四开关三相永磁同步电动机矢量控制系统(完整版)实用资料.doc

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1、四开关三相永磁同步电动机矢量控制系统（完整版）实用资料(可以直接使用，可编辑 完整版实用资料，欢迎下载）四开关三相永磁同步电动机矢量控制系统收稿日期:2021 06 03吴延华,邹存芝(黑龙江科技学院电气与信息工程学院,哈尔滨 150027摘 要:四开关三相逆变器作为传统六开关逆变器故障后重构拓扑得到了研究重视。该文研究了四开关三相永磁同步电动机矢量控制系统,分析了四开关逆变器空间矢量脉宽调制(S V P WM技术,并在搭建的仿真和实验平台上进行了对比研究。结果表明,四开关逆变器的采用实现了永磁同步电动机驱动系统的容错运行,同时由于使用较少的功率器件也减小了系统体积,降低了成本。关键词:永磁同

2、步电动机;四开关三相;矢量控制;SVP WM中图分类号:TM351;T P276 文献标志码:A 文章编号:1001 6848(202108 0067 04Vector Control Syste m of Four s witch Three phase Perm anentM agnet SynchronousM otorsWU Y an hua,ZOU Cun zhi(Institute of E lectrical and Infor m ation E ng ineering,H eilongjiang College ofS cience and T echnology,H arb

3、in150027,ChinaAbst ract:Four s w itch three phase i n verter is be i n g attached as a post fau lt recon fi g uration topo logy.Per m anent synchronous m agnet m oto r(P M S Mvector contro l syste m fed by four s w itch three phase i n verter w as studied in this paper.Space vector pu lse w i d th m

4、 odu lation(SVP WMfor four s w itch i n verters w as an alyzed and co m pleted co m parison research on the bu ilt si m ulati o n and experi m ental p latf o r m s.The si m u la ti o n and experi m enta l results de m onstrate that fault to lerant operation of P M S M can be ach ieved by m eans o f

5、the adoption o f four s w itch inverter.And a lso,the syste m ic cost and vo lu m e are reduced because of the lesser e mp l o yed po w er co m ponents.K ey W ords:Per m anent m agnet synchr onous m o tor;Four s w itch t h ree phase i n verter;V ector contro;l SVP WM0 引 言采用三相电压源逆变器供电的永磁同步电动机系统以其良好的控

6、制特性、较高的功率密度和效率等优点在工业、航天航空和军事等领域得到了广泛应用。然而,永磁同步电动机(P M S M驱动系统中的功率半导体器件及其控制电路是最易发生故障的薄弱环节,其可靠性问题一直没有得到有效解决1。功率变换器一旦发生故障,轻则将造成系统停机影响生产,重则造成灾难性事故。尽管人们为提高电机驱动系统的可靠性而采取降额设计和并联冗余等方法,但这会使系统造价过高,且仅适用于空间条件允许的场合。为改变这种状况,国外已有研究者提出逆变器容错技术2 4。四开关三相逆变器作为一种常用的故障重构与低成本拓扑,得到了研究者的广泛重视5 8。本文将四开关三相逆变器用于永磁同步电动机矢量控制系统,研究

7、了四开关三相逆变器的空间矢量脉宽调制(SVP WM。为验证理论分析的正确性和所提方法的可行性,搭建了仿真模型,并基于DSP TM S320F2812设计了三相四开关永磁同步电动机矢量控制系统,与传统六开关逆变器系统进行了仿真和实验对比研究。结果表明,四开关逆变器可以作为传统逆变器故障后的重构拓扑,实现永磁同步电动机驱动系统容错运行,同时较少功率器件的采用也减小了系统体积,降低了成本。1 系统总体设计四开关三相永磁同步电动机矢量控制系统组成如图1所示。与传统永磁同步电动机矢量控制系统相比,逆变器采用了四开关拓扑,母线上串联两个电容,并把中点抽出与一相绕组相连。被控电机为67 表面磁钢永磁同步电动

8、机,控制系统采用与传统六开关P M S M 相同的转子磁场定向控制,即,控制。通过采样绕组电流,利用坐标变换理论实现同步旋转坐标系下的电流闭环调节;速度环调节输出作为交轴电流的给定值,以实现对电机转矩的控制;电机转子位置和速度通过与转子同轴连接的位置传感 器获得。图1 四开关三相P M S M 矢量控制系统组成2 四开关三相逆变器及其S VP WM 控制2 1 四开关逆变器拓扑四开关三相逆变器拓扑如图2所示。其中一相绕组端连接在直流母线串联电容的中点上,通过两个电容的充放电来产生该相绕组所需的电流。由于较传统逆变器减少了两个功率开关器件和续流二极管,降低了系统成本,相应的P WM 控制策略也不

