摘要：為了提高多電機傳動系統(tǒng)的動態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)性能，滿足一些特定系統(tǒng)對多電機控制的同步要求，多電機協(xié)調(diào)同步控制方法的研究變得越來越重要。本文設(shè)計了一種基于模糊矢量控制的多電機同步控制方案。方案中使用西門子變頻器的矢量控制功能對交流電機進行變頻調(diào)速，在西門子PLC中實現(xiàn)了參數(shù)自調(diào)整的模糊控制。并通過Matlab進行系統(tǒng)設(shè)計的仿真驗證和分析。

關(guān)鍵詞：多電機協(xié)調(diào)同步控制，模糊控制；PLC；變頻器 

1 引言

     隨著近年來傳動系統(tǒng)的發(fā)展，多電機傳動系統(tǒng)已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用于各種領(lǐng)域。為了提高多電機傳動系統(tǒng)的動態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)性能，滿足一些特定系統(tǒng)對多電機控制的同步要求，多電機協(xié)調(diào)同步控制方法的研究變得越來越重要。針對交流電機的數(shù)學(xué)模型是一個高階、非線性、強耦合的多變量系統(tǒng)，以及矢量控制的不完全解耦性等缺點，本文引入了智能控制中的模糊控制技術(shù)，選用參數(shù)自調(diào)整模糊控制器，設(shè)計了一種基于模糊矢量控制的多電機同步控制方案從而提高系統(tǒng)的動態(tài)性能。方案中使用西門子變頻器的矢量控制功能對交流電機進行變頻調(diào)速，在西門子PLC中實現(xiàn)了參數(shù)自調(diào)整的模糊控制。并通過Matlab進行系統(tǒng)設(shè)計的仿真驗證和分析。

2 多電機同步控制系統(tǒng)概述

     在現(xiàn)代應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計開發(fā)過程中，充分利用計算機仿真、實驗技術(shù)，對于系統(tǒng)設(shè)計開發(fā)過程中合理選擇系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、優(yōu)化系統(tǒng)參數(shù)、檢驗控制方法，提高系統(tǒng)設(shè)計與開發(fā)效率有著極其重要的作用。本文依據(jù)已提出的矢量變頻調(diào)速與合成誤差補償主從串聯(lián)控制方案構(gòu)建了主從軸協(xié)調(diào)控制實驗系統(tǒng)，為實際應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計積累經(jīng)驗與資料，硬件結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。由于可編程控制器(PLC)具有硬件簡單、編程方便、抗干擾性強等有點，現(xiàn)已廣泛的應(yīng)用與交流電機控制系統(tǒng)中，本章介紹的矢量控制是以PLC作為控制核心的控制系統(tǒng)。

     多電機同步控制系統(tǒng)的正常運行對電氣傳動控制系統(tǒng)的要求基本有以下幾點：

     (1) 傳動系統(tǒng)要有一定的穩(wěn)定精度和快速動態(tài)響應(yīng)。其中穩(wěn)態(tài)精度±0.01~0.02%，動態(tài)精度±0.05~0.5%，同步動態(tài)精度為±0.05~0.45%；

     (2) 工作速度要有較寬、均勻的調(diào)節(jié)范圍。調(diào)節(jié)范圍為之間；

     (3) 具有負(fù)荷動態(tài)調(diào)整的功能，以免造成負(fù)荷動態(tài)轉(zhuǎn)移而引起的過流或過壓；

     (4) 具有良好的接口能力。

3工業(yè)控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計

3.1 變頻PLC控制系統(tǒng)

     在工業(yè)自動化控制系統(tǒng)中，最常見的是變頻器和PLC的組合應(yīng)用，并且產(chǎn)生了多種多樣的PLC控制變頻器的方法，構(gòu)成了不同類型的變頻PLC控制系統(tǒng)。

     變頻PLC控制系統(tǒng)在變頻器控制中屬于通用的一種控制系統(tǒng)。一個變頻PLC控制系統(tǒng)通常由三部分組成，即變頻器本體、可編程控制器PLC部分、變頻器與PLC的接口部分。交流電機由西門子變頻器進行一對一的傳動控制。西門子S7-200PLC負(fù)責(zé)控制系統(tǒng)的開關(guān)量、負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的處理和工藝控制。交流變頻器通過RS-485實現(xiàn)與PLC之間的通信。

     PLC變頻控制系統(tǒng)實驗室設(shè)備結(jié)構(gòu)框圖如下圖所示：

圖1 系統(tǒng)實驗結(jié)構(gòu)框圖

     本文重點研究交流電機的同步控制，為達到研究目的，在上述工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)中，以一臺交流電機為主動電機，以其它交流電機為從動電機，按照交叉耦合并行同步控制方式，進行交流電機的同步控制。

