无刷双馈电机专家自适应PID控制系统仿真

第31卷

2003

年12月

华南理工大学学报(自然科学版)

JournalofSouthChinaUniversityofTechnology

Vol.31　No.12December　2003

文章编号:10002565X(2003)1220037205

无刷双馈电机专家自适应PID控制系统仿真3

陈志伟　杨向宇　申辉阳

(华南理工大学电力学院,广东广州510640)

摘　要:研究了专家自适应PID控制器在无刷双馈电机调速系统中的应用,并利用

MATLAB/Simulink工具建立了控制系统的仿真模型,在起动和稳态情况下进行仿真实验.结果表明,与开环状态相比,该控制器大大提高了无刷双馈电机调速系统的静态和动态性能,使得电机在转速或者负载发生改变时的超调量减小,且转速更快重新趋于稳定,是一种控制思想简单、硬件实现方便的闭环控制调节方案.关键词:无刷双馈电机;自适应控制;专家系统;PID中图分类号:TM303.1　　　　文献标识码:A

无刷双馈电机(BD)、.的电机进行调速,特别适合于大功率的风机和泵类负载的调速,是一种很有发展前途的中压节能调速系统[1],因此越来越受到国内外学者的关注.

由于无刷双馈电机理论近年来才得以发展,因此目前对无刷双馈电机的研究大多只是针对电机本体,很少涉及电机的闭环控制.随着无刷双馈电机动态数学模型[2]、双轴坐标模型[3]和混合坐标模型[4]的建立,开始有学者对无刷双馈电机进行动态仿真,但在开环状态下,无刷双馈电机调速系统的静态和动态性能无法满足运行要求.于是,不少用于感应电机的控制策略经过改造之后被应用于无刷双馈电机,如直接转矩控制[5]和转子磁场定向控制[6]等.但由于无刷双馈电机本身的特点,即控制绕组可控,而功率绕组不可控,使得其控制策略和方法与传统的感应电机有所不同.从目前的研究来看,上述的闭环控制方案都存在算法复杂,计算量大,实际应用难度大、成本高,或实际应用时效果不理想、实时控制

　收稿日期:2003206216

3基金项目:广东省自然科学基金资助项目(31384);湖南省自然科学基金资助项目(01JJY2047);华南理工大学高水平大学建设项目(B052318)

　作者简介:陈志伟(1978-),男,硕士生,主要从事电力电子与电力传动研究.

.针对这种情况,本研究中,笔者将算

法及实现方法相对简单很多的专家自适应PID控制应用于无刷双馈电机调速系统的控制,并对系统进行仿真研究,取得了很好的控制效果.

1　专家自适应PID控制简介

PID控制是最早发展起来的控制策略之一,由

于其算法简单、鲁棒性好和可靠性高而被广泛应用[7].在控制理论和技术飞速发展的今天,PID控制器由于具有结构简单、稳定性强和调整方便等优点,在工业生产过程控制系统中仍是应用最广泛的一种控制器.PID控制中的一个关键问题是PID参数的整定.传统的方法是在获取对象数学模型的基础上,根据某一整定原则来确定PID参数.但在实际的工业生产过程控制中,许多被控过程机理较复杂,具有高度非线性、时变不确定性和纯滞后等特点,在噪声、负载扰动等因素的影响下,过程参数甚至模型结构均会发生变化.这就要求在PID控制中,不仅PID参数的整定不依赖于对象数学模型,并且PID参数能在线调整,以满足实时控制的要求.自适应PID控制就是解决这一问题的有效途径.

自适应PID控制器集中了自适应控制器与常规PID控制器的优点.首先,它是自适应控制器,也就是说它有自动辨识被控过程参数、自动整定控制参数和能够适应被控过程参数的变化等一系列优点;其次,它又具有常规PID控制器结构简单、可靠

　38华南理工大学学报(自然科学版)第31卷　

性高、为现场工作人员和设计工程师所熟悉的优点.

对于复杂的自动控制系统,因在运行过程中出现的问题常具有不确定性、模糊性和不完全性,采用普通的自适应PID控制往往难以达到令人满意的控制效果,于是又出现了一种新的控制方式———专家自适应PID控制,它利用专家系统基于受控对象和控制规律的各种知识,并以智能的方式来应用这些知识,使受控系统尽可能地优化和实用化.

在无刷双馈电机调速系统中,功率绕组的电压uqp和udp的频率及大小不变,因此对该系统的控制只能通过调节控制绕组的电压uqc和udc的频率及

大小来实现.电机转速波动主要出现在以下3种情况:一是电机起动的时候,二是负载转矩扰动的时候,三是控制绕组给定电压的频率跃变的时候.在上述3种情况下,固定参数的PID控制器无法满足系统的动态控制要求;且在不同的运行情况下,PID参数随电机工作状态的变化具有不确定性和模糊性.因此,引入带有专家知识库的自适应PID控制器对无刷双馈电机调速系统进行控制.

