第２５卷第４期 湖南文理学院学报（自然科学版） 、，０１．２５ＮＯ．４ ２０１３年１２月 Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｈｕｎａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆＡｒｔｓ ａｎｄ Ｓｃｉｅｎｃｅ（Ｎａｔｕｒａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｅｄｉｔｉｏｎ） Ｄｅｃ．２０１３ ｄｏｉ：１０．３９６９￣．ｉｓｓｎ．１６７２－６１４６．２０１３．０４．０１３ 模糊ＰＩ参数自适应永磁同步电机矢量控制系统的研究 孙延军 ，谭兮，刘志真，冯鹏辉 （湖南工业大学电气与信息工程学院，湖南株洲，４１２００８） 摘要：利用控制对象的非线性、参数时变性的特性，将基于模糊推理的模糊ＰＩ控制器加入到永磁同步电机 控制系统中，在ＭＡＴＬＡＢ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ中建立相应的仿真模型．仿真结果显示，该系统具有反应速度快、超调小、 动态性能好等优点． 关键词：智能模糊控制理论；矢量控制；自适应模糊控制；仿真 中图分类号：ＴＭ ３４１ 文章编号：１６７２．６１４６（２０１３）０４．００５３．０４ Ｄｅｓｉｇｎ ｏｎ ａｄａｐｔｉｖｅ ｆｕｚｚｙ ｃｏｎｔｒｏｌ ＰＩ ｐａｒａｍｅｔｅｒ ｖｅｃｔｏｒ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ｏｆ ＰＭＳＭ ＳＵＮ Ｙａｎ－ｊｕｎ，ＴＡＮ Ｘｉ，ＦＥＮＧ Ｐｅｎｇ—ｈｕｉ，ＬＩＵ Ｇｕｏ－ｙｉｎｇ （Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆＥｌｅｃｔｒｉｃａｌ ａｎｄ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｈｕｎａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｚｈｕｚｈｏｕ ４１２００８，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ ｏｂｊｅｃｔ ｎｏｎｌｉｎｅａｒ，ｔｉｍｅ－ｖａｒｙｉｎｇ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ，ｔｈｅ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ ｉｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ｂｙ ｆｕｚｚｙ ＰＩ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｔｒａｔｅｇｙ，ｆｕｚｚｙ ＰＩ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｆｕｚｚｙ ｉｎｆｅｒｅｎｃｅ ｉｓ ａｄｄｅｄ ｔｏ ＰＭＳＭ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ，ａｎｄ ｔｈｅ ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｓｙｓｔｅｍ ｉｓ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｓｉｍｕｌｉｎｋ ｏｆ Ｍａｔｌａｂ．Ｔｈｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｒｅｓｕｌｔ ｓｈｏｗｓ ｔｈｉｓ ｓｙｓｔｅｍ ｈａｓ ｆａｓｔ ｒｅｓｐｏｎｓｅ，ｓｍａｌｌ ｏｖｅｒｓｈｏｏｔ，ｂｅＲｅｒ ｄｙｎａｍｉｃ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ ｆｕｚｚｙ ｃｏｎｔｒｏｌ ｈｔｅｏｒｙ；ｖｅｃｔｏｒ ｃｏｎｔｒｏｌ；ａｄａｐｔｉｖｅ ｆｕｚｚｙ ｃｏｎｔｒｏｌ；ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ 近年来，交流永磁同步电机（ＰＭＳＭ）因其具有效率高、体积小、适应性强和可靠性好等优点，受到 国内外许多专家学者的一致好评，广泛应用于各种高要求的场合，正在逐步取代直流电机、步进电机成 为伺服驱动的发展方向． 传统的ＰＭＳＭ调速系统通常采用Ｐｌ控制【ｌ】．由于ＰＭＳＭ是一个多变量、非线性、强藕合的控制对 象，而ＰＩ控制实质上是一种线性控制，其参数整定值一经设定便不再更改，只是局域性的优化值，而非 全局最优值，因此传统ＰＩ控制无法彻底解决动静态性能之间、跟踪设定值与抑制扰动能力之间存在的 矛盾． 模糊控制系统具有较强的鲁棒性，可以显著地减弱干扰和参数变化对控制效果的影响，尤其适合 非线性、时变及纯滞后系统的控制．文中采用的是模糊ＰＩ参数自适应控制方法［２】，该方法把模糊控制与 传统ＰＩ控制相结合，通过模糊规则自动整定控制器参数［３】，极大地改善了系统的控制效果．仿真结果表 明，系统具有较好的稳态精度和动态性能． １ ＰＭＳＭ矢量控制系统的数学模型 在理想的情况下ＰＭＳＭ在ｄ－ｑ坐标系下的数学模型 如下： 电压方程： ｄ＝ ｉｄ＋ｐ｛ｃ厂ｄ一 ｇ， ｇ＝ ｉｑ＋ｐ｛ｆ厂ｑ＋ ｄ． （１） 磁链方程： ＝Ｌｄｉｄ＋ ， ＝ （２） ’通讯作者ｅｍａｉｌ：５５４１３６２５５＠ｑｑ．ｃｏｒｎ．收稿Ｅｔ期：２０１３．１０．０７ 湖南文理学院学报（自然科学版） ２０１３生 转矩和运动方程 Ｔ＝１．５ｎ［￣ｆｉｑ＋（Ｌｄ－Ｌｑ ｉｄｉｑ （３） 对于隐极式ＰＭＳＭ来说，Ｌｄ＝Ｌｑ，则有 ＝１．５ｎ， ，ｉ ．由上述公式可知转矩只与ｇ轴电流有关， 只要调节ｉｑ即可对转矩进行控制． ２模糊自适应ＰＩ控制系统的设计 模糊白适应ＰＩ控制器以误差ｅ和误差变化 率ｃ。为输入量，以ＰＩ参数 、 或其增加量 调整 模糊控制器的输入、 、 ＡＫｉ为输出，利用模糊规则对Ｐｌ参数进行实时的 Ｐ、 与输出 … … 、 一． 图１模糊自适应ＰＩ控制器结构图 ……’…～…… …… 都采用三角形隶属度函数，论域的范围为［一６，６］，在论域上选取７个子集：负大（ＮＢ）、负中（ＮＭ）、负小 （ＮＳ）、零（ｚ）、正小（ＰＳ）、正中（ＰＭ）、正大（ＰＢ）．其隶属度函 数如图２所示． 