摘要：為提高無(wú)刷直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的魯棒性，利用擾動(dòng)觀測(cè)器對(duì)外部負(fù)載轉(zhuǎn)矩?cái)_動(dòng)進(jìn)行估計(jì)并加以補(bǔ)償，利用模糊自適應(yīng)控制器實(shí)現(xiàn)pid參數(shù)的在線(xiàn)自整定，以適應(yīng)因系統(tǒng)內(nèi)部參數(shù)變化引起的擾動(dòng)。仿真和實(shí)驗(yàn)表明，所設(shè)計(jì)的調(diào)速系統(tǒng)對(duì)系統(tǒng)負(fù)載擾動(dòng)和參數(shù)變化的魯棒性較好，并具有較高的速度跟蹤精度。
關(guān)鍵詞：無(wú)刷直流電機(jī)；魯棒性；擾動(dòng)觀測(cè)器；模糊自適應(yīng)控制；仿真；實(shí)驗(yàn)引言由于轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和相電阻的變化、電樞反應(yīng)等因素，無(wú)刷直流電機(jī)是一種多變量強(qiáng)耦合的非線(xiàn)性系統(tǒng)，難以用精確的數(shù)學(xué)模型表達(dá)。傳統(tǒng)的控制過(guò)于依賴(lài)被控對(duì)象的模型參數(shù)，無(wú)法滿(mǎn)足高精度場(chǎng)合的控制要求。因此，現(xiàn)代控制理論，如模糊控制、模型參考自適應(yīng)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和遺傳算法等被用于無(wú)刷直流電機(jī)的控制【3-5]。
模糊控制通過(guò)模糊邏輯和近似推理方法，把人的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ突恍枰刂葡到y(tǒng)精確的數(shù)學(xué)模型；對(duì)系統(tǒng)的內(nèi)外干擾和參數(shù)攝動(dòng)魯棒性非常強(qiáng)，且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、響應(yīng)快速，因此很適合無(wú)刷直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的要求。本文將模糊自適應(yīng)控制策略引入無(wú)刷直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中，通過(guò)合理設(shè)計(jì)模糊自適應(yīng)控制器，以期提高調(diào)速系統(tǒng)的魯棒性和速度跟蹤精度。
數(shù)學(xué)模型以三相星型連接無(wú)刷直流電機(jī)為例，電機(jī)的狀態(tài)方程為：
根據(jù)式(1)建立基于導(dǎo)通兩相的電機(jī)線(xiàn)電壓平衡方程和電磁轉(zhuǎn)矩方程為：
素。把輸入和輸出量都量化到[一3，一2，一l，0．，2，3]這樣一個(gè)區(qū)間，對(duì)應(yīng)的模糊子集為nb、、ns、zo、ps、pm、pb。模糊化過(guò)程中，e、和kp、ki、kd的隸屬度函數(shù)均服從三角函數(shù)分布。
模糊自適應(yīng)控制器設(shè)計(jì)的核心是模糊推理規(guī)則。該規(guī)則是將專(zhuān)家的經(jīng)驗(yàn)和操作者的技能加以總結(jié)而得出的模糊條件語(yǔ)句的集合。本文中采用類(lèi)型的模糊邏輯推理，包含具有式形式的模糊蘊(yùn)涵關(guān)系。模糊自適應(yīng)控制器采用離線(xiàn)進(jìn)行模糊推理產(chǎn)生模糊規(guī)則表，然后把模糊規(guī)則表存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)中進(jìn)行在線(xiàn)查表控制。
，通過(guò)模糊推理得到的輸出是一個(gè)模糊集合，在實(shí)際使用中要用確定的值才能去控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)，這就需要反模糊化。本文采用最常用的加權(quán)平均法進(jìn)行反模糊化，得到kp、ki、kd的值。
總之，模糊自適應(yīng)控制是建立在傳統(tǒng)pid算法基礎(chǔ)上的，只是kp、ki、kd不再是固定的常數(shù)，而是隨e、ec的變化而在線(xiàn)調(diào)整，以實(shí)現(xiàn)在不同工況和各種擾動(dòng)情況下對(duì)系統(tǒng)的優(yōu)化控制。