2　无刷双馈电机双轴坐标模型

BDFM在转子旋转d2q坐标系中的电压方程

在早期的研究中已经获得[3],其数学表达式如下:

uqd=Riqd+Giqd+Lpiqd

(1)

T

3　无刷双馈电机专家自适应PID控

式中,

uqd=[uqp　udp　uqc　udc　0　0],iqd=[iqp　idp　iqc　idc　iqr　idr],

Rp

T

制器的设计

,其控制对象都

,或者是简单的多输入多输,而无刷双馈电机调速系统要比这些系统复杂得多,因此一般的专家自适应PID控制器不适用于无刷双馈电机调速系统,必须加以改进.

0Rc

Rc

00

Rr

0000

RMp

,

R=

0000

Lsp

00000

Lsp

00000

Lsc

00000

Mp

L=

0-Mc0

Lr

00

Mp

000

Mp

Mc

0-Mc0000-PcLsc

00

Lsc

,

图1　无刷双馈电机专家自适应PID控制器的原理

Fig.1　Principleofexpertself2adaptivePIDcontroller

ofBDFM

Mc

L0

G=ωr

000

0-PpLsp

000

PpLspPpMp

00000

-PpMp

PcMc

PcMc

图1所示为无刷双馈电机专家自适应PID控制器的原理框图.其中,Uc3为给定的控制绕组电压

.

PcLsc

000

000

(2)

幅值,Uc和fc分别为控制绕组的电压幅值和频率,TL为负载转矩,

3

e(t)=ωr(t)-ω

00

(3)

电磁转矩为

Te=PpMp(iqpidr-idpiqr)+PcMc(iqcidr+idciqr)

ΔUc(t)=KPe(t)+

tI

t

e(t)dt+

()dt

(4)

上述各式中:下标p,c和r分别代表功率绕组、控制绕组和转子绕组;Rp,Rc和Rr分别为功率绕组、控制绕组及转子绕组的电阻;Lsp,Lsc和Lr分别为功率绕组、控制绕组及转子绕组的电感;Mp和Mc分别为功率绕组、控制绕组与转子绕组间的互感;ωr为转子机械角速度;p为微分算子;Pp和Pc分别为功率绕组和控制绕组极对数;u和i分别为瞬时电压和电流.

或将式(4)写成传递函数的形式:

G(s)=

+tDs=KP+=KP1++KDstIsE(s)s

(5)

式中,

ω3为转速给定值,ΔUc(t)为控制绕组电压幅

值偏差,KP为比例系数,KI为积分系数,KD为微分系数,tI为积分时间(常数),tD为微分时间(常

　第12期陈志伟等:无刷双馈电机专家自适应PID控制系统仿真　39

数).　　专家知识库、数据库和逻辑推理机3部分模块一起组成了专家系统.由于电机在工作状态发生变化时,其P,I,D参数也将随之发生变化,因此其中的专家知识库模块储存了一部通过大量仿真实验得到的PID参数选择手册,这部手册记载了各种工况下的无刷双馈电机特性所对应的P,I,D参数.当无刷双馈电机调速系统工作状态发生变化(如处于起动状态,或者负载转矩、控制电压的频率发生变化)时,控制系统调用专家系统模块,对PID控制器进行参数自适应整定.在这个过程中,专家系统首先通过数据库模块对无刷双馈电机的输入与输出信号

(控制绕组电压的大小和频率、负载转矩等)进行分

图2为控制系统仿真程序框图.由图2可知,本

研究中所设计的无刷双馈电机专家自适应PID控制系统,在电机工作状态不发生变化的情况下,工作于常规PID控制状态,只有当电机的工作状态发生变化、转速产生动态响应的时候,才启用专家系统对

PID参数进行自适应整定.当参数整定完成之后,又

回到常规PID控制状态.在电机的工作状态发生再一次变化之前,其PID参数将保持不变.

4　仿真实例

本研究中利用MATLAB/Simulink对专家自适应PID控制的无刷双馈电机调速系统进行仿真研究,其中专家控制系统主要通过调用Simulink中的..Ω,Pp=3,:0.=.Ω,Rr=1.57m

p50Hz,fc=10Hz,Lsp=80mH,

Lsc=630mH,Lr

=0.04mH,Mp=0.89mH,Mc=

析,判断系统处于何种工作状态,其输入量发生了何种变化,然后将在线测量的这些特征参数送入专家知识库模块,在控制系统的管理及协调下,逻辑推理机模块运用知识库中的知识,,,(4),可以Uc,由此便可得到所需要的控制绕组电压幅值:

3

Uc=Uc+ΔUc

(6)

4.3mH,TL=15N m.仿真结果如图3～5所示.

