动器常用的起动方式主要有限流起动和斜坡电压起动。这二种起动方式虽然能顺利地起动负载，但都不能很好地减少起动给电动机和拖动系统带来的冲击和影响。转矩斜坡起动方式可以改善电动机的起动过程，提高起动性能。由于异步电动机起动过程复杂，参数整定较困难，部分参数会随工作点的变化而变化，因此应该增加一定的智能控制手段，以消除参数变化和扰动的影响。采用模糊自适应PID4-5控制方法，在控制过程中对不确定的条件、参数、延迟和干扰等因素进行实时检测，然

7、后应用模糊推理的方法对PID的三个参数Kp、Ki和Kd实行在线自整定，可使控制*基金项目:辽宁省教育厅科研项目(20060386)*作者简介:陈忠华(1965-)，男，副教授，Email:zhchen0915系统始终运行在最佳的工作状态。模糊自适应PID控制系统不仅保持了常规PID控制系统原理简单、使用方便、鲁棒性较强等优点，而且具有更大的灵活性、适应性，控制精度更好 。1 转矩斜坡起动方式的基本原理 图1主电路原理图Fig. 1 Main circuit schematic软起动器的主电路如图1所示。通过控制晶闸管的触发角来调节电动机的电压，再加上转矩闭环控制以达到控制电动机的电磁转矩按照设

8、定的曲线线性上升，实现电动机的转矩斜坡起动。图2为单相晶闸管电路的电压波形，其中角为触发角，角为续流角，为晶闸管导通角，为电机相电压。由图2可知： （1）（2）图2 单相晶闸管的电压波形Fig.2 Voltage waveforms of Single-phase thyristor转矩斜坡起动控制曲线如图3所示。转矩斜坡起动是使电动机的起动转矩由小到大线性上升。 图3 转矩斜坡起动Fig.3 Torque slope start-up 由电机学知道，三相异步电动机机械特性方程为： （3） 电机运动方程为： (4)其中、分别为电机电磁转矩、负载转矩和转动惯量。转子角转速为： （5）其中为角速度

9、，为频率，为转差率。由图3可知电磁转矩近似为时间t的一次函数，故可设： (6)其中为电磁转矩上升的斜率，为初始转矩。对于恒转矩负载来讲，为常量， (6)式代入(4)式可得： （7） 对等式（7）两边同时积分并且当t0时，通过整理可得： （8） 其中为常系数。把(8)式代入(5)式中可得： （9）由式（3)和(6)及(9)可以推出： (10)由（2）式得：(11) 通过控制角，改变角的大小就可以调节电动机的输入电压，控制使其线性上升。2 转矩斜坡起动控制策略转矩斜坡起动时，控制电动机起动时的电磁转矩按设置的线性规律上升，并在转矩闭环中应用模糊自适应PID进行调节，实现PID参数Kp、Ki和Kd的

10、在线自整定，实现电动机能够平滑起动，有效地克服起动过程中的振荡现象。图4为转矩闭环控制方框图， 为按时间给定的电磁转矩，为根据检测到的晶闸管输出电压所计算出的实际转矩, 为模糊自适应PID调节后得出的控制转矩, 和分别为控制转矩计算出的电压和触发角。 4转矩闭环控制方框图Fig.4 Diagram of torque closed-loop control3 模糊自适应PID控制器的设计3.1模糊自适应PID控制器结构设计图5模糊自适应PID控制器结构方框图Fig.5 Diagram of structure of self-adaptive fuzzy PID control system模

11、糊自适应PID控制器4-5结构方框图如图5所示。以常规PID控制为基础，系统首先计算被控量的误差e和误差变化率ec作为二维模糊控制器的输入变量，然后通过模糊化、模糊控制规则推理、解模糊得到Kp，Ki和Kd的修正量，在控制过程中在线实时整定常规PID各参数。 3.2输入输出变量的确立在转矩闭环控制系统中，将计算出的实际转矩和给定转矩的误差e和误差变化率ec作为模糊控制器的输入变量，PID控制器的3个参数Kp、Ki和Kd的修正量、和作为输出变量。误差e基本论域取-60，+60，其偏差变化率ec的基本论域取-30，+30，输出变量、和的基本论域分别取为-3 +3，-6，+6，-0.6，+0.6，E、

12、EC、分别是输入变量e、ec、输出变量、和所对应的模糊语言变量。设定模糊语言变量E、EC、相对应的模糊论域均为-3，+3，则相应的量化因子为0.05，0.1，比例因子为1，2，0.2。模糊语言变量E、EC、都分别取七个模糊子集，其中NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB分别代表负大，负中，负小，零，正小，正中，正大。模糊语言变量E、EC、的隶属函数如图6所示。图6 E、EC、的隶属函数曲线Fig.6 Membership function curve of E、EC、and 3.3模糊控制器的规则设计模糊控制规则设计的核心是总结工程设计人员的技术知识和实际操作经验,建立合适的模糊规则表。表1

