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基于模糊自整定PI的异步电机变频调速系统设计
摘要：
本文针对异步电机变频调速系统的设计，提出了一种基于模糊自整定PI控制的方法。该方法通过对电机的特性进行建模和模糊化处理，实现了对电机转速和电流的控制。同时，引入自整定方法，可以有效地提高系统的稳定性和鲁棒性。通过仿真实验验证了该方法的有效性和可行性。
关键词：
异步电机；变频调速；模糊自整定PI控制；稳定性。
1.引言
异步电机具有结构简单、维护成本低等诸多优点，被广泛应用于各种工业领域。然而，由于其输出转速随电压变化的特性，使得电机的运行效率较低。为了提高电机的运行效率，经常采用变频调速的方式对异步电机进行调节。
变频调速可以通过改变电机的供电频率和电压，控制电机的转速和电流，从而达到调节电机负载的目的。这种方法具有响应快、控制精度高、能耗低等优点，成为了目前工业领域中最常用的电机调速方法。
然而，变频调速系统中存在功率因数不佳、调速精度不高、电流波动大等问题，严重影响了系统的稳定性和寿命。因此，如何提高变频调速系统的控制效率和稳定性，成为了工程师面临的挑战。
本文针对此问题，提出了一种基于模糊自整定PI控制的方法，以提高异步电机变频调速系统的稳定性和鲁棒性。该方法能够有效地控制电机的转速和电流，提高系统的控制精度和响应速度。
2.变频调速控制系统
异步电机变频调速系统是一种典型的反馈控制系统，通过对系统输入信号和反馈信号进行比较，实现对电机转速和电流的控制。变频调速系统的工作原理如图1所示。
图1变频调速系统工作原理
其中，变频器是变频调速系统的中心部件，用于将电源交流电转换为直流电，再将直流电转换为可控交流电。变频器的输出信号将被输入到异步电机的转子上，通过控制输出电压的大小和频率，实现对转速和电流的调节。
为了控制电机的转速和电流，变频调速系统需要设计控制器进行输入输出的关联。根据控制器的类型和参数，控制器可以分为PID、PI、PD等控制器。
3.模糊自整定PI控制器设计
回到变频调速系统的控制问题，我们需要选择一种控制器，并设计相应的参数，以达到对电机转速和电流的精确控制。然而，在实际情况中，电机具有不同的转动惯量、阻尼和负载，在控制器设计中容易出现鲁棒性差、控制精度低等情况。
因此，本文采用了模糊自整定PI控制器来进行控制器的设计，以提高系统的稳定性和鲁棒性。所谓模糊自整定PI，是指利用模糊逻辑来处理系统输入和输出的信息，从而自动调节控制器的参数，使系统能够自适应地控制电机。
模糊自整定PI控制器的设计如下：
首先，从变频调速系统的标准输入输出框图出发，可以得到系统的控制结构模型如图2所示。
图2变频调速系统的控制结构模型
其中，电机的开环传递函数为：
Kp
————
tau*s+1
其中，Kp为增益，tau为时间常数，s为拉氏变换的复频。
根据当前系统的状态和性能要求，在时间域对电机的开环传递函数进行分形处理，并对其进行模糊化处理，得到以下式子：
KpaI(tau)p
———————
aI(tau)sp+1
其中，aI(tau)表示电机的惯性参数，KpaI(tau)p表示电机的依赖性参数，s为拉氏变换的复频。
然后，利用模糊逻辑控制算法对KpaI(tau)p和aI(tau)进行进一步的处理，将其转化为输出为控制信号的模糊规则集，最终得到模糊自整定PI控制器的设计。
控制器的控制规则基于以下模糊控制器变量：
•误差：将当前实际转速值与预设转速值之差定义为误差。
•偏差：将误差的变化率定义为偏差。
•积分误差：将误差的累积值定义为积分误差。
控制器的控制规则可以表示为：
IFerrorisNBANDbiasisZETHENd(Kp/dt)isPS
ORerrorisNMANDbiasisZETHENd(Kp/dt)isPM
ORerrorisNSANDbiasisZETHENd(Kp/dt)isPB
IFerrorisZEANDbiasisNSTHENd(Kp/dt)isPB
ORerrorisZEANDbiasisNMTHENd(Kp/dt)isPM
ORerrorisZEANDbiasisNBTHENd(Kp/dt)isPS
IFerrorisPSANDbiasisPSTHENd(Kp/dt)isNS
ORerrorisPSANDbiasisPMTHENd(Kp/dt)isNM
ORerrorisPSANDbiasisPBTHENd(Kp/dt)isNS
IFerrorisPMANDbiasisPMTHENd(Kp/dt)isZE
ORerrorisPMANDbiasisPSTHENd(Kp/dt)isNS
ORerrorisPMANDbiasisPBTHENd(Kp/dt)isNM
IFerrorisPBANDbiasisPBTHENd(Kp/dt)isNS