智能控制技術在電氣傳動領域的應用—模糊PID控制1/34一、電氣傳動1.電氣傳動是指用電動機把電能轉換成機械能，去帶動各種類型的生產機械、交通車輛以及生活中需要運動的物品。自從人類發(fā)明并掌握各種機械幫助自己勞動以來，就需要有推動機械的原動力，除人力本身外，最初使用的是畜力、水力和風力，后來又發(fā)明了蒸汽機、柴油機、汽油機，19世紀才發(fā)明電動機。2.電氣傳動成為主要傳動方式電氣傳動成為工業(yè)化的重要基礎，同時成為絕大部分機械傳動的傳動方式。其主要原因在于：（1）電機的效率高，運轉比較經濟

（2）電能的傳輸和分配比較方便

2/34（3）電能容易控制

3.現(xiàn)代電氣傳動控制的發(fā)展

3.1數(shù)據控制和數(shù)據通訊成為現(xiàn)代電氣傳動控制的主要措施

機械控制是最早的自動控制手段，之后才逐步有了電氣控制和電子控制其中，電子控制在近代的電氣傳動控制手段中，占的比例很大，所謂電子控制方法主要包括模擬控制和數(shù)字控制兩種。從上世紀70年代起，耗電少、體積小、成本低、可靠性高、速度快、功能強的大規(guī)模集成電路微處理器發(fā)展到商品化階段，電子控制是了新臺階?，F(xiàn)代電氣傳動系統(tǒng)控制器的主要形式是微處理器為核心的數(shù)字控制。平時常見的微處理器主要包括單片機，(SCP)、數(shù)字信號處理器(DSP)、集成電路(ASIC)，精簡指令集計算機(RISC)和包含微處理器的高級專用。

因為除一般的計算功能外，計算機還具有邏輯判斷和數(shù)值運算的兩大功能，所以電子控制中的數(shù)字控制和模擬控制相比優(yōu)點突出：其一是數(shù)字控制器能夠實現(xiàn)各種比較復雜的控制策略，模擬控制做不到；其二是數(shù)字控制系統(tǒng)還可以自診故障，提高診斷過程的智能化。

反觀在模擬控制過程中，在提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性時，一般是使用閉環(huán)控制，也就是使用比例積分調節(jié)器。這時如果系統(tǒng)突然受到干擾，輸出量發(fā)生變通過負反饋，這時由于比例積分調節(jié)器的作用，系統(tǒng)的輸出量又回到原來

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電子器件的基本發(fā)展方向是，模塊化、集成化、高頻化、改善封裝和采用新材料(如SIC)等，這種發(fā)展為電氣傳動的信息化、智能化的控制提供了重要基礎和保障。在電力電子變換器中，主要是由全控器件組成的斬波器或PWM變換器以及晶閘管相控整流器。用于控制直流電機。變壓變頻器主要用于控制交流電機，其中中、小容量的多為PWM變換器。

由于電力電子變換器的普及，使得諧波和無功電流給供電電網造成一定的“電力公害”，必須采取相應措施：一是采用有源濾波和無功補償；二是開發(fā)“綠色”電力電子變換器，這是一種治本的辦法，因為它要求功率因數(shù)可控，各次諧波分量小于國際和國家標準允許的限度?，F(xiàn)在實際應用的綠色變換器有：雙PWM交——直——交變換器、多單元串聯(lián)的中壓變換器、多電平中壓變換器等多種。被看好并會被開發(fā)的有：交一，交矩陣式變換器，它具有輸入電流和輸出電壓都接過正弦波、能量傳輸可逆、可省去直流濾波電容等優(yōu)點。3.3直流傳動逐步取代可控交流電氣傳動是基本趨勢

雖然在19世紀直流電氣傳動和交流電氣傳動先后誕生，但到20世紀以后的年代里，由于二者性能不同，應用情況也有所區(qū)別，比如直流傳動具有優(yōu)越的可控性能，于是高性能可調速傳動一般都用直流電機，而約占電氣傳動總容量80%的不變速傳動則采用交流電機，這種分工格局是客觀的。但是到了1970年以后，電力電子變換器的高效交流變頻傳動開發(fā)成功，優(yōu)點很多，結構簡單、維護方便、效率高、成本低廉，工作可靠、轉動慣量小的交流