9、同 于六开关逆变器。图2 四开关逆变器拓扑2 2 四开关SVP WM 控制SVP WM 控制是以三相对称正弦波电压供电时交流电动机产生的理想圆形磁链轨迹为基准,用逆变器不同的开关模式产生的实际磁通去逼近基准磁链圆,从而达到较高的控制性能9。传统的六开关逆变器可提供6个有效电压矢量和2个零矢量,而四开关逆变器只有4个开关状态,对应4个基本电压矢量,且没有零矢量。控制自由度降低,难度加大。如图2所示,用开关函数s b 、s c 分别表示b 、c 两相桥臂功率开关管的通断状态:1代表上管导通,下管关断;0代表上管关断,下管导通;同一相桥臂的上下开关管开关信号互补。电机相电压与开关信号的关系可以表示为

10、:u an =V d3(1-s b -s c u bn =V d 3(2S b -S c -12u cn =V d3(2s c -s b -12(1其中,u an 、u bn 、u cn 分别为电机相电压;V d 为直流母线电压。定义电压矢量U 为U =23(u an +u bn j 2 /3+u cn e -j2 /3(2利用C larke 变换,得到电压在两相静止 坐标系下的两个分量u =V d3(1-s b -s c u =V d 3(s b -s c (3则有U =U +j U(4四开关逆变器的4个基本电压矢量在轴上的分量,如表1所示。表1 四开关逆变器的基本电压矢量U (s b ,s

11、 c u u U 0(00 V d /30U 1(010-V d 3U 2(100V d /3U 3(11-V d /3将表1中列出的三相四开关逆变器的基本电压矢量描绘于空间坐标图中,如图3所示,4个基本电压矢量将矢量空间划为4个扇区。图3 三相四开关逆变器电压矢量68如图3所示,在任一扇区内,参考电压矢量U 可以由互差90 的相邻两电压矢量主矢量来合成。定义参考电压矢量与其旋转方向上落后电压矢量间的位置角为!。以扇区!为例,U 0、U 2为用于合成参考电压矢量的两个相邻主矢量。U 0、U 2的作用时间可以表示为T s =UT sin !/U 0(5T y =UT cos !/U 2(6T 0

12、=T -T x -T y(7在传统六开关系统中,由于存在零矢量,时间T 0可通过施加零矢量来补足。但四开关系统中不存在零矢量,因此可考虑在相同时间内施加2个相反方向电压矢量来等效零矢量的作用。图3为按照开关次数最小原则确定的各扇区电压矢量合成图,即每一开关周期以U 0开始并结束,且同一桥臂上开关器件的开关状态只改变两次。以扇区I 为例,等效零矢量由T 0U 0/2和T 0U 3/2合成,并且所有矢量采 用分段施加的方式。图4 各扇区电压矢量合成图四开关SVP WM 算法流程可由图5表示。所属扇区根据参考矢量在 和 轴分量的符号判断,作用时间由式(5、(6、(7确定,按照图4所示的电压矢量分配与

13、合成原则确定功率器件的开关模式。通过四开关SVP WM 控制的四开关逆变器输出即可形成如图3所示的圆形磁链。3 仿真与实验结果借助Matlab/Sm i uli n k 软件,同时采用TM S320F2812分别搭建了四开关三相永磁同步电动机矢量控制系统仿真模型和实验平台,进行仿真和实验对比研究。仿真和实验结果分别如图6和图7 所示。仿真中,在0 05s 时系统中六开关逆变器切换为四开关拓扑。图6(a、(b、(c分别为电机定子三相电流仿真波形、转速波形和转矩波形。图5(d为四开关逆变器输出的圆形电压矢量轨迹。根据故障前后对比可以看出,系统维持了良好的运行状态。图7为四开关三相永磁同步电动机矢量