13、给出了针对、三个参数的模糊控制规则表。表1模糊自适应PID控制规则Table.1 Self-adaptive fuzzy PID control rule(a) 的模糊控制规则EC ENBNMNSZOPSPMPBNBNMNSZOPSPMPBPBPBPMPMPSPSZOPBPBPMPMPSZOZOPMPMPSPSZONSNMPMPSPSZONSNSNMPSPSZONSNSNMNMZOZONSNMNMNMNBZONSNSNMNMNBNB(b) 的模糊控制规则EC ENBNMNSZOPSPMPBNBNMNSZOPSPMPBNBNBNBNMNMZOZONBNBNMNMNSZOZONMNMNSNSZOP

14、SPSNMNSNSZOPSPSPMNSNSZOPSPSPMPMZOZOPSPMPMPBPBZOZOPSPMPBPBPB(c) 的模糊控制规则EC ENBNMNSZOPSPMPBNBNMNSZOPSPMPBPSPSZOZOZOPBPBNSNSNSNSZONSPMNBNBNMNSZOPSPMNBNMNMNSZOPSPMNBNMNSNSZOPSPSNMNSNSNSZOPSPSPSZOZOZOZOPBPB3.4模糊自适应PID的控制算法模糊自适应PID控制器三个参数，的表达式为： （12）其中，为预整定值。则模糊自适应PID控制器的输出控制可用下式来描述: （13）其中,分别为此时刻的误差和前一时刻的

15、误差。4 系统仿真与结果分析为了验证基于模糊自适应PID控制的异步电动机转矩斜坡起动方式的可行性，在Matlab/Simulink环境下对异步电动机软起动系统进行仿真实验。仿真中异步电动机的主要参数为：额定功率110KW，额定电压660V，额定频率50Hz，定子电阻0.217 , 转子电阻0.329， 定子电感0.105mH，转子电感0.317mH，定转子互感11.616mH，极对数为2，转动惯量为3.4Kg*m2。 (a)定子电流的仿真波形 (b) 转矩的仿真波形图7异步电动机直接起动的仿真波形Fig.7 Simulation waveforms of asynchronous motor

16、start-up directly (a)传统PID控制定子电 (b) 传统PID控制转矩流的仿真波形 的仿真波形 (c)模糊PID控制定子电 (d) 模糊PID控制转矩流的仿真波形 的仿真波形图8异步电动机转矩斜坡起动仿真波形Fig.8 Simulation waveforms of torque slope start-upfor asynchronous motor图7为异步电动机在恒转矩负载下直接起动的仿真波形，通过波形可以看出定子电流在起动时刻的大小为720A左右，为额定电流In的6倍左右，起动时间为1.5秒左右。图8(a)和(b)为异步电动机转矩斜坡起动方式在传统PID控制下的定子

17、电流和转矩仿真波形， 其中定子电流的最大值为363A左右，起动时间为8.1秒左右；图8 (c)和(d)为转矩斜坡起动方式在模糊自适应PID控制下的定子电流和转矩仿真波形， 其中定子电流的最大值约为360A，起动时间为7.6秒左右。与传统PID控制相比，采用模糊自适应PID控制可以使起动电流在起动过程中被限定在额定电流In的3倍之内，并且缩短了起动时间，加快了起动过程，提高了控制精度和起动性能。 基于模糊自适应PID控制的异步电动机转矩斜坡起动方式有效地减小了起动电流，电流变化平缓，可以大大降低起动电流对电动机及其电网的影响，同时转矩随着时间线性上升，可以很好地保护拖动系统，使起动过程平稳，提高

18、了起动性能。5 结语转矩斜坡起动方式是控制电动机的起动转矩由小到大线性上升，它的优点是起动平滑，柔性好，对拖动系统有更好的保护，延长拖动系统的使用寿命。同时降低电机起动时对电网的冲击，是最优的重载起动方式。本文通过推导出的转矩斜坡起动方式的数学模型，利用模糊自适应PID控制方法，具体设计了异步电动机转矩斜坡起动控制算法，并利用Matlab进行了仿真研究。通过对异步电动机转矩斜坡起动方式在传统PID控制下的起动和在模糊自适应PID控制下的起动仿真对比，结果表明恒转矩负载下模糊自适应PID控制的转矩斜坡起动较传统PID控制效果好，可以更好的减小起动电流对电网的冲击，降低了对拖动系统造成的不利影响，同时起动过程非常平稳。参考文献： 1黄劭刚,黄华高,季国瑜.基于MATLAB的异步电机软启动过程的仿真J.计算机仿真,2003,20(7):101104.2 岳云涛,韩永萍,王聪.一种基于模糊PD控制的新型中压软起动器J. 中小型电机,2005,32 (2):52-563 甘世红,吴燕翔,刘雨青.基于恒流模糊控制的高压异步电动机软起动器J. 电力电子技术,2007,41(8):48-504 乔志杰,王维庆.模糊自适应控制器的