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數(shù)值。這樣只要偏差存在，比例、積分都起作用。在過渡過程中，如輸出量出現(xiàn)超調現(xiàn)象，系統(tǒng)會出現(xiàn)振蕩現(xiàn)象，若比例作用太強，會使系統(tǒng)不能正常工作。如果人們采用微機數(shù)字控制，能分離開比例、積分作用。一旦偏差大時，可以只讓比例發(fā)揮作用，可以迅速減少偏差。偏差低到一定程度后，再將積分投入，以最終消除穩(wěn)態(tài)誤差，使得兩種作用各得其所，這就避免了相互之間的矛盾，達到提高系統(tǒng)的控制性能之目的。3.2電力電子變換器是物質能量流與信息流之間必需的接口由于有電力電子變換，才有弱電控制強電的接口，否則信息始終就是信息，不可能真正用來控制物質產生，所以，電力電子技術是信息流與物質能量流之間的重要紐帶。當今正是電力電子技術蓬勃發(fā)展時期，許多新的電力電子器件和變換技術正在大量涌現(xiàn)。其中電力電子器件的發(fā)展大體分三個階段：開始是晶閘管(SCR)；其次是GTR和CTO；第三是IGBT?，F(xiàn)在市場上IGBT能夠廣泛供應，但由于其電壓和電流容量有限，所以只能在中、小容量的低壓電氣傳動使用。如果容量再大，必須采用GTO，由于GTO的可靠性不很高，所以，現(xiàn)在各國電力電子企業(yè)和研究所都在努力開發(fā)新型的高壓功率開關器件，并且有的已經問世了。例如，IGCT．IEGT以及3300-6000V的IGBT等，這些都可供中壓、大容量電氣傳動使用。從總的看，電力5/34

籠型電機進入了可調速領域，打破了交直流傳動按調速分工的格局。交流調速傳動發(fā)展方向和應用體現(xiàn)三方面；一是一般性能的節(jié)能調速和工藝調速；二是高性能交流調速系統(tǒng)；三是特大容量、極高轉速的交流傳動。國內外在交流調速上發(fā)展都非?？?，交流傳動中一般采用交——直——交變頻。所謂變頻調速，即把50HZ的交流電源變成直流電，再把直流電逆變成不同頻率的交流電，將由變換后的電源頻率來控制電動機的轉速的調速方法。我國要實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，節(jié)約能量是必須的。變頻調速對節(jié)約電能相當可觀。在實際應用中，風機、泵、壓縮機的電動機大約40%應用電氣傳動，但應用變頻調速的只有約5%。可見，今后交流變頻調速還需要大力推廣。

變頻調速采用的使設計觀念有所改變，過去設計制造電動機主要考慮起動轉矩大的問題。由于增加啟動電阻就增大了啟動轉矩，異步電動機定子常采用雙籠或深槽結構。啟動后磁場對轉子強切割，產生的集膚效應，把轉子電流排到外繞組中，外繞組電阻就很大，這樣啟動電阻就大，以保證足夠的啟動轉矩。同時轉子尺寸加大了，轉子、定子也會加大，相當于材料多，重量加。有了變頻調速頻率從低到高，電機的啟動轉矩自然會變得比較大。從此在電機設計制造思想上有了變革，擺脫啟動轉矩，按變頻調速的工況考慮，不僅提高電效率，同時實現(xiàn)電動機小型化，有利于實現(xiàn)走變頻專用電機高效，這個設計思路與為提高電動機效率而使用更多銅、鐵材料有所不同。

6/344.非智能化電氣傳動在應用中的不足與局限a.解決的問題有限b.不宜擴展和修改c.抗噪聲干擾能力有限d.對新信息和新數(shù)據的適應性不高e.古典控制器不宜調節(jié)f.實現(xiàn)的價格偏高7/34二、模糊PID控制

2.1PID控制

在工程實際中，應用最為廣泛的調節(jié)器控制規(guī)律為比例積分微分控制，簡稱PID控制，又稱PID調節(jié)。PID控制器問世至今已有近60年的歷史了，它以其結構簡單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調整方便而成為工業(yè)控制主要和可靠的技術工具。當被控對象的結構和參數(shù)不能完全掌握，或得不到精確的數(shù)學模型時，控制理論的其它設計技術難以使用，系統(tǒng)的控制器的結構和參數(shù)必須依靠經驗和現(xiàn)場調試來確定，這時應用PID控制技術最為方便。即當我們不完全了解一個系統(tǒng)和被控對象﹐或不能通過有效的測量手段來獲得系統(tǒng)的參數(shù)的時候，便最適合用PID控制技術。