14、控制系统实验结果。通过实验可知,电机绕组三相电流表现出了良好的正弦性和对称性,电机运行良好。但同时表明,母线串联电容的容量和参数的一致性对电机绕组电流和运行性能有很大影响,当两电容容量较小或参数一致性较差时,三相电流表现出不69 对称,电机运行状态变差。设计时应选用参数一致性好的滤波电容,并尽量增大容量。同时,四开关三相逆变器串联电容表现出的电压均衡问题也值得 进一步研究。4 结 论本文研究了四开关三相逆变器用于永磁同步电动机矢量控制的可行性。分析了四开关逆变器的运行模式和SVP WM 控制原理,利用在相同时间内施加两个相反方向电压矢量来等效零矢量的作用,给出了具体算法。搭建了仿真模型和实验平

15、台,方案的可行性得到了验证。参考文献1 P .W.W i k stron ,S.Reli ab ili ty ,Avail ab ili ty ,and M ai ntai n ab ilit y ofH i gh po w er Vari ab le Speed Dri ve Syste m sJ.I EEE Trans .Ind .App.l 2000,36(1:231 241.2 B young Gun Park ,Tae Sung K i m .Fau lt Tolerant S trategi es f orBLDC M ot or Drives under Sw itch Fau

16、ltsJ .I EEE T ransations onIndus try App li cati on s ,2006:1637 1641.3 R .L .A .R i b ei ro ,C .B.Jacob i na .Co m pen s ati on S trategies i n the P WM VSI Topol ogy for a Fau lt Tolerant Inducti on M otor Dri ve Syste m C.SDEM PED 2003,2003:211 216.4 Ch ia Chou Y eh ,Nabeel A.O .Fau lt Tolerant O

17、p erati on s i n Adj ustab l e Speed D ri ves and Soft S tarters for Induction M otors J .IEEE Tran sati on s on Indu stry App licati ons ,2007:1942 1949.5 Sun Dan,H e Zongyu an ,H e Y i k ang ,et a.l Fou r Sw itch InverterFed P M S M DTC w it h SVM Approach for Fau lt To l eran t OperationJ.IEEE T

18、ran s acti ons on Po w er E lectron ics ,2007:297 299.6 孙丹,何宗元,Ivonne Y z n aga B lanco ,等.四开关逆变器供电永磁同步电机直接转矩控制系统转矩脉动抑制J .中国电机工程学报,2007,27(21:47 52.7 蒋志坚,徐殿国,朱香娟.感应电动机四开关低成本逆变器的磁链轨迹改进控制研究J .中国电机工程学报,2003,23(11:74 79.8 孙丹,何宗元,贺益康.四开关逆变器供电永磁同步电机直接转矩控制系统转矩脉动抑制J.中国电机工程学报,2007,27(21:47 52.9 杨贵杰,孙力,崔乃政,等.

19、空间矢量脉宽调制方法的研究J.中国电机工程学报,2001,21(5:79 83.作者简介:吴延华(1953-,男,教授,研究方向为电力拖动与控制。邹存芝(1980-,女,硕士研究生,研究方向为永磁同步电机控制。70收稿日期:2003-09-23修订日期:2003-12-17作者简介:杨岳峰(1981- , 男, 安徽亳州人, 北京交通大学硕士研究生, 研究方向为电机及其控制。机电控制技术开关磁阻电机控制系统在电动汽车中的应用杨岳峰, 孙即明, 张奕黄(北京交通大学电气工程学院, 北京100044摘要:了比较, AT89C51的基础上采用T MS320LF2407, , 响应更快。关键词:; ;

20、 应用文献标识码:A文章编号:1001-4551(2004 03-0017-04The DSP 2based SR D Application in E lectric V ehicles Y ANG Y ue 2feng ,S UN Ji 2ming ,ZH ANG Y i 2huang(College o f Electrical Engineering , Bejing Jiaotong Univer sity , Beijing 100044, China Abstract :Driving m otor control system is one of the technique p

21、f electrically operated car. The thesis firstly makes the com 2paris on of several m otor , and points out their advantages and disadvantages. At the same time , it als o deals with the switched re 2luctance drive , and on the base of the AT 89C51, the new generation of DSP T MS320LF2407of TI , maki

22、ng the controller having m ore higher efficiency and m ore faster response.K ey w ords :electric vehicle ; switched reluctance drive ; T MS320LF2407电动汽车(Electric Vehicle 是一种以电池为动力的汽车, 与燃油汽车有显著的区别。电动汽车是涉及到机械、电力、电子、计算机控制等多种学科的高技术产品, 电动汽车将势必成为21世纪取代燃油汽车的主要交通工具。1开关磁阻电动机特性开关磁阻电动机(SRM 是20世纪70年代以后才逐渐发展起来的一

