基于模糊PI控制的闭环矢量控制系统在转炉倾动控制系统中的研究(第2次修改版)

模糊PI在转炉倾动控制系统中的研究赵晨旭邱东张楠戴文娟（长春工业大学电气工程与电子工程学院，吉林长春130012）ResearchoftheClosed—loopVectorControlSystemintheConverterTiltingBasedontheFuzzyPISystemZHAOCHENXU，QIUDONG,ZHANGNAN，DAIWENJUAN(SchoolofElectrical＆ElectronicEngineeringChangchunUniversityofTechnology,Changchun130012)摘要：根据转炉倾动机构负载的控制特点,应使炉体满足在低速时精确偏移，倾倒时快速偏移的特性。为此通过研究模糊-PI双模闭环矢量控制器来控制电机，从而控制转炉倾动。关键词：转炉倾动；闭环矢量控制；模糊控制；PIAbstract：Accordingtothecontro1featuresoftheconvertertiltingsystem,theconvertershouldcontentaccuratemigrationwhenthelowspeedandrapidmigrationatdumping.BystudingthefuzzyPIclosed-loopvectorcontrollertocontrolthemotor,soastocontroltheconvertertilting.Keywords：theconvertertilting;closed-loopvectorcontrol;thefuzzycontrol;PI0引言转炉的倾动是转炉系统控制的核心，是关系产品质量和生产安全的关键环节。在炉体倾倒时要能快速、稳定的倾倒，此时需要快速性及稳定性好的控制;风口吹入气体时，对炉体要有一个2°左右的倾动角度，这就需要控制稳定并且具有较高的精度。对于两种控制所需要的不同，采用模糊-PI双模控制的方法。1转炉的倾动工艺(1)倾动力矩设计转炉倾动控制系统时要对倾动力矩进行计算，从而选定耳轴位置。转炉在倾动的过程中铁水处于不断运动的状态，倾动力矩也随着角度的变化而变化。而转炉在冶炼过程中由于炉衬部分地区被侵蚀的相对严重，从而会导致新炉和旧炉在同一倾角时倾动力矩不同，一般旧炉的倾动力矩会明显大于新炉的倾动力矩。(2)倾动速度转炉的倾动速度由控制转炉的电机的转速来控制。转炉一般会有两种倾动速度:测温、取样、倾倒时应为低速，其他操作时为高速。转炉倾动机构一般采用全正力矩的工作方式，也就是不论转炉倾动到哪一个角度以及转炉在360°的回转过程中都保证为正力矩。转炉的重量主要集中在下部，如此便可以确保转炉事故断电状态下炉体也能自动复位，从而避免翻炉泼钢事故的发生。因此要求倾动机构具有势能负载的特性。故此对系统提出如下要求：a．倾动电机应有足够的启动力矩，以满足满载启动的要求，启动要平稳，要求频繁启动／制动，无冲击；能满足电机四象限运行时的需要。b．针对势能负载的特性，倾动系统最好在低速时能有较大的力矩输出。c．炉体须应能有准确、平稳停车定位的能力。d．4台电动机要同步运行，在启动、制动和正常工作状态下，4台电机的负荷都要尽量保持平衡；4台电机转速偏差不大于8r/min，转矩偏差不大于输出转矩的6％。2基于模糊PI控制的矢量控制系统2．1概述在异步电机的性能控制技术中，矢量控制是解决异步电机解耦控制问题最有效的方法之一。近些年来模糊控制的引入，使异步电动机控制领域有了新的发展。模糊控制具有不依赖对象的数学模型、鲁棒性强、对数学模型并不明感的优点，能够很好地克服伺服系统中模型参数变化和非线性等不确定因素。我们采用模糊一PI双模控制，当系统偏差较大时，选择模糊控制器，以达到较好的动态特性，当系统偏差较小时，选择基本PI控制器，以获得较好的稳态性能。