仿真分析和實(shí)驗(yàn)結(jié)果基于以上分析，所設(shè)計(jì)的無(wú)刷直流電機(jī)魯棒控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示�？梢园l(fā)現(xiàn)，對(duì)于外部的負(fù)載擾動(dòng)，在圖3中被一個(gè)由擾動(dòng)觀測(cè)器構(gòu)成的內(nèi)環(huán)所包圍，經(jīng)擾動(dòng)觀測(cè)器估計(jì)并進(jìn)行了補(bǔ)償，提高了控制系統(tǒng)對(duì)外部擾動(dòng)的魯棒性。因電機(jī)參數(shù)變化引起的系統(tǒng)內(nèi)部擾動(dòng)也被模糊自適應(yīng)控制器通過(guò)pid參數(shù)的在線(xiàn)自整定得到了抑制，進(jìn)一步改善了系統(tǒng)的魯棒性。
�。�1仿真研究與分析將本文提出的魯棒性沒(méi)計(jì)方法應(yīng)用于一臺(tái)無(wú)刷
響應(yīng)曲線(xiàn)和速度波形的仿真結(jié)果。從圖4(a)可以看出，突加負(fù)載后，該觀測(cè)器能在較短的時(shí)間內(nèi)準(zhǔn)確觀測(cè)到負(fù)載轉(zhuǎn)矩的變化。圖4(b)說(shuō)明，該控制系統(tǒng)因負(fù)載擾動(dòng)引起的速度波動(dòng)小且能在較短時(shí)間內(nèi)回復(fù)到平衡狀態(tài)，這是由于擾動(dòng)觀測(cè)器快速跟蹤了負(fù)載轉(zhuǎn)矩的擾動(dòng)，在其明顯影響轉(zhuǎn)速輸出之前，通過(guò)轉(zhuǎn)矩前饋環(huán)節(jié)預(yù)先加以補(bǔ)償，故具有較好的魯棒性。
仿真用以模擬電機(jī)實(shí)際運(yùn)行中，因負(fù)載轉(zhuǎn)矩大小、分布擾動(dòng)等引起的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量變化對(duì)系統(tǒng)造成的影響。
由圖可知，由于轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的減小，速度曲線(xiàn)出現(xiàn)了超調(diào)，但由于模糊自適應(yīng)控制器對(duì)pid參數(shù)的自動(dòng)調(diào)整能力，速度響應(yīng)曲線(xiàn)迅速回復(fù)至平衡狀態(tài)，調(diào)整過(guò)程持續(xù)時(shí)間很短。圖5表明了該控制系統(tǒng)對(duì)電機(jī)參數(shù)變化造成的擾動(dòng)不敏感，魯棒性強(qiáng)。
4．2實(shí)驗(yàn)結(jié)果實(shí)驗(yàn)采用tms320f2812為控制芯片的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，由dsp、ipm、電流檢測(cè)、轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)電路等構(gòu)成。為驗(yàn)證所設(shè)計(jì)系統(tǒng)的速度跟蹤效果，以正弦曲線(xiàn)作為速度給定信號(hào)，其速度跟蹤曲線(xiàn)如圖6所示。由圖可知，本文設(shè)計(jì)系統(tǒng)的速度跟蹤響應(yīng)快速且平穩(wěn)，無(wú)明顯超調(diào)，跟蹤效果較好。
5.結(jié)語(yǔ)
無(wú)刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)利用基于擾動(dòng)觀測(cè)器的負(fù)載轉(zhuǎn)矩前饋補(bǔ)償技術(shù)提高了系統(tǒng)對(duì)外部負(fù)載轉(zhuǎn)矩?cái)_動(dòng)的魯棒性；對(duì)因電機(jī)本體參數(shù)變化等因素造成的內(nèi)部擾動(dòng)，設(shè)計(jì)了模糊自適應(yīng)魯棒控制器進(jìn)行有效抑制，使系統(tǒng)的魯棒性得以進(jìn)一步提高。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)對(duì)系統(tǒng)內(nèi)外干擾均有較好的魯棒性，且具有調(diào)節(jié)時(shí)間快速，速度跟蹤精度高的控制效果。
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