多电机驱动带式输送机系统的功率平衡控制

第29卷 第4期2009年7月西安科技大学学报J OURNAL OF XI AN UN I V ERSI T Y OF SC I E NCE AND TEC HNOLOGYV o.l29 N o 4July 2009文章编号:1672-9315(2009)04-0478-04多电机驱动带式输送机系统的功率平衡控制*付周兴,赵峻岭,郝 帅(西安科技大学电气与控制工程学院,陕西西安710054)摘 要:针对多电机驱动带式输送机系统的功率不平衡现象,提出了一种基于PLC的自适应模糊PI D控制器。

利用该控制器对PI D参数的自整定功能,能实现多电机驱动带式输送机系统的功率平衡控制。

经仿真验证,采用本文提出的方法,使电机能获得较好的跟随性能及跟随精度,优于传统PI D的控制效果。

关键词:模糊PI D;带式输送机;功率平衡中图分类号:TD528+1 文献标志码:A0 引 言煤矿带式输送机多采用多电机驱动的方式,由于驱动装置的布置形式、运输带弹性的变化、驱动滚筒直径的差别、电机的转差率、安装误差及负荷变化等原因,导致各电机驱动力不一致,即出现功率不平衡现象[1,2]。

传统的多电机功率平衡控制多用PI D控制器来实现,其控制精度高,但鲁棒性差,而且PI D控制器是按事先设计好的控制参数对被控系统进行控制的,它不具备自调整能力[3]。

模糊控制器是一种近年发展起来的新型控制器,它的最大特点是无需确定系统的精确数学模型,控制性能鲁棒性较好,但单一的模糊控制往往难以满足系统对控制精度的要求[4,5]。

本文中将传统PI D控制技术和模糊控制技术相结合,设计了自适应模糊PI D控制器。

这种控制器综合了模糊控制与PI D控制的优点:比PI D控制有更快的动态响应,比模糊控制有更高的稳态精度。

经仿真表明,将其应用于带式输送机,其控制性能良好。

1 多电机驱动带式输送机功率平衡控制策略以双电机驱动带式输送机系统为研究对象,探讨带式输送机的功率平衡控制问题,其控制系统如图1所示。

控制系统以S7-300作为控制核心。

其中电机M1根据系统设定的频率f e按照转速n e运行,通过旋转编码器1将其旋转速度n1反馈给PLC进行PI D运算,实现速度闭环控制,以保证M1的稳定运行,使其符合现场对起动和运行的要求。

与此同时,旋转编码器2将电机M2的旋转速度n2也反馈给PLC,并和n1比较,如果转速差达到3%及以上,则M2以M1的速度为基准实行速度闭环控制。

若转速差在3%以内,将变频器2的运行模式从速度闭环控制切换成转矩闭环控制。

PLC通过RS485总线读取2台变频器的输出转矩T1和T2,以转矩偏差e和转矩偏差率e c作为自适应模糊PI D控制器的输入,将通过模糊PI D计算修正后的转矩T送至变频器2,控制电机M2,最终实现2台电机的功率平衡控制[6,7]。

2 自适应模糊PI D控制器的设计2.1 自适应模糊P I D控制器结构自适应模糊PI D控制器主要由模糊控制器和PI D控制器2部分组成(图2)。

其中PI D控制器完成对被控对象的控制。

模糊控制器采用二输入三输出结构,以偏差e和偏差率e c为输入量,以 K p, K I, K D*收稿日期:2009-01-13作者简介:付周兴(1959-),男,陕西岐山人,教授,硕士研究生导师,长期从事电力系统自动化方面的教学和研究工作.第4期付周兴等:多电机驱动带式输送机系统的功率平衡控制图1 带式输送机双电机驱动控制系统F i g .1 Contro l syste m o f be lt conveyor dr i ven by t w o mo tors为输出量,采用模糊推理的方法对PI D 参数进行在线修订,以满足不同的e 和e c 对控制系统的要求,使被控对象具有良好的动态和静态性能。

从系统的稳定性、响应速度、超调量和稳态精度等方面来考虑,K p ,K I ,K D 作用如下。

1)比例系数K p 的作用是加快系统的响应速度,提高系统的调节精度。

K p 越大,系统的响应速度越快,系统的调节精度超高,但易产生超调,甚至导致系统不稳定;K p 取值过小,则会降低调节精度,使响应速度缓慢,从而延长调节时间,使系统动态和静态特性变差。

2)积分系数K I的作用是消除系统的稳态误差。

图2 自适应模糊P ID 控制器的结构F i g .2 Structure of self adaptivefuzzy PID con tro ll erK I 越大,系统的稳态误差消除越快;但K I 过大,在响应过程的初期会产生积分饱和现象,从而引起响应过程的较大超调;若K I 过小,将使系统稳态误差难以消除,影响系统的调节精度。

3)微分系数K D 的作用是改善系统的动态特性。

其作用主要是能反应偏差信号的变化趋势,并能在偏差变得太大之前,引入一个有效的早期修正信号,从而加快系统动作速度,减少调节时间。

PI D 参数的整定必须考虑在不同时刻3个参数的作用以及之间的相互关系。

自适应模糊PI D 是在PI D 算法的基础上,通过计算当前系统偏差e 和偏差变化率e c ,根据各模糊子集的隶属函数和各参数的模糊控制规则,应用模糊推理,实时修正PI D 参数。

