基于PLC的模糊控制变频调速系统

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摘 要随着变频调速技术的应用日 益广泛,应用水平的不断提高,对变频调速控制系统的精度要求也越来越高.目许多变频调速装置属于开环控制方前,式,不能满足较高精度的要求.为提高调速系统的精度,一般都需要进行闭环控制.交流异步电机因其价格低廉,经久耐用,易于维修,适合在恶劣的环境中使用等优点已得到广泛的应用.但交流电机的数学模型和运算较为复

杂,制特性会受其控对象内参数变化的部影响,而用固定的因调节器去控制时,往往难以得到较理想的静动态特性.采取可靠的PC和变频器控制交流 L异步电机方法,把模糊控制算法引入到控制系统中,提高了系统的静动态特性.

本文结合异步电动机速度闭环控制, 提出了一种基于PC L的模糊逻辑控制实现方法.首先对模糊控制变频调速系统进行总体设计,然后重点进行 P C变频器与上位机通信程序设计.在此基础上,论述了 L,模糊控制器的原理和结构,用P C编程实现了模糊控制器的设计. L所开发的系统将模糊控制与P C相结合, L克服了传统的调节器超调大的缺点,充分发挥了PC控制灵活, L编程方便,适应性强的优点,提高了控制的精确度.实验结果表明,该系统能对电机转速实现精确控制,实用性强,具有一定的推广价值.

关键词:模糊控制;PC L;变频器

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A src btatWi t n e i a laos ai l r uny e c t l i r s g pct n o vr b f qec sed n o t h c an p i i h e f a e e p or t ho g, acr y a alf qec sed t l e r u e et e nl yt cua o vrbe uny e cn oss m im ns c o h e c f i r e p or yt e r q i i r s g hg. p s tmay i l f qec sed t l t s e i l i A r e, vr b r uny e cn o ss m n a n y h t n c e n aa e e p or y e

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基于 P C的模糊控制变频调速系统 L竺一音舀刁刁 '不二己I J .宣 F刁

11国内外变频技术的发展现状 .111国内变频调速技术的发展概况〔2 ..,] 1[我国电 气传动产业始建于 15 94年,当时第一批该专业范围内的学生从各大专院校毕业,同时在机械工业部属下建立了我国第一个电气传动成套公

司.现在我国已有 20 0家左右的公司,工厂和研究所从事变频调速技术的工作.我国是一个发展中国家,许多产品的科研开发能力仍落后于发达国家.至今自行开发生产的变频调速产品大体只相当于国际上 8 0年代水平.随着改革开放,经济高速发展,形成了一个巨大的市场,它既对国内企业,也对外国公司开放.很多最先进的产品从发达国家进口,在我国运行良好,满足了生产和生活需要.国内很多合资公司生产当今先进的产品,国内很多公司自行开发,生产产品的能力较弱,对国外公司的依赖严重.

从总体上看我国电气传动的技术水平较国外先进水平差距 1-5在 01年.大功率无换相器电机等变频调速技术方面,国内只有少数科研单位有能力制造,但在数字化及系统可靠性方面与国外还有相当差距.在中小功率变频技术方面,国内几乎所有的产品都是普通的VF/控制,仅有少量的样机采用矢量控制,品种质量还不能满足市场需要,每年需大量进口变频控制设备.国内交流变频调速技术产业现状是:

(变频器的整机技术落后,国内虽有很多单位投入了一定的人力, 1 )物力,但由于力量分散,并没有形成一定的技术开发能力和生产规模. () 2变频器产品所用半导体功率器件的制造业儿乎是空白.() 3相关配套产业及行业落后. () 4产销量少,可靠性及工艺水平不高.