模糊控制器的输入和输出量都是连续变化的精确值， 第一步要进行离散化，若精确量的实际变化范围为卜 ，ｒ］， 模糊子集的论域范围为［＿ｍ， ］，则输入量的量化因子为 ＝ ＝ｍ／ｒ．文中在仿真中给定的转速ｎ＝ｌ ５００ ｒ／ｍｉｎ，误差 ｅ的量化因子Ｋｅ＝０．０３；误差变化率Ｃ 的量化因子Ｋ＝ｃ ０．０３５；输出△ 的论域为［一０．５，０．５］，ＡＫｉ的论域为［＿－０．２５， ０．２５］． 模糊控制器的核心是模糊控制规则．下面对一个典型 的动态阶跃响应过程分析，从而得出模糊控制规则［５ （图３）． ｙ（ｔ） 在系统刚刚启动的ＯＡ段，存在大的偏差，此时应该让 控制器的输出为最大值，来尽快消除偏差，所以选取较大 的 ，考虑到 也取值较大的话，容易导致ＡＢ段严重的超 图２输入和输出的隶属度函数 调，所以 应取较小值．在ＡＢ段和ＣＤ段，误差绝对值朝 增大的方向变化，此时应用相对较大的 和较小的 来迅 速使误差绝对值朝较小的方向变化，从而使系统快速地恢 复到设定值附近．ＢＣ和ＤＥ段，误差绝对值慢慢变小。 和 可以采取相对较小的值，让控制器保持输出不变． 段以 ０ ｔ 图３典型的阶跃动态响应过程 后，系统的调整趋向平稳，可以采用较大的 和 来使系统具有更好的稳态性能．基于以上分析，可以 得出误差Ｐ和误差变化率ｅｃ与 和 之间的调整关系 刚，建立 、 模糊规则（表１和表２） 表２ Ｃ 已 Ｐ 的模糊规则表 ＮＢ ＮＭ ＮＢ ＰＢ ＰＢ ＮＳ ＰＭ Ｚ０ ＰＭ ＰＳ ＰＳ ＰＭ Ｚ０ ＰＢ Ｚ０ ＮＢ ＮＢ ＮＭ ＮＳ Ｚ０ ＰＳ ＰＭ ＰＢ ＮＭ ＮＢ ＮＢ ＮＭ ＮＳ ＮＳ Ｚ０ ＮＭ ＰＳ ＮＳ ＮＳ Ｚ０ ＰＳ ＰＳ ＰＭ ＰＭ ＰＭ ＺＯ Ｚ０ ＰＳ ＰＭ ＰＭ ＰＢ ＰＭ ＰＢ Ｚ０ Ｚ０ ＰＳ ＰＢ ＰＢ ＰＢ ＰＢ ＮＢ ＮＢ ＮＢ ＮＭ ＮＳ Ｚ０ ＰＳ ＰＭ ＰＢ ＰＢ ＰＭ ＰＭ ＰＳ ＰＳ ＺＯ ＰＢ ＰＭ ＰＭ ＰＳ Ｚ０ Ｚ０ ＰＳ ＰＭ ＰＳ Ｚ０ ＮＳ ＰＳ ＰＭ Ｚ０ ＮＳ ＮＳ ＰＳ ＺＯ ＮＳ ＮＳ ＮＳ ＮＭ Ｚ０ ＮＳ ＮＭ ＮＭ ＮＳ ＮＢ ＮＳ ＮＳ ＮＭ ＮＭ ＮＢ ＮＢ ＮＭ ＮＭ ＮＳ ＮＳ Ｚ０ ＰＳ ＰＳ ＮＳ ＺＯ ＰＳ ＰＳ ＰＭ ＮＭ ＮＭ ＮＭ Ｚ０ ＺＯ ＮＳ Ｚ０ Ｚ０ ＮＭ ＮＭ 第４期 孙延军，等：模糊ＰＩ参数自适应永磁同步电机矢量控制系统的研究 ５５ ３仿真模型搭建 图４为转速环模糊ＰＩ自适应控制器的仿真模型，对普通双闭环控制系统中的速度环进行了改进和 优化． ａｄｄ １ Ｐｒｏｄｕｃｔ １ Ｉｎｔｅｇｒａｔｏｒ 图４转速环模糊自适应控制器的仿真模型 图５为整个系统的仿真结构图．用基于模糊自适应的转速环控制器代替普通的ＰＩ环，以速度的误 差和误差变化率为输入，以ＰＩ参数或其增量为输出，利用模糊规则在线对Ｐｌ参数进行调整，以实现ＰＩ 参数随控制对象参数变化的最佳调整． 图５模糊自适应ＰＩ矢量控制系统的仿真模型 ５６ 湖南文理学院学报（自然科学版） ２０１３生 ４仿真结果及分析 ｌ １ １ Ｉ ＰＭＳＭ的参数设置为：咫＝２．８７５ Ｑ、Ｌｄ＝Ｌ ＝０．００８ ５ Ｈ、 ＝０．１７１ Ｗｂ、 ＝０．００１ ４７ ｋｇ・ｍ ，极对数 ８ ６ ４ ２ 为２，电压逆变器直流侧给定电压３００ ＰＩ控制中速度环的Ｐ＝１０．