     系統(tǒng)中，由S7-200系列PLC完成數(shù)據(jù)的采集、處理和對變頻器、電動機等設(shè)備的控制任務(wù)。主、從電機接受PLC或其他系統(tǒng)的速度指令，通過編碼器形成速度反饋，使系統(tǒng)達到精確的速度控制。當(dāng)主電機獲得PLC的啟動命令和速度給定時，經(jīng)過矢量變頻器進行處理，調(diào)整轉(zhuǎn)矩獲得給定的速度。如果從電機并未將力矩傳遞到負(fù)載上，那么從電機將感覺到負(fù)載重增加扭矩，同時主電機也將相應(yīng)的減小扭矩；若主電機負(fù)載稍輕，那么主電機就會相應(yīng)的減小扭矩以保證與從電機保持相應(yīng)的速度，主從任何一方的負(fù)載變化必將反映在另一方的輸出轉(zhuǎn)矩變化上。

3.2 變頻器裝置

     西門子6SE70系列變頻器是一種電壓型矢量變頻器。它能利用處理器完成復(fù)雜運算、開環(huán)和閉環(huán)的控制、通訊等任務(wù)，保證生產(chǎn)過程控制精度和靜態(tài)、動態(tài)的控制最優(yōu)化。其動態(tài)響應(yīng)不低于0.25%，靜態(tài)精度不低于0.01%，能夠滿足控制系統(tǒng)的要求。本系統(tǒng)是要對交流電機實現(xiàn)高性能的速度控制，以實現(xiàn)交流電機同步速度的跟隨，西門子6SE70矢量控制的標(biāo)準(zhǔn)軟件包含兩種基本的控制型式：頻率控制適用于簡單應(yīng)用場合和成組傳動高水平同步運轉(zhuǎn)。磁場定向閉環(huán)控制(矢量控制)用于動態(tài)性能要求較高的傳動系統(tǒng)。根據(jù)本系統(tǒng)的要求，我們選擇閉環(huán)速度控制，這樣能在較低轉(zhuǎn)速時有較高的動態(tài)特性和高轉(zhuǎn)速精度。其原理圖如圖2所示：

圖2 帶速度檢測的閉環(huán)速度控制原理圖

     在6SE70變頻器中，速度調(diào)節(jié)器為一個傳統(tǒng)的比例積分(PI)調(diào)節(jié)器，無自適應(yīng)能力。主要表現(xiàn)在兩方面：

     (1) PI控制器參數(shù)整定必須相對于某一系統(tǒng)參數(shù)己知的系統(tǒng)。

     (2) PI控制器參數(shù)一旦整定完畢，便只能適用于已知的系統(tǒng)。

     該實驗系統(tǒng)中，主從電機為兩臺不同交流異步機，分別由兩臺變頻調(diào)速控制器供電。主軸變頻器控制信號由工控機按實驗要求與合成誤差控制器的疊加給定；從軸變頻器控制信號是由工控機經(jīng)協(xié)調(diào)控制策略，跟蹤偏差實時計算后提供的；發(fā)電機分別與從電動機同軸相連的發(fā)電機作為雙軸的可調(diào)負(fù)載，兩個增量編碼器分別與主、從軸發(fā)電機同軸相連，由此可獲得速度、角位移信號及速度反饋信號。

     全數(shù)字化矢量控制變頻傳動是指以矢量控制(VC)技術(shù)為主構(gòu)成控制回路，以交流變頻為主回路換能方式，控制交流電機運行。由于VC技術(shù)的采用，交流電機數(shù)學(xué)模型與直流電機有了某種程度的一致。原來高品質(zhì)直流傳動中使用的成熟的控制手段和控制理論得以借鑒。全數(shù)字化的應(yīng)用還解決了模擬系統(tǒng)中電子器件參數(shù)受環(huán)境因素影響的問題，特別是溫度漂移問題。從而對系統(tǒng)精度的不可控影響因素得以消除，控制精度僅受微機字長、檢測元件精度影響，可以利用現(xiàn)有技術(shù)達到較高的傳動性能指標(biāo)。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計

4.1速度閉環(huán)和矢最控制的實現(xiàn)

     針對同步方案的結(jié)構(gòu)特點和矢量控制的特點，如果能用一個模糊控制器取代變頻器的速度PI調(diào)節(jié)器，能有效的提高整個系統(tǒng)的控制性能。而6SE70變頻器是一個工業(yè)產(chǎn)品，可通過參數(shù)設(shè)置，將速度PI調(diào)節(jié)器的積分部分關(guān)閉，將比例環(huán)節(jié)增益設(shè)置為1，同時將模糊控制器的輸出作為變頻器電流調(diào)節(jié)器的輸入，這樣就實現(xiàn)了交流電機速度控制環(huán)的模糊控制。其相關(guān)參數(shù)設(shè)置如下：

     (1) 設(shè)置P315=1。P315為Pl調(diào)節(jié)器增益的功能參數(shù)；

     (2) 設(shè)置P240為23001。P240為速度調(diào)節(jié)器積分時間功能參數(shù)，此設(shè)置封鎖積分作用；

     (3) 設(shè)置P220=0。讀入速度調(diào)節(jié)器轉(zhuǎn)速實際值；

     (4) 將參數(shù)自調(diào)整模糊控制器的輸出寫入P438。

     其中第1步、第2步的設(shè)置關(guān)閉了變頻器的速度調(diào)節(jié)器，第3步設(shè)置關(guān)閉了速度反饋環(huán)節(jié)，第4步設(shè)置則用參數(shù)自調(diào)整模糊控制器取代了原有的速度調(diào)節(jié)器，完成了速度的閉環(huán)控制。