PID控制包含比例、積分、微分三部分，實際中也有PI和PD控制器。PID控制器就是根據系統(tǒng)的誤差利用比例積分微分計算出控制量，圖1.1中給出了一個PID控制的結構圖：

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比例（P）控制

比例控制是一種最簡單的控制方式。其控制器的輸出與輸入誤差信號成比例關系。當僅有比例控制時系統(tǒng)輸出存在穩(wěn)態(tài)誤差（Steady-stateerror）。積分（I）控制

在積分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號的積分成正比關系。對一個自動控制系統(tǒng)，如果在進入穩(wěn)態(tài)后存在穩(wěn)態(tài)誤差，則稱這個控制系統(tǒng)是有穩(wěn)態(tài)誤差的或簡稱有差系統(tǒng)（SystemwithSteady-stateError）。為了消除穩(wěn)態(tài)誤差，在控制器中必須引入“積分項”。積分項對誤差取關于時間的積分，隨著時間的增加，積分項會增大。這樣，即便誤差很小，積分項也會隨著時間的增加而加大，它推動控制器的輸出增大使穩(wěn)態(tài)誤差進一步減小，直到等于零。

因此，比例+積分(PI)控制器，可以使系統(tǒng)在進入穩(wěn)態(tài)后無穩(wěn)態(tài)誤差。

微分（D）控制

在微分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號的微分（即誤差的變化率）成正比關系。自動控制系統(tǒng)在克服誤差的調節(jié)過程中可能會出現(xiàn)振蕩甚至失穩(wěn)。其原因是由于存在有較大慣性的組件（環(huán)節(jié)）和（或）有滯后(delay)的組件，使力圖克服誤差的作用，其變化總是落后于誤差的變化。解決的辦法是使克服誤差的作用的變化要有些“超前”，即在誤差接近零時，克服誤差的作用就應該是零。這就是說，在控制器中僅引入“比例”項往往是不夠的，比例項的作用僅是放大誤差的幅值，而目前需要增加的是“微分項”，它能預測誤差變化的趨勢，這樣，具有比例+微分的控制器，就能夠提前使克服誤差的控制作用等于零，甚至為負值，從而避免了被控量的嚴重地沖過頭。9/34所以對有較大慣性和（或）滯后的被控對象，比例+微分(PD)的控制器能改善系統(tǒng)調節(jié)過程中的動態(tài)特性。2.2如何實現(xiàn)PID控制在一些系統(tǒng)中，需要進行PID控制，如一些板卡采集系統(tǒng)，甚至在一些DCS和PLC的統(tǒng)中有時要擴充系統(tǒng)的PID控制回路，而由于系統(tǒng)硬件和回路的限制需要在計算機上增加PID控制回路。在e爾系統(tǒng)中，實時數(shù)據庫提供了PID控制點可以滿足PID控制的需要。進入到實時數(shù)據庫組態(tài)，新建點時選擇PID控制點。e爾提供的PID控制可以提供理想微分、微分先行、實際微分等多種控制方式。進行PID控制時，可以把PID的PV連接在實際的測量值上，OP連接在PID實際的輸出值上。這樣，在實時數(shù)據庫運行時，就可以自動對其進行PID控制。2.3PID參數(shù)的調整在PID參數(shù)進行整定時如果能夠有理論的方法確定PID參數(shù)當然是最理想的方法，但是在實際的應用中，更多的是通過湊試法來確定PID的參數(shù)。增大比例系數(shù)P一般將加快系統(tǒng)的響應，在有靜差的情況下有利于減小靜差，但是過大的比例系數(shù)會使系統(tǒng)有比較大的超調，并產生振蕩，使穩(wěn)定性變壞。增大積分時間I有利于減小超調，減小振蕩，使系統(tǒng)的穩(wěn)定性增加，但是系統(tǒng)靜差消除時間變長。10/342.5復雜回路的控制2.5.1前饋控制系統(tǒng)