３，Ｉ＝２．４５，仿真时间为０．０８ Ｓ．图６ 为转速在１ ５００ ｒ／ｍｉｎ时２种控制方式的转矩响应图．经过对比分析可知，转矩响应曲线在转速达到稳定 后，ＰＩ控制转矩震荡较为强烈，所以ＰＩ控制转速在启动阶段发生多次震荡，延长了启动时间，而模糊自 适应ＰＩ控制的转矩则基本没有波动，并且在Ｏ．０４ Ｓ突然加入６ Ｎ・ｍ的转矩后，转矩也能迅速调整到负 载附近．通过对比充分说明模糊自适应ＰＩ控制有较强的抗扰性能． 冒 言 一『＿ＩＩ一目－Ｊ 一）／ 毒毒 仿真时间／ｓ 仿真时间／ｓ （ａ）模糊自适应ＰＩ转矩响应曲线 （ｂ）ＰＩ转矩响应曲线 图６模糊自适应ＰＩ与ＰＩ控制下转矩响应曲线． １－２ ．、 Ｉ１．Ｏ 口 雪 旦 Ｏ．８ ０ Ｏ．０２ Ｏ．０４ ０．０６ ０．０８ ０ ０．０２ ０．０４ ０．０６ ０．０８ 仿真时间／ｓ 仿真时间／ｓ （ａ）１ ５００ ｒ／ｍｉｎ时的速度响应曲线图 （ｂ）１ ０００ ｒ／ｍｉｎ时的速度响应曲线图 图７模糊自适应ＰＩ与ＰＩ控制下速度响应曲线对比 由图７可知，在２种不同的情况下，采用模糊自适应ＰＩ控制都要比ＰＩ控制时响应速度更快，而且 几乎没有超调．分析图７（ａ）和图７（ｂ）可知，在启动阶段ＰＩ控制要经过明显震荡才能达到稳态，调节时间 较长，而模糊自适应ＰＩ控制则可迅速稳定在给定值．在０．０４ Ｓ加入负载时，模糊自适应ＰＩ控制的转速 几乎无跌落，且恢复的时间明显要比ＰＩ控制时的恢复时间短．由此说明，模糊自适应ＰＩ控制系统具有 更好的控制效果［７】＿ ５结语 通过深入分析ＰＭＳＭ的数学模型与调速原理，将普通ＰＩ控制用模糊ＰＩ参数自整定控制策略来代 替并应用于ＰＭＳＭ控制系统［引．在设计参数合适的条件下，模糊控制器能够根据系统的实际情况实现 对速度控制器ＰＩ的最佳整定．仿真结果表明，该方法具有较好的响应速度和鲁棒性，在动静态性能方 面都比常规ＰＩ控制方法更加优越． （下转第７３页） 第４期 王兴平，等：分子生物学课程研究性教学改革初探 ７３ 创新性和应用性，有利于培养学生发现问题、分析问题和解决问题的能力，有利于培养学生的创新意识 和应用意识，可大幅度提升应用型人才的专业素质，为今后从事生物科学相关领域的工作奠定良好的 基础． 参考文献： 【１】 朱玉贤，李毅，郑晓峰．现代分子生物学［Ｍ】．３版．北京：高等教育出版社，２００７． ［２］ 罗仍卓么，王兴平，李峰，等．地方本科院校《分子生物学》教学改革探讨［Ｊ］Ｉ湖南文理学院学报：自然科学版，２０１２， ２４（４）：７３—７５． 【３】 杨东英，郑世英，焦传珍，等．分子生物学理论教学改革的探索［Ｊ］．科技信息（科学教研），２００７（２７）：３２７． ［４］ 李红梅，周波，许风．多媒体教学软件建设和在课堂教学应用实践中的思考［Ｊ］，中国医学教育技术，２００６，２０（２）： １３１—１３２． ［５］ 欧阳乐军，袁长春，黄真池，等．北方高师院校生物化学与分子生物学课程教学整合浅谈［Ｊ］．当代教育理论与实践， ２０１ｌ，３（９）：７６—７７． ［６】 赵新民，夏莉，徐玲，等．分子生物学教学动画网络资源的利用［Ｊ】．广东化工，２０１１，３８（２１９）：１９６—１９７． （责任编校：谭长贵） （上接第５２页） 进一步分析可知，Ｙ／Ｙ－２与△／△．