智能控制在变频调速系统中的应用研究

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第一章 绪论
第一章 绪论
近年来，电力电子技术发展迅速，广泛应用于电力、冶金、铁路等领域，在众
多领域发挥出其高效节能的优点。以电厂锅炉供水为例：以变频调速为核心的智
能供水控制系统取代了以往高位水箱和压力罐等供水设备；该控制系统起动平稳，
起动电流可限制在额定电流以内，从而避免了起动时对电网的冲击；由于泵的平
均转速降低了，从而可延长泵和阀门等的使用寿命，其稳定安全的运行性能、简
单方便的操作方式、以及齐全周到的功能，可使供水实现节水、节电、节省人力，
最终达到高效率的运行目的。在大力提倡节约能源的今天，研究这种高性能、经济
型的控制系统，对于提高劳动生产率、降低能耗具有重要的现实意义。
在实际应用中，变频调速系统受到电机速度变化、外界干扰等很多因素的影
响，存在非线性，而且系统模型也无法完全精确描述， 由于受到参数整定方法烦
杂的困扰，常规PID控制器参数往往整定不良、性能欠佳，对运行工况的适应性比
较差。神经网络源于对脑神经的模拟，具有很强的适应复杂环境变化和多目标控
制要求的自学习能力，并有以任意精度逼近任意非线性连续函数的特征。因此，
本文结合神经网络与变频调速技术的特点，探讨将神经网络应用在调速系统的控
制中，对其进行分析研究。另外，本文还对神经网络的实现问题进行了初步探讨，
并且在现场可编程门阵列（FPGA）中实现了优化后的算法，从而改变了以往的
研究中单纯用上位机软件仿真来实现神经网络的局限，为智能控制进一步的实际
应用开辟了道路。本章主要介绍论文的相关研究背景和论文的主要内容及创新点
§1.1 变频调速技术的发展现状
国外现状：在大功率交-交变频调速技术方面，法国阿尔斯通已能提供单机
容量达3万kW 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，ABB 公司提供了单机容量为6万kW 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 Simovert A 电流型晶闸管变频调速
设备单机容量为10~2600 kVA 和Simovert P GTO PWM 变频调速设备单机容量为
100~900 kVA，其控制系统已实现全数字化，用于电力机车、风机、水泵传动。在
小功率交流变频调速技术反面，日本富士 BJT 变频器最大单机容量可达 700
kVA，IGBT 变频器已形成系列产品，其控制系统也已实现全数字化。
国内现状：从总体上看我国电气传动的技术水平较国际先进水平差距10~15
年。在大功率-交、无换向器电机等变频技术方面，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。而这方面产品在诸如
抽水蓄能电站机组起动及运行、大容量风机、压缩机和轧机传动、矿井卷扬机方面
有很大需求。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V/f 控
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智能控制在变频调速系统中的应用研究
制，仅有少量的样机采用矢量控制，品种与质量还不能满足市场需要，每年大量
进口[1][2]。
§1.2 控制理论在变频调速系统中的应用
传统的PID控制算法简单并且实用，己成为标准算法。一般的变频调速均带有
PID控制单元，仅需将反馈量接入到变频器的反馈端子并设定好参数，即可投入
使用。目前国内多数的风机、泵类系统采用这种控制方式。但是实际系统是非线性
系统，当用量变化较大时，系统的运行状态变化范围也较大，那么固定参数的
PID控制是无法适应这种变化的，因而控制品质将变差，甚至造成系统不稳定。
智能控制的兴起给电气传动领域的控制策略带来新思想，但目前智能控制理
论还处于研究与发展中。将智能控制应用于电气传动领域一定要充分利用智能控
制非线性、变结构、自寻优等功能优势，来克服电气传动系统的变参数与非线性因
素，从而提高系统的鲁棒性。下面介绍两种主要的控制方式。
§1.2.1 模糊控制
模糊控制是处理不确定对象的有效方法之一。对于参数变化无常的系统，模
糊控制能很好地体现它的优越性。这种控制方式不需要知道对象的精确模型，是
一种语言控制器，能够实现对非线性、大滞后特性对象的控制；对数学模型不清
楚或参数时变的对象以及常规PID算法控制效果不理想的场合，也能得到很好的
应用。模糊控制突出的优点是对不同过程控制的适应性强，具有强的鲁棒性，而
且结构简单、易于实现。但是常规模糊控制的稳态响应不及PID控制，为此有不少
文献中将模糊控制与PID控制结合起来形成的模糊PID控制，改善了系统的静动态
特性[2]。
§1.2.2 神经网络控制
尽管模糊控制的优点很突出，但仍然有一些不足，其主要的缺点是缺乏分析
和设计控制系统的方法且模糊规则库的设计和实现相当困难。近年来，神经网络
控制己成为一种全新的智能控制方法，它是一种大规模并行、分布式信息处理系
统，具有一定的自学习、自适应、非线性映射能力和容错性，在控制领域的应用中
取得了一定的成果，为解决高度不确定性和严重非线性的复杂动态系统的控制问
题开辟了一条新的途径。神经网络与现有的控制方法相结合，在提高控制精度的
同时也为神经网络的实现创造了条件[2][3]。
在过去二十多年，神经网络在模式识别、信号处理等领域中获得广泛应用。由
于人工神经网络的并行结构，很适合多传感器输入，在条件监控、系统诊断中能
增强决策的可靠性。