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频调速系统 L

11外变 .. 2国频调速技术的展概况〔发 2 1在大功率交—交变频调速技术方面, 法国阿尔斯通己能提供单机容量达3万千瓦的电气传动设备用于船舶推进系统.在大功率无换向器电机变频

调速技术方面,意大利A B B公司提供了单机容量为6万千瓦的设备用于抽水蓄能电站.在中功率变频调速技术方面,德国西门子公司的S oe A i vr电流 m t

型晶闸管变频调速设备容量为1 20K A和S oe P O变频 0 60 V - i vr G P m t T WM调速设备单机容量为1090 V,其控制系统己实现全数字化,用于电力 0-0K A机车,风机,水泵传动.在小功率交流变频调速技术方面,日本富士BT J变频器最大单机容量为70 V, T 0K A IB变频器己形成系列产品,其控制系统也 G己实现全数字化.国外交流变频调速技术高速发展有以下特点:

(市场需求空间大.随着工业自 1 )动化程度的不断提高和能源全球化短缺,

变频技术越来越广泛地应用在机械,纺织,化工,造纸,冶金,食品等各个行业以及风机,水泵等设备,并取得显著的经济效益.

() 2功率器件的发展.近几年来高电压,大电流的G R G O IB, T T, T, T IC G G等器件的生产和面世,使高电压,大功率变频器产品的生产及应用成为现实. ()控制理论和微电子技术的发展.矢量控制,磁通控制,转矩控制,模糊 3

控制等新的控制理论为高性能的变频器提供了理论基础;位,3位高速微 1 6 2处理器以及信号处理器(S ) ( P和专业集成电路(SC技术的快速发展, D ( I) A为实现变频器高精度,多功能和智能化提供了硬件手段. (基础工业和各种制造业的高速发展,变频器相关配套件社会化,专业化 4 )生产

12 .

模糊控制理论概况〔 6 1

16年, 95美国加利福尼亚大学的扎德(.. dh教授发表了两篇开创性 L Z c) A a

的论文:集( z ss模糊集与子系统( z ss st s从而模糊 ( z e) F y和 u t ( z e A d e ) F y n y m, u t s产生了模糊集合论,并奠定了模糊集合理论和应用研究的基础.在自 动控制产生之前,人们在生产过程中只能采用手动的控制方式进行控制.在整个控制过程中,人首先通过观测被控对象的输出,然后再根据所

得到的观测结果做出决策,最后对被控对象进行手动调整.操作人吊不断1 i h

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进行观测—决策—调整,来实现对被控对象的控制,而这三步分别是由人的眼—脑—手来完成的.后来,随着科技的进步,人们又利用各种测量装置 (如测量仪表,传感器等)代替人眼,利用各种控制器( I如P D控制器)

来代替人脑,利用各种执行机构来代替人手,这样就构成了常规的反馈控制系统.人们经过长期的研究和实践形成的经典控制理论对解

决线性定常系统是比较有效的,再后来又出现了基于状态空间的现代控制理论,它在解决线性或非线性,定常或非定常问题上得到了广泛的应用.但是,不管是古典控制理论还是现代控制理论都必须事先知道被控对象的精确数学模型,然后才能进行控制系统的设计.而在许多情况下被控对象的数学模型很难建立,这时,利用前述的方法就很难实现理想的控制.对于有经验的操作人员来说这种被控对象进行手动控制却能达到较好的效果.这样,一些学者就把模糊集的思想引入系统控制,提出了模糊控制的概念,并开展了理论及应用方面的研究.

近3年来, 模糊控制在控制领域的应用越来越受到人们的重视.国内 0外不少专家,学者,工程技术人员都致力于模糊控制的研究,并将模糊控制器用于工业过程控制方面,取得了良好的效果.17年,英国的E . m ai 91 . Ma dn H首先把模糊控制语言组成的模糊控制器用于控制蒸汽发动机.17年, 95英国

的 i及 ad i Kn M m a利用模糊控制器控制一应炉搅拌池的 g n个反温度.1 6 9年, 7荷兰学者Kce等人通过模糊控制器解决了热交换过程中非线性, i r kt干扰,非对称增益特性和时滞的控制问题,收到了最佳P控制的效果.17年, I 96英国

