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)已經被廣泛地應用于各種領域。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)調同步控制方法的研究變得越來越重要。針對交流電機的數學模型是一個高階、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，選用參數自調整模糊控制器，設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速，在西門子PLC中實現了參數自調整的模糊控制。并通過Matlab進行系統(tǒng)設計的仿真驗證和分析。

2 多電機同步控制系統(tǒng)概述

在現代應用系統(tǒng)的設計開發(fā)過程中，充分利用計算機仿真、實驗技術，對于系統(tǒng)設計開發(fā)過程中合理選擇系統(tǒng)結構、優(yōu)化系統(tǒng)參數、檢驗控制方法，提高系統(tǒng)設計與開發(fā)效率有著極其重要的作用。本文依據已提出的矢量變頻調速與合成誤差補償主從串聯(lián)控制方案構建了主從軸協(xié)調控制實驗系統(tǒng)，為實際應用系統(tǒng)的設計積累經驗與資料，硬件結構圖如圖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，現已廣泛的應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。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、均勻的調節(jié)范圍。調節(jié)范圍為之間;

(3) 具有負荷動態(tài)調整的功能，以免造成負荷動態(tài)轉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的組合應用，并且產生了多種多樣的PLC控制變頻器的方法，構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負責控制系統(tǒng)的開關量、負責數據的處理和工藝控制。交流變頻器通過RS-485實現與PLC之間的通信。

PLC變頻控制系統(tǒng)實驗室設備結構框圖如下圖所示：

圖1 系統(tǒng)實驗結構框圖

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)控制網絡中，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完成數據的采集、處理和對變頻器、電動機等設備的控制任務。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。當主電機獲得PLC的啟動命令和速度給定時，經過矢量變頻器進行處理，調整轉矩獲得給定的速度。如果從電機并未將力矩傳遞到負載上，那么從電機將感覺到負載重增加扭矩，同時主電機也將相應的減小扭矩;若主電機負載稍輕，那么主電機就會相應的減小扭矩以保證與從電機保持相應的速度，主從任何一方的負載變化必將反映在另一方的輸出轉矩變化上。

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雜運算、開環(huán)和閉環(huán)的控制、通訊等任務，保證生產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高性能的速度控制，以實現交流電機同步速度的跟隨，西門子6SE70矢量控制的標準軟件包含兩種基本的控制型式：頻率控制適用于簡單應用場合和成組傳動高水平同步運轉。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，這樣能在較低轉速時有較高的動態(tài)特性和高轉速精度。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，速度調節(jié)器為一個傳統(tǒng)的比例積分(PI)調節(jié)器，無自適應能力。主要表現在兩方面：

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

(2) PI控制器參數一旦整定完畢，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協(xié)調控制策略，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負載，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。

全數字化矢量控制變頻傳動是指以矢量控制(VC)技術為主構成控制回路，以交流變頻為主回路換能方式，控制交流電機運行。由于VC技術的采用，交流電機數學模型與直流電機有了某種程度的一致。原來高品質直流傳動中使用的成熟的控制手段和控制理論得以借鑒。全數字化的應用還解決了模擬系統(tǒng)中電子器件參數受環(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，可以利用現有技術達到較高的傳動性能指標。

4 系統(tǒng)軟件設計

4.1速度閉環(huán)和矢最控制的實現

針對同步方案的結構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)產品，可通過參數設置，將速度PI調節(jié)器的積分部分關閉，將比例環(huán)節(jié)增益設置為1，同時將模糊控制器的輸出作為變頻器電流調節(jié)器的輸入，這樣就實現了交流電機速度控制環(huán)的模糊控制。其相關參數設置如下：

(1) 設置P315=1。P315為Pl調節(jié)器增益的功能參數;

(2) 設置P240為23001。P240為速度調節(jié)器積分時間功能參數，此設置封鎖積分作用;

(3) 設置P220=0。讀入速度調節(jié)器轉速實際值;

(4) 將參數自調整模糊控制器的輸出寫入P438。

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

為了實現變頻器的矢量控制，就必須對變頻器的參數進行設置，選擇相應的控制方式。設置步驟如下：

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

(2) 選擇開環(huán)/閉環(huán)控制方式。P100有5個參數值，分別對應著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矩控制，其中后3個屬于矢量控制。根據系統(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。在P101、P102、P107和P108，分別輸入交流電機的額定電壓、額定電流、額定頻率和額定轉速。而P103的電機勵磁電流和P109電機極對數會由系統(tǒng)自動計算;

(4) 選擇工藝條件。根據本系統(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) 返回到參數菜單。選擇P060=1，即退出了系統(tǒng)設置回到參數菜單，此時輸入的參數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，它負責讀取電機速度值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內部建立的模糊控制規(guī)則，得到一個控制量，通過現場總線將控制量傳送給變頻器，通過變頻器實現對交流電機的速度控制，最終實現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參數自調整模糊控制。把復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)則表和參數自調整規(guī)則表。以數據模塊的形式分別存入S7-200PLC系統(tǒng)的內存中，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};

依據實際工作情況和操作經驗，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，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，那么它們三個模糊子集的賦值表可用正態(tài)分布的隸屬函數

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)軟件構成

1、主程序的設計

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。當中斷時間到達時，即進行參數自調整的模糊控制。參數自調整的模糊控制的框圖如圖4所示。

圖3 主程序框圖

圖4 參數自調整的模糊控制框圖

5 仿真研究

在Matlab/Simulink仿真環(huán)境下，根據前面的設計，采用永磁同步電動機模型構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曲線圖。

圖5 電動機速度響應曲線

由仿真結果比較可以看出：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。