23、种新型驱动装置, 它可以实现高精度、快响应、高效率以及高输出的性能指标。对SRM 的研究和开发已经引起了国际电工界的广泛重视。典型的SRM 原理, 如图1所示, 该系统采用的是12/8极三相开关磁阻电动机。S1、S2是电子开关,D1、D2是二极管,E 是直流电源。电机磁阻随着转子磁极与定子磁极的中心线对准或错开而变化, 因为电感与磁阻成反比, 当转子磁极在定子磁极中心线位置时, 相绕组电感最大, 当转子极间中心线对准定子磁极中心线时, 相绕组电感最小。图1典型的SR M 原理图当定子A 相磁极轴线OA 与转子磁极轴线Oa不重合时, 开关S1、S2合上,A 相绕组通电, 电动机内建立起以OA 为

24、轴线的径向磁场, 磁通通过定子轭、定子极、气隙、转子极、转子轭等处闭合。通过气隙的磁力线是弯曲的, 此时磁路的磁导小于定、转子磁极轴线重合时的磁导, 因此, 转子将受到气隙中弯曲磁力线的切向磁拉力产生的转矩的作用, 使转子逆时针方向转动, 转子磁极的轴线Oa 向定子A 相磁极轴线OA 趋近。当Oa 和OA 轴线重合时, 转子已达到平衡位置。此时打开A 相开关S1、S2, 合上B71机电工程2004年第21卷第3期M echanical &E lectrical Engineering M agazine V ol. 21N o. 32004相开关, 即在A 相断电的同时B 相通电, 建立以B相

25、定子磁极为轴线的磁场, 电动机内磁场沿顺时针方向旋转, 转子在磁场磁拉力的作用下继续沿着逆时针方向旋转。可见, 连续不断地按A -B -C -A 的顺序分别给定子各相绕组通电, 电动机内磁场轴线就沿A -B -C -A 的方向不断移动, 转子则沿A -C -B -A 的方向逆时针旋转。如果按A - C -B -A 的顺序给定子各相绕组轮流通电, 则磁场沿着A -C -B -A 的方向转动 , A -B -C -A 方向顺时针旋转, 。2调速系统系统采用的开关磁阻电动机(SRM , 调速系统(SRD 主要由SRM 、功率变换器 、控制器、位置检测器构成, 如图2所示。图2SR D 系统构成框图2

26、. 1开关磁阻电机(SR MSRM 是SRD 中实现机电能量转换的部件, 系双凸极可变磁阻电动机, 其定、转子的凸极均由普通硅钢片叠压而成。转子无绕组也无永磁体, 定子极上绕有集中绕组, 径向相对的两个绕组可串联构成一个两极磁极, 称为“一相”。SRM 可以设计成多种不同相数结构, 且定、转子的极数有多种不同的搭配。对于有自起动、四象限运行要求的驱动场合, 定、转子极数都应该有合理的组合方案。SRM 结构外形如图3所示。2. 2功率变换器功率变换器的作用是将电源提供的能量经适当转换后提供给SRM , 由蓄电池或交流电整流后得到的直流电供电。由于SRM 绕组电流是单向的, 使得其功率变换器主电路

27、不仅结构较简单, 而且相绕组与主开关器件是串联的, 因而可预防短路故障。SRM 的功率变换器主电路的结构形式, 如图4所示。;2. ;3. ;4. ;5. 轴;9. 光电盘;10. 风扇; 绕组;13. 槽楔;14. 转子铁芯;15. 接线盒图3开关磁阻电动机外形结构图图4不对称半桥式主电路2. 3控制器采用德州仪器公司(TI 公司 的T MS320LF2407, 它集实时信号处理和控制器外设功能于一身, 具有下列特点。(1 基于高性能静态C M OS 技术, 使得供电电压降为3. 3V , 减小了控制器的功耗;30MIPS 的执行速度使得指令周期缩短到33ns (频率30MH z , 从而提