学者 og Tn对压力容器内压力部的和液面进行模糊控制. 7年, 1 7英国的 a i 9 Pp s p等采用模糊控制,对十字路口的交通管理进行试验,使得平均等待时间减少

70 9% 1年英国的 . oy . a d i 9 7 1 .和EH M m a研究一种自 Jr Pc . n组织的模糊控制器,这种控制器在控制过程中能不断地修改和调整控制规则,使控制系统的性能

不断完善.99丹麦公司研制的模糊逻辑计算机协调控制系统投入运行, 17年, 18年又研制成功分析器和上述系统配合使用, 92实现了湿法水泥窑的模糊控制.1 3 9年,日 8本学者Su M r a i ht u km研制成功一种基于语言真值推理的 a a模糊逻辑控制器,成功地用于汽车速度的自动控制.从17年开始, 99我国也不断开展了模糊控制理论及其应用方面的研究工

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作,取得了一定的理论成果.近十五年来,国内在工业过程控制中,尤其是在工业炉,窑的控制中应用模糊控制取得了不少成果.河北省科学院自动化研究所的安建民等设计的可锻铸铁退火炉温度模糊自寻优控制系统于18 95

年1月通过鉴定. 2重庆电子技术研究所华晓鸣设计的电弧冶炼炉的模糊控制系统于18年4 96月投入运行,并于同年1月通过化工部组织的鉴定等.从以 0上介绍的部分有代表性的研究情况来看,模糊控制的理论研究和推广应用工作在我国不仅有了良好的开端,而且逐步成为引人瞩目的一个热点技

术,具有广阔的应用前景.

13可编程控制器技术的发展及应用 .第一台可编程控制器( 以下简称P C的设计规范是美国通用汽车公司提 L)出的.当时的目的是要求设计一种新的控制装置以取代继电器,在保留了继

电器控制系统的简单,操作方便,价格便宜等优点的基础上,同时具有现代化生产线所要求的时间响应快,控制精度高,可靠性好,控制程序可随工艺改变,易于与计算机接口,维修方便等诸多高品质与功能.这一设想提出后,美国数宇设备公司(E ) 99 D C于16年研制成第一台P C型号为P P1, L, D -投入 4通用汽车公司的生产线控制中,取得了令人满意的效果,从此开创了P C L的新纪元.在短时间内, L在其他工业部门也得到应用.到7年代初, PC 0食品,

金属和制造等工业部门相继使用P C L代替继电器控制设备,迈出了其实用化阶段的第一步.

7年代中期,由于大规模集成电路的出现,使可编程控制技术产生了飞 0跃.在逻辑运算功能的基础上,增加了数值运算,闭环控制,提高了运算速度,扩大了输入输出规模.7年代末由于超大规模集成电路的出现,使P C 0 L

向大规模,高速性能方向发展,形成了多种系列化产品.这时面向工程技术人员的编程语言发展成熟,出现了工艺人员使用的图形语言.在功能上P C L

己可以代替某些模拟控制装置和小型机的D C D系统.进入8年代后, L的 0 PC软硬件功能进一步得到加强,P C L己发展成为一种可提供诸多功能的成熟的控制系统,能与其他设备通信,生成报表,调度产出,可诊断自身故障及机器故障.P C L未来的发展不仅依赖于对新产品的开发,还在于P C L与其他工业控制设备和工厂管理技术的综合.无疑P C L将在今后的工业自动化中扮演

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重要角色.在未来的工业生产中, L技术和机器人,C DC M将成为实 PC A/A现工业生产自动化的三大支柱.目 L朝以下几个方向发展:前P C() 1大型网络化主要朝D S C方向发展,网络化和强通信能力是P C L发展的

一个主要的方面,向下与多个智能装置相连,向上与工业计算机,以太网等相连构成特殊的控制任务.