2．2矢量控制技术异步电机的定子三相绕组通入三相电就会产生旋转磁场，在空间上对这个旋转磁场的坐标系定义为a一b一c坐标系。若要产生旋转磁场不一定非要三相绕组，只要是对称的绕组就会产生旋转磁场，所以只要有两相对称绕组所产的旋转磁场和三相绕组产生的旋转磁场在空间上是相等的，就可以认为此两相绕组与三相绕组在效果上是等效的，所以便有了假定的固定两相坐标系α-β坐标系。如果让这个两相静止的坐标系旋转起来，人们站在整个电机系统上和其一同旋转，这便回到了直流电机上，这个等效的旋转坐标系称为d一q坐标系，这便是异步电机矢量变换的思想。图1所示为异步电机磁链空间矢量图。dqAO.E.s.r.f.sIrW图1异步电机磁链空间矢量图其中.sI为定子电流向量，.f为转子励磁磁通向量，.s为定子磁通向量。异步电动机的数学模型为:2211221111112211qdqdffsddsfsfdsdddssddssqdqdiiiipLRLwpLLwLwpLRLwpLpLLwpLRLwLwpLLwpLRuuuu输出转矩方程为:2121qddqdpeiiiiLnT由以上方程可知，输出电磁转矩只与定子电流值有关，通过解藕后在d轴上没有定子电流分量，因此转矩方程可以简化为：qfdpeiLLnT所以只要通过控制输入定子绕组的电流便可以控制输出电磁转矩。2.3异步电动机在(α-β)两相静止坐标系下的数学模型基于矢量转换的概念，由三相对称绕组产生的磁场和对称两相绕组产生的磁场等效的原则，来定义静止两相坐标系α-β坐标系，α轴与β轴垂直并且β轴要超前α轴90°。不同于三相静止坐标系，α-β坐标系的垂直特性其两相绕组之间没有藕合的关系。坐标转换关系如图2所示。abcdq1w图2异步电动机的矢量变换示意图异步电动机在α-β坐标系下的电压方程:2211221100000iiiipLRpLwLwLpLRwLLpLpLRpLpLRuuuurrmmrrrmmmssmss2.4异步电动机在(d-q)两相旋转坐标系下的数学模型d-q坐标系为旋转的两相坐标系，定义为沿转子磁链方向的为d轴、q轴与d轴垂直并且超前d轴90度电角度，根据图2.2可知从a-b-c三相静止坐标系及α一β两相静止坐标系均能基于矢量变换原理转换到两相旋转坐标系d-q中。异步电动机在d-q坐标系下的磁链方程:2211211000000000qdqdrmrmmsmsdqdiiiiLLLLLLLL异步电动机在d-q坐标系下的电压方程:22112211000qdqdrrsmsrrmmmsssmmsssqdqdiiiiRLwLwpLRpLpLwLpLRwLwLpLwLpLRuuuu2.5转炉倾动角的检测转炉的倾动控制分两个方面，一方面是在从炉顶吹入气体时，要调整一个在2-3度的变化角度。另一方面是在炉体倾倒物料时，要快速的将炉内铁水倾倒，此时炉体的倾动需要做出快速性的控制，这两种控制的切换是要根据炉体的倾动角来判断的。因此对炉体的位移检测是很必要的。在此选择光电编码盘，可将角位移信号转换成数字信号。在转炉倾动控制系统中，通过光电编码器来获得转子的旋转角速度。然后根据转矩输出的方程获得转矩与转子速度的关系，在保持转子磁链的角度恒定，并且令它与转子磁链之间的系数为k则有:FHLkwiLPrqmm1tan其中中F为炉体所受的推力，H是电炉的垂直高度，所以就能找出电炉的偏移角δ与转速之间的关系，从而可以判断出两种控制方式之间的切换。2.6模糊控制的基本原理模糊控制的的核心部分为模糊控制器，模糊控制器中的控制规律由处理器中的程序实现，处理器经过中断采样来获取被控制量的精确值，然后将此量与给定值进行比较得到误差信号E。选误差信号E作为模糊控制器的一个输入量，把误差信号E的精确量进行模糊量化变成模糊量，误差E的模糊量在用相应的模糊语言进行表示。