28、高了控制器的实时控制能力。(2 基于T MS320C2XX DSP 的CPU 核心, 保证了T MS320LF240X 系列DSP 代码和T MS320系列DSP 代码兼容。(3 片内具有高达32K B 的F LASH 程序存储器, 高达1. 5K B 的数据/程序RAM , 544B 的双口RAM (DARAM 和2K B 的单口RAM (S ARAM 。(4 两个事件管理器模块E VA 和E VB , 每个包括:两个16为通用定时器; 8个16位的脉宽调制(PW M 通道。它们能够实现:三相反相器控制; PW M 的对称和非对称波形; 当外部引脚PDPI NTX 出现低电平时能快速关闭PW

29、 M 通道; 可编程的PW M 死区控制可以防止上下桥臂同时输出触发脉冲; 3个捕获单元。(5 有片内光电编码器接口电路;16通道A/D 转换器。事件管理器模块适用于交流感应电机、无81M echanical &E lectrical Engineering M agazine V ol. 21N o. 32004机电工程2004年第21卷第3期刷直流电机、开关磁阻电机、步进电机、多级电机和逆变器。(6 可扩展的外部存储器(LF2407 总共有192K B :64KB 子程序存储器;64K B 数据存储器;64K B 数据存储器;64K B I/O 寻址空间。(7 看门狗定时器模块(W DT

30、。(8 10位A/D 转换器最小转换时间为 500ns , 可选择由两个事件管理器来触发两个8通道输入A/D 转换器或一个16通道输入的A/D 转换器。(9 控制器局域网络(C AN 2. 0B (10 (11 16(SPI 。(12 。(13 高达40个可单独编程或复用的通用输入/输出引脚(G PI O 。(14 5个外部中断(电机驱动保护、复位和两个可屏蔽中断 。(15 电源管理包括3中低功耗模式, 并且能独立将外设器件转入低功耗模式。这些特点使得T MS LF2407DSP 特别适合于控制SRM 电机, 而且为和其他控制器通信提供了便利。3控制系统设计开关磁阻电机作为电动车驱动用电机,

31、其控制系统与通用调速系统相比要复杂得多。系统硬件框图, 如图5所示。图5系统硬件框图3. 1电动状态与制动状态电动车辆的一个显著特点就是经常性地进行前进、刹车制动和倒车等。因此, 电动车的驱动电机需要经常作电动和制动状态切换。这就要求电动车驱动用开关磁阻调速电机的控制器设计, 同通用调速系统有很大的不同。通常它驱动电动机车辆前进, 当需要减速或刹车时, 要从电动状态转到制动状态, 同时把一部分能量回馈电池。如车辆下坡时, 最好能把它所具有的势能通过制动发电回馈给电池, 这义。三相12/8结构SR 。系统中使用三路彼此相隔15机械角度的脉冲信号来反馈位置信号。通过F2407的捕获单元(C AP1

32、3 对三路脉冲信号进行实时检测来实现对转子位置信号的检测。C AP 单元不仅能检测信号的变化, 而且还能记录两次信号变化的时间间隔, 由此可以确定电机转子的位置, 计算出电机的实际运行速度, 进而准确地控制各相的开通和关断。为了实现电平的匹配和提高系统的抗干扰性能, 编码脉冲信号整形后通过光耦隔离输入。3. 2PWM 调速控制策略采用PW M 控制技术, 对直流电压源U S 实施斩波, 调节供电电压U , 可实现对SRD 系统的调压调速控制。在SR 电机的众多调速方案中,PW M 调压调速具有简单、易于实现的优点, 同时调速性能较好。本电机采用三相6管制变换器主电路, 适合PW M 控制。我们

33、在相绕组导通区引入PW M 信号, PW M 信号和相导通信号通过一个与门后形成了PW M 控制的复合导通信号, 其中1为开通角, 2为关断角。PW M 复合调制的电流斩波方式有两种:斩单管方式和斩双管方式。在斩单管时, 复合导通信号只引入每相一个主开关的控制端上管(如V1 , 下管(如V2 直接引入导通信号。上管担当电流斩波作用, 斩波时绕组电流仅流过二极管续流。3. 2. 1斩单管方式的特点(1 续流期间, 绕组两端电压近似为0, 因而电流脉动小, 振动噪声以及效率都比较令人满意。在斩单管PW M 调压调速时, 加在主电路上的平均电压:U =D U S式中D PW M 占空比因此控制占空比

