单相串激电机转速的新型控制系统

朱蓉蓉  崔  巍  张文修  (西安理工大学710048)

张  欣  骆  勇  (86509部队技术部)

     某生产机械需要将溶液边加热边搅拌，一次加工周期为数小时，要求转速在200～1 200r/min范围内连续可调，在一个周期内速度变化希望按图1所示曲线进行，转速稳态误差不大于给定值的百分之5。

  

      原采用d-40-ii型电动搅拌机，存在问题是，①要实现图1所示速度曲线必须用人工手动操作进行加减速控制。②在达到了连续工作的稳定速度以后，速度却经常波动，有时会自动停下来，有时又会“飞车”，超过****容许速度将溶液搅洒。无法保证加工质量，并大大增加了操作人员劳动强度。究其原因是这种搅伴机采用的是单机串激式电动机、串联可变电抗的开环调速方式，串激电机在调压调速时的机械特性如图2所示。

   

      机械特性很软，速度很容易受负载变化（加热后溶液粘度的变化等）、电源电压波动等的影响，因此要实现稳定的调速，这种电机采用开环的调速方式几乎是不可能的，必须采用反馈控制。因这种电机转矩电流与激磁电流是同一个，而磁通与电流的关系还经常进入非线性区，再加上溶液与温度的关系筹使系统存在多种非线性与时变的特点，因此采用以经典控制理论为基础的pid控制方式很难获得好的效果。以状态变量描述为基础的现代控制理可以解决非线性、时变等问题，但由于控制对象——串激电机及溶液搅拌器的控制过程变量多，各变量之间还有交叉耦合、非线性的存在，很难找到精确的数学模型，因此以控制对象的数学模型以及给定的性能指标为基础去选择适当的控制规律这一套经典控制理论或现代控制理论设计控制系统的过程同样无法实现。而属于智能控制范畴的模糊控制则比较适合这种系统，它本身是一种非线性控制，且并不一定要求控制对象精确的数学模型，对于一些对控制精度和快速性要求都不太高的场合，模糊控制是合适的。

    模糊控制同样是遵循反馈控制思想的，它的控制规则可以用语言加以描述，由一系列带有模糊性的条件语句组成，例如对控制对象的状态是否符合预期效果，可以用是否“有偏差”、“偏差大”、“偏差小”、“正偏差”、“负偏差”等模糊语言描述，根据这些模糊量化了的偏差值，由作用相似于人的大脑的模糊控制器进行决策，输．出一个适当的模糊控制量去纠正控制对象出现的偏差。这种控制属于计算机数字控制的一种形式，模糊控制器实际上是一台微型计算机。

    串激电机转速的模糊控制，采用二维的单输入单输出的模糊控制器，输入为转速的误差及转速误差的变化率，输出变量调节串激电机的电压，一步模糊控制的算法过程是，微机中断采用获取电机转速和转速变化率，将转速与给定值进行比较，得到转速误差e及转速变化率ce，这两个量作为模糊控制器的输入量，经模糊量化后变成可用模糊语言表示的模糊量，再由模糊控制关系（规则）根据推理合成，进行模糊决策，得到模糊控制输出变量u，最后将u转换成精确量，经数模转换后交成模拟量电压“去调节串激电机的电压，以减少转速误差，这就完成了对串激电机转速的一步模糊控制，然后中断等待第二次采样、进行第二步控制……，这样循环下去，直至消除转速的偏差。

    其原理控制框图如图3所示。

    在本系统中，转速偏差输入变量e，转速偏差变化率输入变量ce及输出控制变量y的语言值的模糊子集为：

    转速偏差e的论域为x、转速偏差变化率ce的论域为x，输出控制量y的论域为，并将其大小量化为5个等级，分别为：

    -3,  -1,  0，  +1，  +3

    选择语言变量的隶属函数曲线为矩形分布，如图4所示。

      根据模糊控制规则进行决策，将控制关系表格化，即为模糊控制状态表（见表1）。