至此，从而得到了误差E的模糊语言集合的一个子集e。再由e和模糊控制规则R(模糊关系)根据推理的合成规则进行模糊决策，得到模糊控制量u。控制系统的结构框图如图3所示。R-eEUuY模糊控制器语言规则模糊化模糊推理清晰化控制对象图3模糊控制系统结构图2.7模糊PI控制器模型的建立转炉倾动控制系统是双环控制系统，电流内环的控制对稳定性要求高，而受外界干扰又不明显，所以选用传统PI控制器。而转速外环的要求较高，在外环控制中电机的负载特性和受外界干扰等情况的存在，要求控制器具有较强的抗干扰能力，稳定的性能和较好的鲁棒性，所以此控制系统在PI控制器上应用模糊控制思想，并结合以往速度控制经验，以转速的偏差、转速偏差变化率和炉体倾动的角度作为模糊输入，输出为PI控制器的比例和积分控制常数Kp与Ki。控制器的结构如图4所示PI控制器电流环d/dt模糊控制规则+-r(k)e(k)u(k)c(k)e(k)e(k)KpKi图4模糊PI控制器结构示意图2.8确定隶属度函数本设计模糊控制采用三输入两输出控制器，输入量为转速误差e，转速误差变化率ec以及炉体倾动角度δ，输出量为PI控制器的比例系数Kp，积分系数Ki。设转速误差与变化率误差的物理论域为(一6，6)，模糊子集为{NB，NM，NS，20，PS，PM，PB}，倾动角度δ的论域为(一2，2)，模糊子集为{NB，PB}，输出量Kp与Ki的物理论域为{-6，6}，模糊子集为{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}。隶属度函数如下图所示。转速误差e与误差加速度ec隶属度函数炉体倾动角δ隶属度函数输出量Kp与Ki隶属度函数2.9建立模糊规则由于转炉体倾动控制分为需要电机在短时间内输出较高转矩的微动控制过程和需要对电机的输出转矩有快速响应的倾倒过程，因此分别对其建立模糊控制规则表。NBEcKpENBNMNSZOPSPMPBNBPBPBPMPMPSZOZONMPBPBPMPSPSZOZONSPMPMPMPSZONSNSZOPMPMPSZONSNMNMPSPSPSZONSNSNMNMPMPSZONMNMNMNMNBPBZOZONMNMNMNBNB微动控制Kp输出规则表NBEcKiENBNMNSZOPSPMPBNBNBNBNMNMNSZOZONMNBNBNMNSNSZOZONSNMNMNMNSZOPSPSZONMNMNSZOPSPMPMPSNMNSZOPSPSPMPBPMZOZOPSPSPMPBPBPBZOZOPSPMPMPBPB微动控制Ki输出规PBEKpKiNBPBPMNMPBPSZOPMZOPSPMZOPMPSZOPBPSNS倾倒控制模糊控制规则表2.10进行模糊推理和输出函数的清晰化此控制系统选用Mamdani模糊推理对模糊控制进行逻辑推理，并通过输入、输出的模糊化及解模糊将实际的参数与模糊控制器相结合来进行调节。在模糊清晰化的分析中我们假设任一组数据来进行清晰化分析，并假设当前的三个输入量e、ec、δ值分别为1，-2，-2，经过模糊规则运算后得出在此刻对应的隶属度，并基于极大值极小值原理输出其模糊集，得出这时对转速的精确控制是处于微动控制的过程，我们再通过加权平均法求出其对应输出量比例系数Kp为0.025，积分系数Ki为1.05。根据这中的方式便可计算出提供给PI控制器的参数为多少，从而能完成对系统实时高效的控制。3结束语本文介绍了模糊控制思想结合PI控制的控制器的模型，这是一个速度电流闭环系统，设计以转速的误差、转速误差的变化率和炉体偏转角度作为模糊控制器的输入量，以PI控制器的比例系数Kp与积分系数Ki作为输出的控制器。参考文献：[1]张朝霞，影响AOD炉耐火材料寿命的因素及其分析，太钢科技，2004年第2期，Pl-7[2]张朝霞，王建昌，太钢Aon炉衬长寿技术，耐火材料