逆变器根据

Uc的值输出所需的三相控制绕组电

压.在控制绕组电压调节过程中,转速扰动逐渐减少,这时ΔUc的值趋于零,控制绕组电压也趋于Uc3.

图3　无刷双馈电机空载起动时的转速波形

Fig.3　RotatingspeedwavesofBDFMunderthecondi2

tionofstartupwiththeloadtorqueof0N

m

图2　仿真程序框图

Fig.2　Blockdiagramofsimulationprogram

由图3～5可知,采用专家自适应PID控制系统进行闭环控制后,无刷双馈电机调速系统的动态性能有了明显改善.以图4所示情况为例,当控制绕

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图4　无刷双馈电机给定跃变速度时的转速波形

Fig.4　RotatingspeedwavesofBDFMwithacertainstepspeedresponse

控制绕组电压频率由10Hz下降到6

Hz

图5　负载转矩变化时的电磁转矩和转速波形

Fig.5　Electromagnetismtorqueandrotatingspeedwaveswiththevariationofloadtorque

负载转矩由15N m下降到5N m

C电压的频率由10Hz下降到6Hz时,在专家自适

应PID控制系统的控制下,PID参数随即进行自适应整定(此时P,I,D参数的值根据专家知识库模块中的PID参数选择手册进行相应的选择并进行调整).与开环状态相比,转速波动的超调量减少了五分之四左右,波动时间也由两秒多缩短为不到一秒.

仿真.仿真结果表明,对无刷双馈电机调速系统实行的专家自适应PID控制是一种较好的控制方法,其动态性能优良,能使电机在转速或负载改变时,尽量地减小超调,并使电机转速很快重新趋于稳定.由于此控制系统只在电机工作状态改变的瞬间才调用专家系统对PID参数进行自适应整定,其他时间则工作于常规PID工作状态下,因此可对电机进行实时控制.该专家自适应PID控制策略简单,硬件实现方便,对象的模型要求也不是很高,可在不同原因引起的扰动下正常工作,是一种很有前途的闭环控制方案.

5　结束语

利用MATLAB/Simulink可对无刷双馈电机专家自适应PID控制系统进行更加精确、直观、高效的

第12期陈志伟等:无刷双馈电机专家自适应PID控制系统仿真　41

参考文献:

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[J].电气传动,1999,29(1):3-6.

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[3]　LiRuqi,WallaceA.Two2axismodeldevelopmentofcage2

制策略的研究[J].电工技术学报,2002,17(2):34-39.

[7]　陶永华.新型PID控制及其应用[M].北京:机械工业

出版社,2002.

SimulationofExpertSelf2adaptivePIDControlSystemfor

BrushlessDoubly2fedMachine

ChenZhi2wei　Yang2Hui(CollegeofElectrichUof,China)

Abstract:The2ativePIDcontrollerinBrushlessDoubly2FedMachines(BDFM)foraspdrivewaspresented,thesimulationmodelofthecontrolsystembasedonMATLAB/Simulinkwasalsoestablished,thenthesimulationexperimentsundertheconditionsofstart2upandsteady2statewerecarriedout.Theresultsshowthat,comparingwithopen2loopcondition,thestaticanddynamicperformancesofthesystemareimprovedgreatlybyusingthecontroller,andtheovershootofthemachinedecreaseswhentherotatingspeedortheloadchanges.Theschemeproposedhereisasimpleandconvenientclosed2loopcontrolstrategyforBDFMdrive.

Keywords:BrushlessDoubly2fedMachine;self2adaptivecontrol;expertsystem;PIDcontrol

责任编辑:傅晓琴

　(上接第36页)

AQuickIntelligentAlgorithmforExaminationPaperGeneration

XiongYun2hui　XiaoRen2yue　TianXiang

(DepartmentofAppliedMathematics,SouthChinaUniv.ofTech.,Guangzhou510640,China)

Abstract:Accordingtothedemandoftheexaminer,relevantinformationwascollectedfortheitembankaccordingtothebasiccontentsoflearning.Thus,auniquemethodofcollectingtestingresourcesandtheconceptofitemriskwereproposed.Firstly,wefoundanindexthathadtheminimumresourcerelativetothedemandofexaminer.Then,wesearchedforalltheitemsfromtheitembankthatsatisfiedtheindex,andchoseaminiriskitem.Werepeateddoingthistilltheexaminerwasmet.Thealgorithmshowedgoodperformanceinspeedandquality,andprovideagoodmethodforthelargescalenet2exami2nations.

Keywords:intelligentgenerationpaper;resourceofitembank;riskofitem;net2examination

责任编辑:李　嘉

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/foyj.html