()多功能为了 2适应特殊功能的需要,连续推出多种智能模块,如模拟量输入输出,回路控制,通信控制,机械运动控制,高速技术,中断输入等.这些智能模块以为处理器为基础, P与P C P并行工作,占其C U L的C U用主机CU P时间很少,有利于提高P C L扫描速度和完成特殊的控制任务. ()高可靠性,兼容性由于现代控制系统的可靠性和兼容性日 3渐受到人

们的重视,一些公司强自诊断技术,冗余技术,容错技术广泛应用到现有产品中.

() 4编程语言向

高级语言发展 P C L的编程语言在原有梯形图语言,顺序功能块和指令表语言基础上,推出了可运行与计算机wno s i w环境下,界面友 d好的梯形图和语句表两种形式的编程,调试,诊断等功能.

在发达的工业国家, L已 P C经广泛应用于所有的工业部门,随着其性能价格比的不断提高,应用范围也不断扩大. L主要用于以下方面. PC ()开关量逻辑控制 P C" 1 L用与","或","非"等逻辑指令来实现触点和电路的串,并联,代替继电器进行组合逻辑控制,定时控制与顺序逻

辑控制.开关量逻辑控制可以用于单台设备,也可以用于自动生产线,其应用领域己遍及各行各业,甚至深入到家庭中.

() 2运动控制 P C L使用专用的指令或运动控制模块,对直线运动或圆周运动的位置,速度和加速度进行控制,使运动控制与顺序控制有机结合在一起. PC L的运动控制功能广泛应用于各种机械. ()闭环过程控制 P C 3 L通过模拟量1模块,实现模拟量和数字量之间的/ OAD/转换于DA/转换,并对模拟量实行PD I控制.

() 4数据处理现代的 L具有数学运算和数据传送, PC转换,排序和查表,位操作等功能,可以完成数据的采集,分析和处理.这些数据可以与存储在

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存储器中的参考值比较,也可以用通信功能传送到别的智能装置,或者将它们打印制表.

()通信联网 P C 5 L的通信包括主机与远程1之间的通信,多台P C/ O L之间的通信,P C L与其他智能控制设备之间的通信. L与其他智能控制设备一 PC

起,可以组成"集中管理,分散控制"的分布式控制系统.11 90 11 1

1 . 4选题的依据' 1 1随着电力电子技术, 计算机技术以及自动控制技术的迅速发展,电气传

动技术正面临一场历史性的革命.经过了二十多年的发展,近代交流传动逐渐成为电气传动的主流.电机交流变频调速是当今节电改善工艺流程以提高产品质量和改善环境,推动技术进步的一种主要手段.变频调速以其优异的起动,调速和制动性能,高效率,高功率因数和节能效果,广泛的应用范围等优点被国内为公认为最有发展前途的调速方式.变频调速系统有广泛的应用前景, 但如何使变频调速系统具有更好的调

速性能和更高的控制精度,是我们在选题过程中首先考虑到的问交流异题.步电动机是一个非线性,强祸合的对象,异步电动机变频调速时传递函数的推导过程是相当复杂的,即使作了很多简化(例如假设磁势是正弦分布的,磁路不饱和,没有磁滞与涡流损耗等)所得到的一组微分方程式也是非线性的,一般不能用解析法来求解,而只能借助于模拟计算机去模拟系统的动态

方程或者借助于数字

计算机去求取一组数值解,这样用常规的控制方法来实现精确度高的变频调速是较困难的.针对这一情况,采取可靠的P C和变频 L

器控制交流异步电机方法,并把模糊控制算法引入到该控制系统中,从而有效的提高了系统的静动态特性.

模糊控制变频调速系统主要有以下优点: (整个控制系统结构简单,维护简单. 1 ) (计算精确,无漂移,控制精度高. 2 ) (调试简单,通用性强. 3 ) () 4监控,通信能力强等.总之,模糊控制变频调速系统是值得研究和探讨的,它开辟了变频调速 系统改善系统性能的新途径,具有十分重要的实用价值和广阔的应用前景.

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