單相串激電機(jī)轉(zhuǎn)速的新型控制系統(tǒng)
朱蓉蓉 崔 巍 張文修 (西安理工大學(xué)710048)
張 欣 駱 勇 (86509部隊技術(shù)部)
1引言
某生產(chǎn)機(jī)械需要將溶液邊加熱邊攪拌，一次加工周期為數(shù)小時，要求轉(zhuǎn)速在200～1 200r/min范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)，在一個周期內(nèi)速度變化希望按圖1所示曲線進(jìn)行，轉(zhuǎn)速穩(wěn)態(tài)誤差不大于給定值的百分之5。
原采用d-40-ii型電動攪拌機(jī)，存在問題是，①要實現(xiàn)圖1所示速度曲線必須用人工手動操作進(jìn)行加減速控制。②在達(dá)到了連續(xù)工作的穩(wěn)定速度以后，速度卻經(jīng)常波動，有時會自動停下來，有時又會“飛車”，超過****容許速度將溶液攪灑。無法保證加工質(zhì)量，并大大增加了操作人員勞動強(qiáng)度。究其原因是這種攪伴機(jī)采用的是單機(jī)串激式電動機(jī)、串聯(lián)可變電抗的開環(huán)調(diào)速方式，串激電機(jī)在調(diào)壓調(diào)速時的機(jī)械特性如圖2所示。
機(jī)械特性很軟，速度很容易受負(fù)載變化（加熱后溶液粘度的變化等）、電源電壓波動等的影響，因此要實現(xiàn)穩(wěn)定的調(diào)速，這種電機(jī)采用開環(huán)的調(diào)速方式幾乎是不可能的，必須采用反饋控制。因這種電機(jī)轉(zhuǎn)矩電流與激磁電流是同一個，而磁通與電流的關(guān)系還經(jīng)常進(jìn)入非線性區(qū)，再加上溶液與溫度的關(guān)系籌使系統(tǒng)存在多種非線性與時變的特點，因此采用以經(jīng)典控制理論為基礎(chǔ)的pid控制方式很難獲得好的效果。以狀態(tài)變量描述為基礎(chǔ)的現(xiàn)代控制理可以解決非線性、時變等問題，但由于控制對象——串激電機(jī)及溶液攪拌器的控制過程變量多，各變量之間還有交叉耦合、非線性的存在，很難找到精確的數(shù)學(xué)模型，因此以控制對象的數(shù)學(xué)模型以及給定的性能指標(biāo)為基礎(chǔ)去選擇適當(dāng)?shù)目刂埔?guī)律這一套經(jīng)典控制理論或現(xiàn)代控制理論設(shè)計控制系統(tǒng)的過程同樣無法實現(xiàn)。而屬于智能控制范疇的模糊控制則比較適合這種系統(tǒng)，它本身是一種非線性控制，且并不一定要求控制對象精確的數(shù)學(xué)模型，對于一些對控制精度和快速性要求都不太高的場合，模糊控制是合適的。
2 串激電動機(jī)轉(zhuǎn)速模糊控制原理
模糊控制同樣是遵循反饋控制思想的，它的控制規(guī)則可以用語言加以描述，由一系列帶有模糊性的條件語句組成，例如對控制對象的狀態(tài)是否符合預(yù)期效果，可以用是否“有偏差”、“偏差大”、“偏差小”、“正偏差”、“負(fù)偏差”等模糊語言描述，根據(jù)這些模糊量化了的偏差值，由作用相似于人的大腦的模糊控制器進(jìn)行決策，輸．出一個適當(dāng)?shù)哪：刂屏咳ゼm正控制對象出現(xiàn)的偏差。這種控制屬于計算機(jī)數(shù)字控制的一種形式，模糊控制器實際上是一臺微型計算機(jī)。
串激電機(jī)轉(zhuǎn)速的模糊控制，采用二維的單輸入單輸出的模糊控制器，輸入為轉(zhuǎn)速的誤差及轉(zhuǎn)速誤差的變化率，輸出變量調(diào)節(jié)串激電機(jī)的電壓，一步模糊控制的算法過程是，微機(jī)中斷采用獲取電機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)速變化率，將轉(zhuǎn)速與給定值進(jìn)行比較，得到轉(zhuǎn)速誤差e及轉(zhuǎn)速變化率ce，這兩個量作為模糊控制器的輸入量，經(jīng)模糊量化后變成可用模糊語言表示的模糊量，再由模糊控制關(guān)系（規(guī)則）根據(jù)推理合成，進(jìn)行模糊決策，得到模糊控制輸出變量u，最后將u轉(zhuǎn)換成精確量，經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換后交成模擬量電壓“去調(diào)節(jié)串激電機(jī)的電壓，以減少轉(zhuǎn)速誤差，這就完成了對串激電機(jī)轉(zhuǎn)速的一步模糊控制，然后中斷等待第二次采樣、進(jìn)行第二步控制……，這樣循環(huán)下去，直至消除轉(zhuǎn)速的偏差。
其原理控制框圖如圖3所示。
在本系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)速偏差輸入變量e，轉(zhuǎn)速偏差變化率輸入變量ce及輸出控制變量y的語言值的模糊子集為：
轉(zhuǎn)速偏差e的論域為x、轉(zhuǎn)速偏差變化率ce的論域為x，輸出控制量y的論域為，并將其大小量化為5個等級，分別為：
-3, -1, 0， +1， +3
選擇語言變量的隸屬函數(shù)曲線為矩形分布，如圖4所示。
根據(jù)模糊控制規(guī)則進(jìn)行決策，將控制關(guān)系表格化，即為模糊控制狀態(tài)表（見表1）。
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