电力电子课设.docx

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电力电子课设

课程设计任务书

学生姓名：

专业班级：

自动化

指导教师：

工作单位：

武汉理工大学

题目:

基于模糊控制算法电机软起动仿真

初始条件：

设计出基于模糊控制算法电机软起动仿真模型。

要求完成的主要任务:

（1）搭建模糊控制器仿真模型；

（2）用simulink设计系统仿真模型，能够正常运行得到仿真结果；

（3）与额定电压直接起动比较，性能有什么变化，总结规律。

时间安排：

2012年6月18日至2012年6月22日，历时一周，具体进度安排见下表

具体时间

设计内容

6.18

指导老师就课程设计内容、设计要求、进度安排、评分标准等做具体介绍；学生确定选题，明确设计要求

6.19

开始查阅资料，完成方案的初步设计

6.20

由指导老师审核系统结构图，学生修改、完善流程图、并仿真

6.21

撰写课程设计说明书

6.22

上交课程设计说明书，并进行答辩

指导教师签名：

年月日

系主任（或责任教师）签名：

年月日

引言....................................................2

1搭建模糊控制仿真模型..................................3

1.1模糊控制器原理.....................................3

1.2模糊控制器仿真模型的设计..........................6

2仿真图形与结果.......................................10

2.1加入模糊控制模块之前的仿真图.....................10

2.2加入模糊控制模块之后的仿真图.....................11

2.3结果分析.........................................12

3与额定电压直接启动比较...............................13

4小结与体会...........................................14

参考文献...............................................15

成绩评定表.............................................16

引言

电动机软启动是一种连续无极逐步升压限流启动方式，其主要思想是通过软件控制，使电动机在启动时。

定子电压由某一初始值逐渐上升至全电压，并在电压上升过程中，限制启动电流的增加，以实现小电流、平滑启动。

软启动器是一种以实现软启动思想为基础，硬件以微处理器为核心，以无触点晶闸管为主要控制器件的交流调压装置，在软件支持下实现电动机升压限流启动，并在电动机启动后继续参与电动机的运行控制。

因此需在电动机定子电路中接入晶闸管调压装置和定子电流检测装置。

调压装置由6个晶闸管Kpl～Kp6组成。

三相定子电流检测分别由霍尔传感器H1～H3完成。

在启动过程中，晶闸管Kpl～Kp6的触发角由软件控制，从而使加在交流电动机三相定子绕组上的电压由零逐渐平稳升至全电压。

同时，电流检测装置检测三相定子电流并送给微处理器进行运算和判断，当启动电流超过设定值时，软件控制升压停止，直到启动电流下降到设定值以下，再使电机继续升压启动。

若三相启动电流不平衡并超过规定的范围，则停止启动。

另外由电机学原理可知：

当电动机的输入电源频率不变时，电动机的输出转矩与输入电压的平方成正比。

因此，软启动不仅使电动机定子电压连续平滑的增加，实现了升压限流控制，而且避免了电动机启动转矩的冲击和不平衡的现象。

一．搭建模糊控制器仿真模型

1.1模糊控制器的原理

模糊控制,作为一种语言控制器,主要是模仿人的控制经验,因此模糊控制能近似地反映人的控制行为,其特性是对过程参数变化不太敏感,能克服非线性、时变和纯滞后因素的影响,不要求被控对象具有精确的数学模型,具有很强的鲁棒性。

该系统针对三相异步电动机起动过程中反馈电流与晶闸管触发角之间没有精确的数学模型,采用的模糊控制方法把电动机起动电流与设定值之差E及其个周期的变化率EC作为输入量,晶闸管触发角的变化值U作为输出量。

控制过程中由模糊控制器对输入量模糊化、模糊推理,决策和对输出量去模糊化,最终得到输出控制量,来控制三相异步电动机晶闸管的触发角,改变三相异步电动机的输入电压,实现软起动。

