摘要：由于異步電機軟啟動過程中非線性時變的特點，采用傳統(tǒng)的PID控制方法難以達到理想的控制效果。為了大大減小交流電機啟動過程中的電流，在此結合智能控制理論，設計出一種新型的模糊PID軟啟動控制器。通過對電流大小進行控制，優(yōu)化了系統(tǒng)的控制效果，實現(xiàn)了交流電機恒流軟啟動控制。最后通過Matlab仿真，證實了該系統(tǒng)具有良好的動靜態(tài)性能，達到了平穩(wěn)啟動的目的，具有有效性和廣泛應用性。
關鍵詞：軟啟動；模糊控制；異步電動機；Matlab

0 引言
    異步電機以其優(yōu)良的性能及無需維護的特點，在工農業(yè)中得到廣泛應用。三相異步電機的啟動方法很多，比如直接啟動、自耦降壓啟動、延邊三角形啟動等等。對于風機泵類等恒功率負載，如果在額定電壓下直接啟動三相異步電機，啟動電流非常大(一般為Ie的5～8倍)，易引起電網電壓下降，同時影響電網上其他用電設備的正常運行，這對于電機本身來講，沖擊電流造成局部溫升過大，降低電機壽命，給機械系統(tǒng)帶來強大的機械沖力，沖擊電流會以電磁波的形式干擾電氣儀表的正常運行。因此宜采用軟啟動的方法。

1 模糊PID軟啟動電路的結構及原理
    模糊PID復合控制方法最大的優(yōu)點是不依賴于被控對象精確的數(shù)學模型，適合于非線性、強耦合、不確定性的電機軟啟動復雜系統(tǒng)。異步電機軟啟動主回路結構見圖1，利用三對反并聯(lián)的單向晶閘管來實現(xiàn)交流調壓，晶閘管調壓的控制方式采用相位控制，用來改變晶閘管的相位角α，得到不同的電壓(頻率不變)，從而實現(xiàn)電機的平穩(wěn)啟動。

    交流電機定子電流經過濾波后與啟動電流給定值一起作為模糊PID調節(jié)器的輸入信號。dsPIC30F6014型單片機首先計算出啟動電流設定值與反饋電流的偏差和偏差的變化率，然后以電流及電流的偏差作為輸入量，經過模糊化后進行模糊推理，最后將模糊推理結果通過解模糊后作為輸出調節(jié)量。解模糊調節(jié)器輸出的觸發(fā)信號，送至驅動電路，由觸發(fā)角決定每個周期觸發(fā)脈沖的產生時刻，從而調節(jié)晶閘管的輸出電壓，從而起到限制啟動電流，減小沖擊轉矩的作用。

2 控制系統(tǒng)設計
    人們運用模糊數(shù)學的基本理論和方法，把規(guī)則的條件和操作用模糊集表示，并把這些模糊控制規(guī)則及有關信息作為知識存入計算機知識庫中，然后計算機根據(jù)控制系統(tǒng)的實際響應情況，運用模糊推理，即可自動實現(xiàn)對PID參數(shù)的最佳調整，這就是模糊PID控制。模糊PID控制器以誤差e和誤差變化率ec作為輸入，利用模糊控制規(guī)則在線對PID的3個參數(shù)進行調整，以滿足不同時刻的e和ec對PID參數(shù)自整定的要求。模糊PID控制器的基本結構如圖2所示。在交流電機軟啟動的過程中，通過檢測啟動電流i設定值的偏差，以及偏差的變化率，這兩種檢測信號作為模糊PID控制器的兩個輸入，分別用e(kt)，ec(kt)表示，輸出為KP，KI，KD，再通過反模糊化，經過調節(jié)器輸出控制晶閘管的導通角，調整電壓的輸出，進而達到電機平穩(wěn)軟啟動的要求。

    (1)模糊化
    在電機軟啟動控制器系統(tǒng)中設計模糊PID控制器時，采用雙輸入／三輸出模式的Fuzzy控制器結構。分別用e(kT)，ec(kT)表示，輸出為KP，KI，KD。為了方便描述，定義如下：
   
    式中：T為采樣時間；I(kT)為啟動電流給定值；I0(kT)為第k個采樣時刻的電流輸出。
    (2)數(shù)據(jù)庫的建立
    設e(kT)，ec(kT)的論域為：X={-3，-2，-1，0，1，2，3}，在其論域上取7個變量NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB。對變量e(kt)，ec(kt)采用均勻分布的高斯三角隸屬函數(shù)，如圖3所示。圖3中e(kT)，ec(kT)的隸屬度。

    (3)規(guī)則庫和模糊推理
    模糊控制器的規(guī)則庫是基于專家知識或手動操作人員長期積累的經驗，根據(jù)各參數(shù)的規(guī)則表進行模糊推理。模糊推理如下：
   
    (4)解模糊
    輸出量為KP，KI，KD，其論域、語言變量e(kT)，ec(kT)一樣，此處采用加權平均解模糊的方法，即：
   
    式中：U(kT)為清晰化值；Ui(kT)為模糊控制器輸出；μc(Ui(kT))為對應于Ui(kT)的隸屬度。

3 仿真結果
    為了驗證模糊PID控制器理論設計的有效性，借助Matlab的Simulink工具箱建立交流電機模糊PID仿真系統(tǒng)。交流電機參數(shù)：額定功率為2．2 kW，額定電壓為220 V，定子電阻為0．457 Ω，定子電感為2 mH，轉子電阻為0．815 Ω，轉子電感為2 mH，互感為69．36 mH。交流電機軟啟動時的轉速、轉矩、電流變化如圖4所示。

    從圖4中可以看出，啟動過程中電機轉速平穩(wěn)上升，軟啟動效果良好。在0～0．2 s時間內，電磁轉矩時正時負，這是因為在啟動初始，晶閘管導通角較小，電機相電流斷續(xù)。在0．2 s以后，隨著晶閘管導通角的增大，電磁轉矩趨于平穩(wěn)。除了在啟動初始較短時間內(1～2個周期)存在沖擊電流外，在交流電機啟動過程中，電機電流保持在設定值40 A附近，恒流控制效果良好。當交流電機啟動完成后，電機電流回落到12 A附近，電機進入穩(wěn)定工作狀態(tài)。這說明該模糊PID控制器能夠有效地起到減小啟動電流，抑制沖擊轉矩的作用。

4 結語
    本文以dsPIC30F6014單片機和晶閘管為核心構成電機軟啟動裝置，采用一種新的模糊PID控制方法，實現(xiàn)了交流電機的平穩(wěn)軟啟動。上述仿真實驗結果表明，利用模糊PID原理實現(xiàn)交流電機的恒流平穩(wěn)軟啟動控制，可以有效地解決電機啟動過程中沖擊電流大的問題，具有良好的啟動性能和魯棒性。該軟啟動器能夠根據(jù)負載情況調整參數(shù)，限制啟動電流，減小沖擊轉矩，并且具有較小的超調量。該設計綜合了以往電機軟啟動的優(yōu)點，使之具有實用性和普遍性。