通常的反饋控制系統(tǒng)中，對干擾造成一定后果，才能反饋過來產生抑制干擾的控制作用，因而產生滯后控制的不良后果。為了克服這種滯后的不良控制，用計算機接受干擾信號后，在還沒有產生后果之前插入一個前饋控制作用，使其剛好在干擾點上完全抵消干擾對控制變量的影響,因而又得名為擾動補償控制。在e爾的控制系統(tǒng)中，可以把前饋控制計算的結果作為PID控制的輸出補償量OCV，并采用加補償，這樣就形成了一個前饋控制系統(tǒng)了。11/34

增大微分時間D有利于加快系統(tǒng)的響應速度，使系統(tǒng)超調量減小，穩(wěn)定性增加，但系統(tǒng)對擾動的抑制能力減弱。在湊試時，可參考以上參數(shù)對系統(tǒng)控制過程的影響趨勢，對參數(shù)調整實行先比例、后積分，再微分的整定步驟。首先整定比例部分。將比例參數(shù)由小變大，并觀察相應的系統(tǒng)響應，直至得到反應快、超調小的響應曲線。如果系統(tǒng)沒有靜差或靜差已經小到允許范圍內，并且對響應曲線已經滿意，則只需要比例調節(jié)器即可。如果在比例調節(jié)的基礎上系統(tǒng)的靜差不能滿足設計要求，則必須加入積分環(huán)節(jié)。在整定時先將積分時間設定到一個比較大的值，然后將已經調節(jié)好的比例系數(shù)略為縮小(一般縮小為原值的0.8)，然后減小積分時間，使得系統(tǒng)在保持良好動態(tài)性能的情況下，靜差得到消除。在此過程中，可根據系統(tǒng)的響應曲線的好壞反復改變比例系數(shù)和積分時間，以期得到滿意的控制過程和整定參數(shù)。如果在上述調整過程中對系統(tǒng)的動態(tài)過程反復調整還不能得到滿意的結果，則可以加入微分環(huán)節(jié)。首先把微分時間D設置為0，在上述基礎上逐漸增加微分時間，同時相應的改變比例系數(shù)和積分時間，逐步湊試，直至得到滿意的調節(jié)效果。

2.4PID控制回路的運行

在PID控制回路投入運行時，首先可以把它設置在手動狀態(tài)下，這時設定值會自動跟蹤測量值，當系統(tǒng)達到一個相對穩(wěn)定的狀態(tài)后，再把它切換到自動狀態(tài)下，這樣可以避免系統(tǒng)頻繁動作而導致系統(tǒng)不穩(wěn)定。12/34

2.5.2純延遲補償控制

在實際的控制過程中，由于執(zhí)行機構和測量裝置的延遲，系統(tǒng)有可能是一個純滯后過程，如對于溫度的控制其延遲時間可能多達10多分鐘。這種滯后性質常引起被控對象產生超調或振蕩，造成系統(tǒng)不容易達到穩(wěn)定過程。因此，可以在控制過程中并聯(lián)一個補償環(huán)節(jié)，用來補償被控制對象中的滯后部分，這樣可以使系統(tǒng)快速達到穩(wěn)定過程。純滯后控制系統(tǒng)是把滯后補償?shù)慕Y果作為PID控制器的輸入補償量ICV，并作為輸入補償?shù)臏p補償。這樣就構成了一個純滯后的SMITH預測控制回路。13/34

2.6模糊控制

2.6.1模糊控制的概念

利用模糊數(shù)學的基本思想和理論的控制方法。在傳統(tǒng)的控制領域里，控制系統(tǒng)動態(tài)模式的精確與否是影響控制優(yōu)劣的最主要關鍵，系統(tǒng)動態(tài)的信息越詳細，則越能達到精確控制的目的。然而，對于復雜的系統(tǒng)，由于變量太多，往往難以正確的描述系統(tǒng)的動態(tài)，于是工程師便利用各種方法來簡化系統(tǒng)動態(tài)，以達成控制的目的，但卻不盡理想。換言之，傳統(tǒng)的控制對于明確系統(tǒng)有強而有力的控制能力，但對于過于復雜或難以精確描述的系統(tǒng)，則顯得無能為力了。因此便嘗試著以模糊數(shù)學來處理這些控制問題?！澳：笔侨祟惛兄f物，獲取知識，思維推理，決策實施的重要特征。“模糊”比“清晰”所擁有的信息容量更大，內涵更豐富，更符合客觀世界

