经GA优化的电机模糊控制系统设计

2010-06-19高志斌赵继敏

微特电机 2010年4期

关键词：电枢模糊控制遗传算法

高志斌,赵继敏,王芳

(1.上海交通大学,上海 200240;2.中国矿业大学,徐州 221008)

0 引言

传统电机保护控制系统采用交直流混合控制,但因元器件数量众多,影响整个系统,并使得系统的安全系数有所降低。

在电动机控制回路中,热继电器依靠双金属片发热弯曲带动辅助接点动作而起过流保护的作用,其精确度很低,且在长期使用或受到数次过载冲击后,工作特性会发生很大变化,经常发生误动或拒动现象。

本文采用西门子公司的 SIMOCODE pro电动机保护及控制装置,既能满足各种控制方式需要,又极大地简化了控制器设计,用一个部件取代众多的控制元件,并从根本上解决了热继电器这一薄弱的保护环节。

1 控制器设计

传统的自动控制,包括经典理论和现代控制理论中有一个共同的特点,即控制器的综合设计都要建立在被控对象精确数学模型的基础上,但在实际工业生产中,很多系统的影响因素很多,十分复杂,建立精确的数学模型特别困难。而模糊控制不需要建立数学模型,根据实际系统的输入输出结果,参考现场操作人员的工作经验,就可以对系统进行实时控制。模糊控制器具有速度较快、精度较高以及对参数不敏感等优点,鲁棒性极强。

在本设计中,我们采用装有 SIMOCODE ES professional 2004+sp 3软件的电脑通过PC电缆与基本单元或操作面板连接来上传、下载及修改内部程序从而进行系统的设计。其总体设计图如 1所示。

图1 系统总体原理图

我们考虑到调节器的复杂性和控制精度的要求,选用以位置误差及误差变化率为输入的二维模糊控制器。这样既避免了选择一维控制器的动态性能不佳,也避免了采用三维模糊控制器的过于复杂、难以设计和占用计算机时间长、实时性差等弊端。此外,也会因限制采样频率提高,而直接影响控制精度,反而达不到满意性能。

以E和EC分别代表误差和误差变化率的语言变量,V为驱动电压给定的语言变量。定义逆时针旋转方向为正,其模糊控制规则如表1所示。

表1 模糊控制规则表

由于输入偏差E与误差变化 EC的论域均为[-6,-5,-4,-3,-2,-1,0,1,2,3,4,5,6],故在此论域上定义模糊集为 7个:{NB,NM,NS,Z,S,M,B}。

隶属函数均采用三角型隶属函数。其控制器各变量的隶属函数图形如图2所示。

图2 控制器各变量的隶属函数图形

电机的模糊控制表参数我们依据经验,先设置 n串初始参数,构成初始群体,其中的遗传算法有以下基本步骤:

(1)k=0,随机产生 i个串,构成初始群体。

(2)计算各串的适应度(值)fi,i=1,2,…,n。

(3)以下步骤产生新的群体,直到新群体中串的总数达到n;

①以概率fi/-∑fi,fj/-∑fj从群体中选出两个串Si、Sj。

②以概率 Pc对 Si,Sj进行交换 ,得到新的串 S′i、S′j。

③以概率 Pm使 S′i、S′j中的各位产生突变。

(4)k=k+1,返回第 2步。

其系统的总体软件设计流程图如图3所示。在电机的模糊控制表形成过程中,隔一段时间给定电机不同的速度,以根据采集到的电机转速变化曲线通过遗传算法部分的程序,自动计算出控制器参数的最优化结果,然后待控制器参数较为稳定时,可以将遗传算法优化部分程序跳过执行,使系统成为单纯模糊控制系统,从而达到加快上位机运行速度,减少控制器参数设计中人工开支的作用。

图3 总体软件流程图

2 系统测试

选用测试电动机为ZJD120/42-8,1 200 kW;电枢电压660 V;额定电流 1 950 A;额定转速 400 r/min;过载倍数2.0;励磁电压 63 V;励磁电流 88.2 A;磁场电阻 0.716Ω;励磁回路时间常数 0.992s;电枢转动惯量 37.356 kN◦m2;电枢绕组电阻 Rsd=0.005 91Ω;换向绕组电阻 RHd=0.001 25 Ω;补偿绕组电阻RBd=0.002 09Ω;补偿联线电阻 RGd=0.001 87Ω;整个提升系统转动惯量 135 554 kN◦ m2。

在从第 1s开始的 10 V的阶跃电压作用下,系统的阶跃响应如图4所示。