     為了實現(xiàn)變頻器的矢量控制，就必須對變頻器的參數(shù)進行設(shè)置，選擇相應(yīng)的控制方式。設(shè)置步驟如下：

     (1) 選擇功能參數(shù)菜單。P060有8個參數(shù)值，分別對應(yīng)8種不同的功能菜單，我們選擇P060=5進入系統(tǒng)設(shè)置菜單；

     (2) 選擇開環(huán)/閉環(huán)控制方式。P100有5個參數(shù)值，分別對應(yīng)著V/F控制、V/F控制(紡織工業(yè)用)、V/F控制+速度控制、無測速機的速度控制、有測速機的速度控制和轉(zhuǎn)矩控制，其中后3個屬于矢量控制。根據(jù)系統(tǒng)的要求我們選擇了有測速機的速度控制，即選擇Pl00=4；

     (3) 輸入交流電機參數(shù)。在P101、P102、P107和P108，分別輸入交流電機的額定電壓、額定電流、額定頻率和額定轉(zhuǎn)速。而P103的電機勵磁電流和P109電機極對數(shù)會由系統(tǒng)自動計算；

     (4) 選擇工藝條件。根據(jù)本系統(tǒng)的特點，我們選擇Pll4=0，即選擇快速加速系統(tǒng)；

     (5) 電機編碼器的選擇。選擇P130=11，即選擇脈沖編碼器；

     (6) 返回到參數(shù)菜單。選擇P060=1，即退出了系統(tǒng)設(shè)置回到參數(shù)菜單，此時輸入的參數(shù)值將被檢驗是否合理。

4.2 S7-200的模糊控制

     系統(tǒng)中使用了一臺西門子S7-200PLC作為控制系統(tǒng)的核心，它負(fù)責(zé)讀取電機速度值v1和電機速度值v2，并計算v1和v2的差值e和差值變化率ec，查詢在S7-200PLC內(nèi)部建立的模糊控制規(guī)則，得到一個控制量，通過現(xiàn)場總線將控制量傳送給變頻器，通過變頻器實現(xiàn)對交流電機的速度控制，最終實現(xiàn)交流電機速度的同步控制。

     系統(tǒng)的模糊控制器選用計算機離線計算，在線查表的方法實現(xiàn)參數(shù)自調(diào)整模糊控制。把復(fù)雜的模糊推理過程交給計算機離線完成，得到模糊控制器的總控制規(guī)則表和參數(shù)自調(diào)整規(guī)則表。以數(shù)據(jù)模塊的形式分別存入S7-200PLC系統(tǒng)的內(nèi)存中，由查詢表子程序管理。

     首先建立速度誤差E、速度誤差變化率EC和輸出U的賦值表。

     E={NL，NB，NM，NS，0，PS，PM，PB，PL}；

     EC={NL，NB，NM，NS，0，PS，PM，PB，PL}；

     U={NL，NB，NM，NS，0，PS，PM，PB，PL}；

     依據(jù)實際工作情況和操作經(jīng)驗，選取各輸入量與輸出量的論域：

     E的模糊論域取[-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，+1，+2，+3，+4，+5，+6]；

     EC的模糊論域取[-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，+1，+2，+3，+4，+5，+6]；

     U的模糊論域取[-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，+1，+2，+3，+4，+5，+6]。

     隸屬度函數(shù)的形狀有很多種，由于人們對事物的判斷往往沿用正態(tài)分布的思維特點，所以采用正態(tài)分布的隸屬函數(shù)，即把三個模糊變量速度誤差E、速度誤差變化率EC和輸出U看成是正態(tài)分布的，那么它們?nèi)齻€模糊子集的賦值表可用正態(tài)分布的隸屬函數(shù)得到。通過計算可以得到速度誤差E、速度誤差變化率EC和輸出U的賦值表。

4.3 系統(tǒng)軟件構(gòu)成

1、主程序的設(shè)計

     本系統(tǒng)的主程序框圖如圖3所示。圖中按照控制工藝要求給電機傳送給定。當(dāng)中斷時間到達時，即進行參數(shù)自調(diào)整的模糊控制。參數(shù)自調(diào)整的模糊控制的框圖如圖4所示。

圖3 主程序框圖

圖4 參數(shù)自調(diào)整的模糊控制框圖

5 仿真研究

     在Matlab/Simulink仿真環(huán)境下，根據(jù)前面的設(shè)計，采用永磁同步電動機模型構(gòu)建多電機同步控制系統(tǒng)仿真框圖。圖5為采用模糊控制補償器的情況下三電動機速度響應(yīng)曲線圖。

圖5 電動機速度響應(yīng)曲線

     由仿真結(jié)果比較可以看出：采用模糊控制器的補償方法時候，系統(tǒng)的同步性能、抗干擾性能力強，因而適合同步精度要求較高的場合。