２、Ｙ厂Ｙ＿４与△／△．４、Ｙ／Ｙ－６与△／△一６、Ｙ／Ｙ－８与△／△．８、Ｙ／Ｙ－１０ 与△／△．１０各自并联运行时，其对应的付边线电势都各自同相位． ３结论 由以上分析可以得出如下结论．在满足变压器并联运行的前两个条件的基础上，①Ｙ／△联接与 △ 联接的两变压器，只要它们的标号（奇数）相同，则可并联运行；②Ｙ 联接与△／△联接的两变压 器，只要它们的标号（偶数）相同，则可并联运行．这样拓宽了变压器并联运行的范围．把以上结论在实 验室进行验证，用示波器观察出两并联变压器付边线电势的波形，完全是同相位的．另外，还把 Ｙ／△一１１联接与Ａ／Ｙ－１１联接的两台变压器并联运行实际用于我地青峰变电所，近两年一直运行良好． 参考文献： ［１】 ＧＢ／Ｔ１７４６８．２００８．电力变压器选用导则［Ｓ］． ［２］ 顾绳谷．电机及拖动基础［Ｍ］．北京：机械工业出版社，２０１０：７６—８０ （责任编校：毅） （上接第５６页） 参考文献： ［１】 刘金琨．先进ＰＩＤ控制及其ＭＡＴＬＡＢ仿真［Ｍ］．北京：电子工业出版社，２００３：１ ｌ５—１２９． 【２】 陶永华．新型ＰＩＤ控制及其应用【Ｍ］．北京：机械工业出版社，２００２：１１７一ｌ１９． ［３］ 张国良，曾静，柯熙政，等．模糊控制及其ＭＡＴＬＡＢ应用［Ｍ】．西安：西安交通大学出版社，２００２：６９—８４． ［４］ 唐任远．现代永磁电机理论与设计［Ｍ］．北京：机械工业出版社，２００２：３０Ｌ＿＿４８． ［５】 Ｙａｎｇｐｉｎｇ Ｌｉｕ，Ｓｈｕｈｏｎｇ Ｌｉｕ，Ｈｕａ ｊｕｎ Ｗａｎｇ．ＤＳＰ ｃｏｎｔｒｏｌ ｉｍｐｌｅｍｅｎｔ ｏｆ Ｐｅｒｍａｎｅｎｔ Ｍａｇｎｅｔ Ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ ＡＣ ｓｅｒｖｏ ｍｏｔｏｒ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｖｅｃｔｏｒ ｃｏｎｔｒｏｌ［Ｃ］．Ｔｈｅ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ Ｍｅｃｈａｔｒｏｎｉｃｓ ｎａｄ Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ．２００９：８６６＿一８７Ｏ． ［６］ Ｂｏｌｏｇｎａｎｉ Ｓ，Ｚｉｇｌｉｏｔｔｏ Ｍ．Ｆｕｚｚｙ Ｌｏｇｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｆａ Ｓｗｉｔｃｈｅｄ Ｒｅｌｕｃｔｎａｃｅ Ｍｏｔｏｒ Ｄｒｉｖｅ［Ｊ］．ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ Ｉｎｄｕｓｔｒｙ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ，１ ９９６，３２（５）：１ ０６３－－１ ０６８． 【７］ 纪志成，薛花，沈艳霞．基于Ｍａｔｌａｂ交流异步电机矢量控制系统的仿真建模［Ｊ］．系统仿真学报，２００４，１６（３）：３８４— ３８９ ［８】 洪乃刚．电力电子和电力拖动系统的ＭＡＴＬＡ仿真［Ｍ】．北京：机械工业出版社，２００６：１５Ｏ一１８０． （责任编校：毅）
