引言

隨著計算機控制技術、電力電子技術的飛速發(fā)展，交流變頻調速技術正以其優(yōu)異的控制性能日益為工業(yè)界接受，可編程控制器作為一種可靠性的工業(yè)PC，也正以前所未有的速度在工業(yè)自動化領域迅速普及。在我國傳統(tǒng)的鋼鐵冶金、交通運輸、機械化工等各產(chǎn)業(yè)中，存在著大量的以繼電器、接觸器和直流調速為主的電氣傳動系統(tǒng)，這些系統(tǒng)存在硬件線路復雜、可靠性低、能耗大、生產(chǎn)維修量大等許多缺點，因此如何將PLC與交流變頻調速技術相結合，對傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)進行改造，是企業(yè)界正著力解決的問題。本文就某電機智能測控系統(tǒng)的PLC控制交流變頻調速系統(tǒng)進行詳細介紹。

模糊自校正PI控制器的設計

控制器設計的理論依據(jù)

在起動和負載變化階段，控制系統(tǒng)的反應較慢。而模糊控制將專家的知識及現(xiàn)場操作人員的經(jīng)驗轉化為控制策略，使模型難以確定的復雜系統(tǒng)得以有效的控制。在對象參數(shù)發(fā)生變化或受到外部擾動時，模糊控制仍能達到較為滿意的控制效果。因而與傳統(tǒng)的控制方案相比，模糊控制具有較強的魯棒性。但是模糊控制無法從根本上消除穩(wěn)態(tài)誤差，控制精度較低。而比例積分控制(PI)能夠消除穩(wěn)態(tài)誤差，將模糊控制技術和傳統(tǒng)的PI控制相結合，能夠有效地解決模糊控制存在穩(wěn)態(tài)誤差的缺陷。目前較為廣泛的是模糊控制與PI控制的串聯(lián)或者模糊控制與PI控制相并聯(lián)。但是參數(shù)固定的PI控制又一定程度上給系統(tǒng)帶來了動態(tài)與穩(wěn)態(tài)之間的矛盾，模糊控制的優(yōu)勢沒有得到完全體現(xiàn)。本文提出的模糊自校正控制器使PI調節(jié)器參數(shù)跟隨系統(tǒng)誤差變化而動態(tài)變化，從而具備了模糊控制較強魯棒性和PI控制削弱穩(wěn)態(tài)誤差的功能。

模糊控制原理及其應用

該模糊控制輸入信號為速度偏差e和速度偏差變化率△e，輸出信號為控制信號。變量的模糊子集為{正大，正中，正小，零，負小，負中，負大}，相應的語言變量設定為{PL，PM，PS，ZO，NS，NM，NL}。

首先，把速度偏差及偏差變化率的實際范圍作為輸入論域，輸出控制量的允許變化范圍作為輸出論域，而在論域中的元素隸屬于某個語言變量值的隸屬度用隸屬函數(shù)表示，論域兩端的隸屬函數(shù)取半三角形的形狀，其余則取三角形的形狀。其次，在模糊化過程中取輸入變量的實時值，即求速度偏差及偏差變化率的實時值。第三步是把輸入變量的實時值和已定義的隸屬函數(shù)進行比較組合，求出相應的模糊輸入量。有了上面三個步驟后，再采用MAX-MIN推理合成算法進行模糊推理，并產(chǎn)生模糊輸出結果。最后，將模糊輸出結果清晰化，并采用PWM方式實現(xiàn)輸出控制，在周期一定的條件下調節(jié)占空比，而占空比的實時值由模糊控制規(guī)則自動調節(jié)。

控制器的參數(shù)校正

模糊自校正控制器是由模糊控制器、PI調節(jié)器、參數(shù)整定環(huán)節(jié)和估測器四個基本部分組成。模糊控制器和PI調節(jié)器根據(jù)校正的參數(shù)對過程對象進行控制，參數(shù)整定環(huán)節(jié)根據(jù)系統(tǒng)誤差的動態(tài)變化對PI調節(jié)器進行參數(shù)校正。該模糊自校正控制系統(tǒng)的運行過程就是模糊自校正控制器不斷采樣、校正，直至系統(tǒng)達到并保持期望的控制性能指標。

PI調節(jié)器的參數(shù)校正原則：在控制的起始階段取較小的PI調節(jié)器校正參數(shù)；當模糊控制達到基本穩(wěn)定時，根據(jù)系統(tǒng)誤差逐漸增大PI調節(jié)器的校正參數(shù)，以獲得平穩(wěn)的上升并消除誤差；當整個系統(tǒng)已基本穩(wěn)定時，則根據(jù)系統(tǒng)要求和誤差適當減小PI調節(jié)器的校正參數(shù)。

變頻調速系統(tǒng)的組成及主程序框圖

變頻調速系統(tǒng)框圖如圖1所示。本系統(tǒng)采用三菱公司的FX2NPLC作為速度調節(jié)器，它把給定信號與編碼器輸出脈沖信號的量化值進行比較，獲得誤差e，通過具有參數(shù)自整定的PID算法，得到所需調節(jié)值，將此值送入D/A轉換變?yōu)槟M信號，再送至變頻器的模擬電壓輸入端，控制變頻器頻率，從而控制電機的轉速。

系統(tǒng)的主程序框圖如圖2所示。為了使電機穩(wěn)定性好，響應速度快，必須正確選擇系統(tǒng)的比例、積分、微分等參數(shù)。本系統(tǒng)利用PLC的高速運算及判斷能力，由PID算法子程序計算出控制量UR，對擾動作出動態(tài)調節(jié)，使得穩(wěn)態(tài)誤差最小。

實驗結果及結論

在該電機控制系統(tǒng)調試過程中，對11kW/15kW直流電動機-交流發(fā)電機機組進行啟動實驗，給定速度為1500轉/分鐘，系統(tǒng)能很快跟蹤給定速度，反應性能良好。在突加負載的情況下，系統(tǒng)能快速自動調節(jié)，恢復時間約為0.6s，其轉速特性曲線如圖3所示。

本系統(tǒng)充分利用了變頻器的多種控制功能，用編碼器精確測速，控制算法采用了參數(shù)自整定PID算法，實現(xiàn)了精確的變頻調速閉環(huán)控制。實驗數(shù)據(jù)表明，該系統(tǒng)能對電機轉速實現(xiàn)精確控制，實用性強，具有一定的推廣價值。