34、即可控制主电路上的平均电压, 以达到调压调速的目的。(2 续流期间没有能量回馈电源。91机电工程2004年第21卷第3期M echanical &E lectrical Engineering M agazine V ol. 21N o. 320043. 2. 2斩双管方式的特点斩双管时, 复合导通信号同时引入上下两管(如V1、V2 的控制端。斩波时, 绕组电流经电源而续流, 这种斩波方式的特点:(1 续流期间, 绕组两端电压近似为U S , 因而电流脉动大, 振动噪声以及效率都较差。(2 续流期间有能量回馈电源。采用斩单管的PW M 调压调速技术, 理论上简单明确, 实现起来也很方便方案有一

35、定的优越性, 现。, 选择了合适的参数, 。PW M 控制策略, 一般使用在电动状态。在本开关磁阻调速电机的制动状态, 我们同样采用了PW M 技术来控制制动电流及制动转矩。制动电流反馈结合PI 调节器和PW M 回路构成了一个电流环, 控制电机以一个恒定的制动电流进行制动。4试验结果(1 电压波形, 如图6所示。从波形图中可以得知, 电机绕组的导通区间与断区间的长度随转速的升高而减小。开关导通, 整流桥的输出电压正向加 在电机绕组两端; 开关断后的电压斩波续流期间, 与电机绕组相连的两开关只关断一个, 绕组为零电压续流, 当换相时与绕组相连的两个开关都关断, 电源电压反向作用在电机绕组两端。

36、(a 74N m 、1298r/min 、10. 03kW 的电压波形b 1N m 、1496r/min 、10. 03kW 的电压波形图6绕组电压波形(2 绕组电流波形, 如图7所示。286. 97N 1m 、496r/min 、14. 906kW 的电压波形图7组电流波形5结束语在电动汽车中, 驱动系统设计是很灵活的。除了本文讨论的可以选择不同的电机和控制技术以外, 还可以选择单电机或多电机系统, 有减速器或没有减速器, 有变速器或没有变速器, 普通电机或电动轮等多种驱动方式。随着研究的深入和新技术、新材料、新工艺的采用, 电动汽车的性能将进一步提高, 有可能成为下一世纪的理想交通工具。参

37、考文献:1王宏华. 开关型磁阻电动机调速控制技术M.北京:机械工业出版社,1998.2樊小明等. 电动车驱动用开关磁阻电机的研究与实践J.中小型电机,1997,24(2 .欢迎订阅机电工程, 月刊, 年定价96. 00元, 邮发代号:32-6802M echanical &E lectrical Engineering M agazine V ol. 21N o. 32004机电工程2004年第21卷第3期 智能PID算法在远程液位控制系统中的应用摘要：本文介绍了利用可编程序控制器（PLC）实现的远程液位自动控制系统，详细论述了智能PID算法的控制规则，给出了由PLC完成其控制策略的硬件配置和

38、软件实现方法。 Abstract：This paper presents a remote fluid level control system on base of PLC. The control rule of intelligent PID algorithm is discussed in detail, and the hardware configuration as well as the software realization performed by PLC is proposed. 关键词：智能PID 控制规则 PLC 远程液位控制 Keywords：Intellige

39、nt PID Control rule PLC Remote fluid level control 1、引言 在工业过程控制系统中，目前采用最多的控制方式依然是PID控制。即使在美国、日本等工业发达国家，PID控制的使用率仍达90%，可见PID控制在工业过程控制中占有异常重要的地位。PID控制技术经历了数十年的发展，从模拟PID控制发展到数字PID控制，技术不断完善与成熟。尤其近十多年来，随着微处理技术的发展，国内外对智能控制的理论研究和应用研究十分活跃，智能控制技术发展迅速，如专家控制、自适应控制、模糊控制等，现已成为工业过程控制的重要组成部分。智能控制与常规PID控制相结合，形成所谓智能

40、PID控制，这种新型的控制方式已引起人们的普遍关注和极大兴趣，并已得到较为广泛的应用。本文介绍了一种应用于远程液位控制的智能PID控制算法，它有不依赖于系统控制对象精确模型的特点，有较好的鲁棒性。 2、控制对象及特征 某建材企业的生产用水以河水为水源，简单净化后经加压泵站输送到屋顶水池，然后由屋顶水池经自然落差送往生产车间。加压泵采用变频控制。系统框图如图1所示。为保证水池的水位维持在设定的位置，使加压泵输送到水池的水量与车间的用水量相一致，达到节电节水的目的，就必须根据用水量的变化及时调节加压泵的转速（即出水量）。然而由于屋顶水池与加压泵站的距离较远，从加压泵站给水量的增减到屋顶水池水位的变