2.2 模糊变量及其论域该系统以转矩偏差e 和转矩偏差率e c 为模糊控制器的输入量, K p , K I , K D 为模糊控制器的输出量。

变量的模糊语言通常根据设备运行特点和实际经验确定[8,9]。

输入、输出变量的基本论域定义在模糊集上的论域为:E,E c ={-6,-5,-4,-3,-2,-1,0,1,2,3,4,5,6}; K p ={-5,-4,-3,-2,-1,0,1,2,3,4,5}; K I ={-2,-1,0,1,2}。

其中输入变量模糊集的7个语言值为{负大(NB ),负中(NM ),负小(NS),近似零(Z),正小(PS),正中(P M ),正大(PB )}。

输出变量 K p , K I 的模糊集的5个语言值为{负大(NB),负小(NS),近似零(Z),正小(PS),正大(PB)}。

2.3 模糊变量的隶属函数和赋值表由于三角形隶属函数具有较高的灵敏度,所以输入、输出变量都采用三角型隶属函数。

其相应的隶属函数曲线如图3~5所示。

根据模糊变量的隶属函数曲线可得到相应的模糊变量的赋值表。

2.4 模糊控制规则根据系统的特点,在控制过程中根据不同的转矩偏差和转矩偏差率,调整PI D 的3个参数,使M 1和M 2的驱动力相同。

在系统受到扰动后的初始状态,2台电机之间的转矩趋于同步越快越好,即应尽快消除转矩偏差;当电机之间的转矩趋于相同时,要尽量避免转矩发生超调的现象。

因此,在不同的E 和E c 时,对PI D 的3个参数的要求如下。

479图5 K I 的隶属函数曲线F ig .5 M e m ber f uncti on curve of K I 1)微分环节主要用来控制转矩偏差变化,其主要作用是在响应过程中抑制转矩偏差向任何方向的变化,对转矩偏差变化进行提前制动,降低超调,增加系统稳定性,但会延长调节时间,而且降低系统的抗干扰性能。

所以在具体设计中取消了微分环节而只采用PI 控制器。

2)在转矩偏差较大时,无论转矩偏差率如何,为尽快消除转矩偏差,提高响应速度,K p 取大值,同时为了避免系统转矩偏差出现较大的超调,应对积分作用加以限制,通常K I 取零;在转矩偏差比较小时,为继续减小转矩偏差,并防止超调过大,产生振荡和稳定性变坏,K p 值要减小;在转矩偏差很小时,为消除静差,克服超调,使系统尽快稳定,K p 值要继续减小,K I 值不变或稍大。

3)当转矩偏差与转矩偏差率同号时,说明电机M 2的转矩朝偏离电机M 1的转矩方向变化。

若转矩偏差较大,则应实施较强的控制,以改变转矩偏差的变化趋势,并迅速减小转矩偏差,可取较大的K p 和较小的K I ,以提高动态性能和稳态性能;若转矩偏差较小,可实施一般控制,以改变转矩偏差的变化趋势,可取中等的K p 和较小的K I ,以提高系统的稳态性能,避免产生震荡。

4)当转矩偏差与转矩偏差率异号时,说明M 2的转矩朝靠近M 1的转矩方向变化。

若转矩偏差较大,则应实施一般的控制,迅速减小转矩偏差,可取中等的K p 和较小的K I ,以提高动态性能和稳态性能;若转矩偏差较小,可实施较小控制,可取较小的K p 和较大的K I ,以提高系统的稳态性能,避免产生震荡。

根据上述讨论得到的 K p , K I 的模糊控制规则见表1和表2。

表1 K p 的模糊控制规则Tab .1 Fuzzy con trol rule of K pE /E c NB NM NS Z PS P M PB NB PB PB PB PB NB Z PB N M PB PB PS PS NS PS PB M S PB PB PS Z NS PS PB Z PB PS Z Z Z PS PB PS PB PS NS Z PB PB PB P M PB PS NS PS PB PB PB PBPBZNBPBPBPBPB表2 K I 的模糊控制规则Tab .2 Fuzzy con trol ru le of K IE /E c NB N M NS Z PS P M PB NB NB NB NS PS PB Z NB NM NB NB NS PB PB NS NB M S NB NB Z PB PS NS NB Z NB NB Z PB Z NB NB PS NB NS PS PB Z NB NB P M NB NS PB PB NS NB NB PBNBZPBPSNSNBNB图6 模糊P I D 控制程序流程F i g .6 F l ow chart o f fuzzy P I D con tro l progra m2.5 模糊控制表由于在线推理很难满足控制系统的要求,所以采用查表法进行模糊推理运算。

在实际运行过程中,对实测的误差值e 和e c 进行模糊化,得到E 和E c 。

将在表中查到的根据最大隶属度方法计算出的输出量的精确值 K p , K I ,送到PI D 控制器进行参数调整,将计算出的转矩T 2送到变频器2,进而控制电机M 2。

3 PLC 软件设计用PLC 实现模糊PI D 控制,不仅可以提高PI D 控制的快速性和精度,而且可以保证动作的可靠性,提高系统运行的安全性。

在S7-300中实现模糊PI D 控制的程序比较简单。

根据模糊PI D 控制原理,系统控制程序流程如图6所示。

4 仿真结果分析为了初步验证本文中设计的模糊PI D 控制器的控制性能,并为现场调试提供可靠的依据,利用MATLAB 仿真软件和模糊工具箱创建带式输送机双电机驱动控制系统480西安科技大学学报 2009年第4期付周兴等:多电机驱动带式输送机系统的功率平衡控制图7 2种控制方式转矩跟随曲线F i g .7 Fo ll ow i ng curve o f torque based on t wo contro lm ethod仿真模型,并和常规PI D 控制作了比较[10]。