猕猴桃灌溉系统多电机控制的研究*

2021-10-28文家雄

南方农机 2021年19期

邓杰，文家雄

（四川信息职业技术学院智能控制学院，四川广元 628040）

随着现代科技的高速发展，智能控制技术逐步融入灌溉系统之中，通过多年的探索和实践，积累了一系列智能灌溉的技术和经验[1-2]。针对当前商业温室自动灌溉系统控制成本和用水量较高的问题，瞿国庆等[3]提出一种基于广义预测控制与物联网的智能温室灌溉系统。王正等[4]针对设施农业中灌溉系统控制算法不稳定、自适应能力差等问题，通过引入伸缩因子提出提升自适应模糊控制器的性能，来获得控制精度高、振荡弱的最佳控制的方法，并通过田间试验，验证了所提方法的正确性，具有一定的推广价值。於沈刚等[5]提出，针对不同的植物和地理环境制订不同的灌溉策略是非常有必要的，并据此以及温室灌溉的特点，设计模糊PID控制器，用Simulink搭建温室智能灌溉控制系统。结果表明，模糊控制器有很好的鲁棒性和良好的动态性能，能够达到温室植物灌溉的要求。

在以上研究基础上，课题组通过分析猕猴桃的种植特点和种植要求，针对灌溉系统中常用的电机控制算法造成耗水量大的缺点，提出基于id*=0和模糊PID算法的多电机同步协调控制系统，以满足节水节能的要求。

1 模糊PID控制速度补偿器的研究

本研究中，假设一个灌溉系统内使用多个水泵（电机）进行灌溉，以满足快速灌溉和不同灌溉方式的要求。为使这些电机能更好地工作，则需对其进行同步协调控制研究。

目前，多电机同步协调控制方案主要分为机械同步和电动同步。机械同步方式中的多电机同步协调控制驱动动力分配主要是通过系统中的机械总轴来完成的，所以必须在这根总轴上单独提供动力，然后再以此驱动负载。同时，驱动单元和机械总轴必须配备相应的齿轮箱来达到调速目的，并且给定的转速箱齿轮齿数固定，更换麻烦。对于电动同步方式，经过国内外专家学者的潜心研究，先后出现了并联主从控制、电子虚拟主轴控制、交叉耦合控制和偏差耦合控制等多种控制方案[6-7]。

为便于分析，特将整个系统控制分为两部分：电机控制部分和速度补偿控制部分。本系统以两电机同步协调控制为例，进行交叉耦合控制（即为速度补偿控制部分）分析，其结构如图1所示。在电机控制时，为简化系统，电机控制方式采用id*=0矢量控制，速度环控制仍然采用传统的PI控制，电流环控制部分使用id*=0电流预测控制算法。速度补偿器部分则采用模糊PID控制。

图1 交叉耦合控制结构框图

模糊PID控制器是在经典PID控制器的基础上，进行模糊控制研究。简而言之，它将系统的误差e(t)和误差变化率ec(t)转化成模糊PID控制器的△Kp、△Ki、△Kd，然后再将模糊PID去模糊化，与传统PID控制耦合，组成模糊PID控制器。结构框图如图2所示。

图2 模糊PID控制器结构框图

在本研究的模糊PID控制器设计中，两个模糊输入E与Ec的论域设定为[-6,6]，输出deltaK（K为△Kp、△Ki和△Kd）的论域为[-3,3]。使用{NB、NM、NS、ZO、PS、PM、PB}在模糊子集中表述转速误差E及其变化率Ec，并采用IF E is NB and Ec is NB then（deltaKpis PB and deltaKiis NB and deltaKdis PB）描述相应规则，最终得到如表1、表2、表3所示的模糊控制规则表。整个模糊PID控制模型如图3所示。

表1 △Kp模糊规则表

表2 △Ki模糊规则表

表3 △Kd模糊规则表

2 永磁同步电机模型预测控制策略

2.1 永磁同步电机控制模型

对PMSM电机进行数学建模分析，在d、q轴上建立如下方程：

离散可得到式（2）：

即：

由式（3）即可求得k+1时刻d、q轴的电流预测值。

2.2 预测模型

为提升系统的抗干扰能力，避免系统的输入输出发生剧烈变化，同时为对控制性能进行评价，本系统采用闭环控制，通过式（4）设定一条光滑的参考曲线，式（5）作为本系统的评价函数。

其中，α为系统柔化系数，一般来说，α∈[0,1]，iref分别为d、q轴电流给定值；iP(k+1)分别为d、q轴电流预测值，λ为加权因子。

3 仿真验证

根据前文分析，在MATLAB/Simulink中建立交叉耦合控制模型，如图4所示。如图5、图6所示为仿真结果图。

图4 交叉耦合控制模型图

图5 改进后转速响应曲线

图6 改进后转速同步误差曲线

仿真时电机空载启动，给定转速为600 r/min。在0.05 s时，给电机1施加大小为5 N·m的负载转矩；在0.15 s时，给电机2施加大小为8 N·m的负载转矩。

由图5可知，两电机在空载启动之后，大约在0.005 s时转速达到最大值，大约再经过0.005 s后系统达到稳定状态。同样地，在受到负载转矩干扰之后，电机转速发生轻微变化，并能较快地回到稳定状态。

由图6的同步误差曲线可以看出，两电机在空载启动后，同步性能良好，转速差为零；在0.05 s给电机1施加负载转矩时，两电机转速均发生变化，最大误差在3 r/min左右，大约在0.025 s之后，电机回到稳定状态，此时电机的同步误差不超过0.1 r/min；在0.15 s给电机2施加负载转矩，两电机的最大同步误差在4 r/min左右，稳定状态下两电机的转速同步误差不超过0.1 r/min。这也能证明图5中电机1和电机2转速响应曲线是接近重合的。