41、化，需经过长距离的输送管道，受管网压力、流量的影响，系统惯性大，滞后时间长，用常规的PID控制方式系统产生振荡，水位大范围波动不定。针对上述特征，采用可编程控制器实现的智能PID控制方案较好地解决了这一问题。 3、常规的PID控制 通常闭环控制系统由控制器、执行部件、被控对象以及反馈检测元件几部分组成。原理框图如图2所示。 在闭环控制系统中，控制器是系统的核心，其控制算法决定了系统的控制特性和控制效果。控制器最常用的控制规律是PID控制。PID控制器是一种线性控制器，它根据给定值r（t）与实际输出值c（t）构成控制偏差e（t）（e（t）= r（t）-c（t），将偏差e（t）的比例（P）、积分（

42、I）和微分（D）通过线性组合构成控制量，对被控制对象进行控制，故称为PID控制器。 4、智能PID控制算法 4.1典型的二阶系统分析 典型的二阶系统单位阶跃响应误差曲线如图3所示。在图3中、区域，误差朝绝对值减小的方向变化，此时可实施较弱的控制作用或保持等待。在、区域，误差朝绝对值增大的方向变化，此时可根据误差的大小分别实施较强的或一般的控制作用。对于典型二阶系统阶跃响应过程分析如下。 设e（k）表示离散化的当前采样时刻的误差值，e（k-1）、e（k-2）分别表示前一个和前二个采样时刻的误差值，则有： e（k）=e（k）-e（k-1） e（k-1）=e（k-1）-e（k-2） （41） （1）

43、当|e（k）|emax时，说明误差的绝对值很大，此时不论误差的变化趋势如何，都应考虑控制器按最大（或最小）输出，以迅速调整误差。即： u（k）=umax 当e（k）0时 u（k）=umin 当e（k）0时，说明误差在朝绝对值增大的方向变化，此时如果emid|e（k）| u（k）=u（k-1）+ k1u（k） （43） 如果emin|e（k）| u（k）=u（k-1）+u（k） （44） （3）当e（k）e（k）1; k2抑制系数，0 emax、emid、emin为设定的误差界限，其中emaxemidemin。 4.2智能PID控制规则 智能PID控制是在常规PID控制的基础上，根据专家及操作人

44、员的实际经验，针对具有大滞后、时变、非线性系统而提出的控制方法。其主要特点是按区段进行不同算法的调节，它既有bang-bang控制的快速性，又有迟滞控制的稳定性和抗干扰能力。根据上述的分析，总结出相应的控制规则如下： 规则1：如果|e（k）|emax 则 u（k）=umax e（k）0时; 或 u（k）=umin e（k）0时 规则2：如果emid|e（k）| 则 u（k）=u（k-1）+ k1u（k） e（k）e（k）0时; 或 u（k）=u（k-1）+u（k） e（k）e（k）0时 规则3：如果emin|e（k）| 则 u（k）=u（k-1）+u（k） e（k）e（k）0时; 或 u（k）

45、=u（k-1）+ k2u（k） e（k）e（k）0时 规则4：如果|e（k-1）| 则 u（k）=u（k-1） 由上述四条规则可知，智能PID算法本质上是非线性的，能较好克服常规PID的缺点。规则1、4条体现了系统的快速性与稳定性，规则2、3条体现了PID变参数调节的自适应性。 5、采用PLC实现的智能控制策略 5.1硬件配置 可编程序控制器硬件配置采用三菱公司的FX2N-32MR主机和FX2NA/D及D/A输入输出模块组成。水位设定值和水位实际采样值经过A/D模块转换成数字量，PLC根据智能PID控制规则进行运算处理后，经D/A模块输出模拟调节信号到变频器，由变频器调节水泵的转速，即出水量，从而实现了水位的自动控制。 5.2软件实现 智能PID算法是在PLC中完成的。随着微处理技术的不断发展，PLC的运算速度越来越快，功能也越来越强，用PLC进行软件编程和规则判别非常容易。实现文中的控制算法只要对相关的参数进行四则运算和参数比较即可。智能PID算法中emax、emid、emin等各参数的大小及采样周期T的频率在调试中具体确定。智能PID算法软件框图如图4所示。 6、结束语