2.6.2模糊控制簡介

模糊邏輯控制(FuzzyLogicControl)簡稱模糊控制(FuzzyControl)，是以模糊集合論、模糊語言變量和模糊邏輯推理為基礎的一種計算機數(shù)字控制技術。1965年，美國的L.A.Zadeh創(chuàng)立了模糊集合論；1973年他給出了模糊邏輯控制的定義和相關的定理。14/34

1974年，英國的E.H.Mamdani首次根據模糊控制語句組成模糊控制器，并將它應用于鍋爐和蒸汽機的控制，獲得了實驗室的成功。這一開拓性的工作標志著模糊控制論的誕生。模糊控制實質上是一種非線性控制，從屬于智能控制的范疇。模糊控制的一大特點是既有系統(tǒng)化的理論，又有大量的實際應用背景。模糊控制的發(fā)展最初在西方遇到了較大的阻力；然而在東方尤其是日本，得到了迅速而廣泛的推廣應用。近20多年來，模糊控制不論在理論上還是技術上都有了長足的進步，成為自動控制領域一個非?；钴S而又碩果累累的分支。其典型應用涉及生產和生活的許多方面，例如在家用電器設備中有模糊洗衣機、空調、微波爐、吸塵器、照相機和攝錄機等；在工業(yè)控制領域中有水凈化處理、發(fā)酵過程、化學反應釜、水泥窯爐等；在專用系統(tǒng)和其它方面有地鐵靠站停車、汽車駕駛、電梯、自動扶梯、蒸汽引擎以及機器人的模糊控制。

2.6.3模糊控制系統(tǒng)的結構一般控制系統(tǒng)的架構包含五個主要部分，即:定義變量、模糊化、知識庫、邏輯判斷及反模糊化，下文將對每一部分做簡單的說明：

定義變量也就是決定程序被觀察的狀況及考慮控制的動作，例如在一般控制問題上，15/34

輸入變量有輸出誤差E與輸出誤差變化率EC，而模糊控制還將控制變量作為下一個狀態(tài)的輸入U。其中E、EC、U統(tǒng)稱為模糊變量。

模糊化

將輸入值以適當?shù)谋壤D換到論域的數(shù)值，利用口語化變量來描述測量物理量的過程，根據適合的語言值（linguisticvalue）求該值相對的隸屬度，此口語化變量稱為模糊子集合（fuzzysubsets）。

知識庫

包括數(shù)據庫（database）與規(guī)則庫（rulebase）兩部分，其中數(shù)據庫提供處理模糊數(shù)據的相關定義；而規(guī)則庫則藉由一群語言控制規(guī)則描述控制目標和策略。

邏輯判斷

模仿人類下判斷時的模糊概念，運用模糊邏輯和模糊推論法進行推論，得到模糊控制訊號。該部分是模糊控制器的精髓所在。16/34解模糊化

解模糊化（defuzzify）：將推論所得到的模糊值轉換為明確的控制訊號，做為系統(tǒng)的輸入值。2.6.4實行模糊控制要進行三個方面的工作：精確量的模糊化,把語言變量的語言值化為某適當論域上的模糊子集;

模糊控制算法和設計,通過一組模糊條件語句構成模糊控制規(guī)則,并計算模糊控制規(guī)則決定的模糊關系;輸出信息的模糊判決,并完成由模糊量到精確量的轉化17/342.7模糊控制器原理把由各種傳感器測出的精確量轉換成為適于模糊運算的模糊量,然后將這些量在模糊控制器中加以運算,最后再將運算結果中的模糊量轉換為精確量,以便對各執(zhí)行器進行具體的操作控制。在模糊控制中,存在著一個模糊量和精確量之間相互轉化的問題原理圖如下18/34s:系統(tǒng)的設定值。x1,x2:模糊控制的輸入(精確量)。X,1,X2:模糊量化處理后的模糊量。U:經過模糊控制規(guī)則和近似推理后得出的模糊控制量。u:經模糊判決后得到的控制量(精確量)。y:對象的輸出。19/34也可以表示為：20/342.8模糊控制的步驟

輸入量模糊化建立模糊規(guī)則進行模糊推