直流电机调速模糊控制系统的工作过程是根据检测到的转速值，计算速度偏差和偏差率。

由于此时的转速偏差和偏差率是精确值，需要经过模糊化处理，得到模糊量。

而模糊控制器根据输入变量（模糊量），按照模糊推理规则，计算得到控制量（模糊量）。

最后，把模糊控制量去模糊处理变为精确量，去控制直流电机的运转，其核心是模糊控制器的实现。

模糊控制器的实现步骤如下。

（1）确定输人与输出变量的模糊子集和论域及隶属度

在模糊控制直流电机调速系统中，采用负大（NB），负小（NS），零（ZO），正小（PS）。

正大（PB）5个模糊状态描述转速偏差E。

相应的论域为：

E={一3，-2，一1，0，1，2，3}。

转速偏差E的隶属函数表如表1所示。

表1转速偏差E的隶属函数衰

-3

-2

-1

0.5

同理，采用负大（NB），负小（NS），零（ZO），正小（PS），正大（PB）5个模糊状态描述转速偏差率E。

相应的论域为：

Eo={一3．一2，一1，0，1，2，3）。

转速偏差率E的隶属函数表同表1。

采用负大（NB），负小（NS），零（ZO），正小（PS），正大（PB）5个模糊状态描述模糊决策c。

相应的论域为：

C={一6，一5，一4，一3，一2，一1，0，1，2，3，4，5，6，）。

表2模糊决策c的隶属函数裹

-6

-5

-4

-3

-2

-1

0.5

（2）确定模糊控制规则

根据输入量E，E。

和输出量C，总结在直流电机调速试验中所掌握的经验，得到模糊控制规则。

直流电机调速系统的模糊控制可总结为如下控制规则表（见表3）。

表3直流电机调速系统的模糊控制规则表

（3）计算采样时刻的偏差和偏差率

偏差:

e（t）=Y（t）-Y（d）

偏差率:

（t）=e（t）-e（t-1）=

e（t）

e（t）和

（t）均为精确值，需经过模糊化处理得到模糊量E（t）和

（t）。

（4）偏差和偏差率的模糊化

用精确值e（t）和

（t）分别乘以两个比例因子1／

和1／Gc，即可得到模糊量E（t）和

（t）。

设转速的偏差范围为[一90，90]，偏差率的范围为[一9，9]，设计的模糊论域为[一3，3]，则可得到：

偏差比例因子

=90／3=30；偏差率比例因子Gc=9／3=3。

模糊化得：

E（t）=e（t）／

；

（t）=

（t）／Gc。

由于模糊论域只取了一3到3之间的整数，因而对于结果为非整数的变量，采取四舍五人就近取整的原则将其整数化。

表4表示偏差及偏差率的模糊化。

表4偏差及偏差率的模糊化

偏差

偏差率

偏差

偏差率

7.5

75>e

7.5>e

4.5

45>e

4.5>e

1.5

15>e>-15

1.5>e>-1.5

-15

e>-45

-1

-1.5

e>-4.5

-1

-45

e>-75

-2

-4.5

e>-7.5

-2

-75

-3

-7.5

-3

（5）进行模糊决策

模糊直流电机调速系统根据某一时刻采样得到的两个模糊输入量进行推理判断，结果给出一个控制量。

其推理公式为：

c（t）=[E（t）×Ec（t）]·R。

（6）模糊判决（将控制量去模糊化）

模糊判决的方法较多，常用的有：

最大隶属度法、取平均值法和加权平均法，这里采用加权平均法，其推理公式为：

C（t）=

在模糊控制系统运行时，控制器需要进行模糊化、模糊推理和逆模糊化等运算，按上述过程在线运算时，需要很长时间，所以通过离线运算，并经大量实验调整，产生一个模糊控制总表（见表5）。

这样，可以通过偏差、偏差率的离散等级直接读取控制量的增量。

表5模糊控制总表

-3

-2

-1

-3

-2

-1

-2

-1

-3

-1

-3

-4

-1

-2

-5

-1

-2

-3

-6

1.2模糊控制器仿真模型的设计

图1.1软启动模糊控制模块原理图

图3为三相异步电动机软起动控制仿真原理图,由电源模块、电压测量模块、常量输入模块、6脉冲触发模块、信号分解模块、反并联晶闸管模块、触发模块、阶跃信号模块、电机模块、电动机测量单元、示波器、放大器、回馈控制部分（选路器、放大器、常量模块、可控开关模块、饱和限制模块、信号延迟模块、模糊控制模块）组成。

图1.2电流偏差隶属函数曲线图

表6模糊控制规则表

图1.3三相异步电动机软启动控制系统模型

图3为三相异步电动机软启动控制中的反并联晶闸管模块,由3对反并联的晶闸管组成。

图4为模糊控制模块,其输入端为三相异步电动机A相电流的有效值,其输出是用来控制触发脉冲器的触发延迟角。

仿真参数设置如下:

异步电机参数为:

额定功率为4.7kW,额定电压为380V,定子绕组电阻为0.435Ω,定子绕组漏感为0.004H,转子绕组电阻为0.816Ω,转子绕组漏感为0.004H,互感为0.0693H,转动惯量为0.189kg.

摩擦系数为0,极对数为2;三相电源参数:

电压220

V,频率为50Hz;负载设定:

在6s时给电机加一个负载转矩大小为20;晶闸管触发角的初值设为

（即设定了启动电流的初值）。

仿真的起始时间为0s,结束时间为10s,采用ode15s算法,相对误差为

。

图1.4反并联晶闸管模块

图1.5模糊控制模块

图1.6不带模糊控制的电机启动

图1.7带模糊控制的电机启动

二．仿真图形与结果

2.1加入模糊控制模块之前的仿真图

图2.1定子电流有效值

图2.2转矩特性图

图2.3转速特性图

2.2加入模糊控制模块之后仿真图

图2.4定子电流有效值图

图2.5转矩特性曲线

图2.6转速特性曲线

2.3结果分析

由仿真结果可以看出,传统的电动机软启动（在这里选取了串联电抗器起动）,存在大的电流冲击,转速冲击等弊端;而模糊控制应用到三相异步电动机软启动时,克服了电流,转速的冲击,起动的过程比较平稳。

根据图6和图8的仿真结果可以看出,基于晶闸管模糊控制的电动机软起动的起动电流峰值限制在15A左右,仅为额定电流的1倍左右,有效的抑制了起动电流的过冲;只是在突加负载的时候,造成了电流轻微的振荡,但冲击电流很小,最后稳定在20A左右；

电动机的转速到达额定转速的时间非常短,上升时间只有0.2s左右,超调很小,起动过程非常平稳,当在电动机到达平稳后,突然给其一个负载转矩时,可以看出电动机转速很平稳的减小,直到平稳为止。

仿真结果表明,用模糊控制实现对异步电动机软起动控制的方法,具有较好的动态性能,控制规则简单,鲁棒性强,能较好地克服传统起动方法存在的缺点,提高整个系统的可靠性。

它的缺点是在优化设计中,模糊控制规则是人工建立的,无自主学习功能。

三．与额定电压直接启动比较

图3-1额定电压直接启动的模块

根据用有效值表示的直接起动和软起动过程中的相电流变化情况。

由此可见，直接起动时的瞬时冲击电流很大，这对电机本身、拖动设备及电网都造成冲击。

而软起动时的起动电流以一定的率平稳地增加，当增大到设定的电流限定值25A时，保持恒定直至起动结束，避免了瞬时冲击电流给电机本身、拖动设备及电网带来的不利影响。

通过仿真可知，改变kp和ki值可调节起动电流上升变化率，而电流限定值的大小决定起动时间的长短。

另外，初始给定触发角

如太大将由于起动电压过低而导致电机起动失败。

四．小结与体会

通过这段时间的学习，刚开始的时候感觉有种无从下手的感觉，很多的知识是没有在课堂上学习过的，但通过逐渐的查找资料和阅读理解了关于模糊控制软启动方面的内容后，就感觉不是那么的复杂了。

随着时间的推移，我逐渐了解了关于模糊控制算法电机软启动方面的知识，对电机软启动的优势和缺点有了比较深入的了解，并进一步熟悉了Matlab的用法，掌握其仿真的技术。

学习中，将模糊控制方法应用于三相异步电机软起动中,利用Matlab或Simulink的电力系统模块库和模糊工具箱建立了异步电动机的软起动仿真模型。

通过仿真结果可以表明,用模糊控制实现对异步电动机软起动控制的方法,具有较好的动态性能,控制规则简单,鲁棒性强,能较好地克服传统起动方法存在的缺点,提高整个系统的可靠性。

通过自己的努力和小组的互相协作，我们总算做出来了仿真结果，感觉还是先苦后甜吧。

这次课程设计让我们了解了团队协作的重要性，我想那对我们以后的工作意义非凡。

参考文献：

[1]王毅,赵凯歧,徐殿国.电机软起动控制系统中功率因数角的研究[J].中国电机工程学报,2002,（8）:

82-87.

[2]侯树文,郭峰.基于模糊控制的感应电动机软起动仿真[J].中国农村水利水电，2008（3）：

94-96.

[3]田冰冰.三相异步电动机的启动及软启动研究[J].甘肃科

技,2009,25（11）:

52-53.

[4]李金,栗梅.基于模糊控制电机软启动器的设计[J].控制工

程,2004（11）:

71-73.

[5]朱正伟,蒋建明.模糊控制理论在电动机软启动中的应用[J].江苏工业学院学报,2008,20

（1）:

32-33.

[6]JOHNSD,MARTINK.模拟集成电路设计[M].北京:

机械

工业出版社,2005.

本科生课程设计成绩评定表

姓名

性别

男

专业、班级

自动

课程设计题目：

设计出基于模糊控制算法电机软起动仿真模型

课程设计答辩或质疑记录：

成绩评定依据：

序号

评定项目

评分成绩

选题合理、目的明确（10分）

设计方案正确，具有可行性、创新性（20分）

设计结果（例如：

硬件成果、软件程序）（25分）

态度认真、学习刻苦、遵守纪律（15分）

设计报告的规范化、参考文献充分（不少于5篇）（10分）

答辩（20分）

总分

最终评定成绩（以优、良、中、及格、不及格评定）

指导教师签字：

2012年月日

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