误差反向传播网络(BP网络)是目前使用最普遍的神经网络之一，只要有足够
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第一章 绪论
多的隐含层数与节点数，通过自身的不断学习，能以任意精度逼近给定的非线性
函数。但隐含层数、节点数以及节点激励函数的选择没有先行经验，网络的学习速
率与收敛稳定性这对矛盾需要解决。日本与德国的研究人员试图将神经网络用于
控制逆变装置，但没有获得成功。主要障碍就是学习花费时间过长，网络收敛速
度慢。所以，这是一个值得关注的研究领域。很少有论文讨论将神经网络直接用于
对变频调速领域的控制[4][5]。
§1.3 本文的主要研究内容及创新点
本文提出了将传统的PID控制思想与神经网络相结合，构建一种新型的神经
网络PID控制器，并将此控制器应用在变频调速系统中进行研究，分析其控制效
果。同时，本文利用通用变频器搭建了实际的恒压供水的变频调速系统平台并进
行了实际系统的PID参数调试；此外，设计了变频器功率主电路实验板，在实际
的系统中完成变频调速功能，同时还在神经网络的实现问题上进行了研究，将神
经网络算法进行优化，并在现场可编程门阵列（FPGA）中实现。
本论文分为五部分，本章为第一部分主要介绍了论文的相关研究背景、选题
意义以及本文的主要工作及结构安排。
第二章主要介绍了PID控制在变频调速中的应用研究，包括变频调速的节能
分析、PID变频调速控制系统实验装置的设计与实现，实际动手调试了基于通用变
频器的闭环调速系统。
第三章主要介绍了神经网络控制算法的研究，分析了传统PID控制上缺陷，
提出了高阶BP神经网络控制算法，并设计了神经网络控制器，通过Matlab的仿真
比较几种控制方式的效果。
第四章主要进行了神经网络的硬件实现研究，分析了神经网络硬件化的原因
和方法，对采用FPGA实现神经网络算法的优势进行分析，对要实现的神经网络
算法进行了优化，使其适合硬件实现，最终给出了经Modelsim功能仿真后的波形
图。
第五章介绍了变频器实验板主电路的设计与实现。设计以IGBT 功率集成模
块（PIM）为核心的整流、逆变功率主电路，驱动电路，过流、过压保护电路，并
且加载正弦脉宽调制控制信号（SPWM）、带电机负载联合调试，最后给出了实
验波形。经过调试最终表明：实验板可靠工作，为今后智能控制变频器的实现确
立了基础。
最后是对本文的总结与展望。
本论文主要包括以下三个创新点：
（1）将传统的PID控制规律和神经网络相结合，构建了高阶BP神经网络PID控制
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智能控制在变频调速系统中的应用研究
器，将此控制器与传统PID控制的性能进行仿真对比。
（2）用现场可编程门阵列（FPGA）硬件来实现神经网络算法，并且对算法进行
优化，使之便于用硬件实现并节省了硬件资源，这是智能控制算法硬件实现的核
心，为以后算法的进一步实际应用确立了基础。
（3）实际动手调试了基于通用变频器的变频调速系统和上位机监控系统；设计
了变频器的主功率实验板，包括PIM主电路、驱动电路等并且接入控制板带电机
调试，就此完成了智能控制算法的硬件平台设计。
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第二章 PID 控制在变频调速中的应用研究
第二章 PID 控制在变频调速中的应用研究
本章以电厂锅炉供水为例，介绍变频调速的节能原理和传统PID控制在变频
调速中的应用，给出了实际调试变频调速的参数，分析了参数整定时遇到的问题。
变频调速恒压供水系统主要由水泵、电动机、管道和阀门等构成，通常由异步
电动机驱动水泵旋转来供水。恒压供水是指在供水网系中用水量发生变化时，出
口压力保持不变的供水方式。这样既可以满足需求，又不使电机空转造成能量浪
费。为了实现上述目标，需要变频器根据给定压力信号和反馈压力信号，调节水
泵转速从而达到控制管网中水压恒定的目的。
§2.1 变频调速在锅炉供水系统中的工作原理
变频供水系统是通过变频器调节异步电机的转速，从而改变水泵的出水流量
而实现恒压供水的。因此，供水系统变频的实质是异步电动机的变频调速，而异
步电动机的变频调速是通过改变定子供电频率来改变同步转速，从而实现调速的
根据异步电动机转差率的定义：
(2-1)
异步电机的同步转速为：
(2-2)
异步电机的转速为：
(2-3)
其中： 为电机同步转速（理想空载转速）；
为电机转子转速；
为电源频率；
为电动机极对数。
由式可知，当极对数 不变时，电机转子转速 与定子电源频率 成正比，
因此连续调节异步电机供电电源频率，就可以连续平滑地调节电机的同步转速，
从而调节转子的转速。
变频调速时，从高速到低速可以保持有限的转差率，因而变频调速具有高效
率、高精度、调速范围广、平滑性较高、机械特性较硬的优点，已成为交流调速的
首选方案和主要发展方向[1][6]。
§2.2 变频调速的节能原理
风机、泵类设备多数采用异步电动机直接驱动的方式运行，存在启动电流大、
机械冲击、电气保护特性差等缺点。不仅影响设备使用寿命，而且当负载出现机械
故障时不能瞬间动作保护设备，时常出现泵损坏同时电机也被烧毁的现象。
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智能控制在变频调速系统中的应用研究
近年来，出于节能的迫切需要和对产品质量不断提高的要求，加之采用变频
器易操作、免维护、控制精度高，并可以实现高功能化等特点；因而采用变频器驱
动的方案开始逐步取代风门、挡板、阀门的控制方案。
§2.2.1 泵的特性分析
流量是泵在使用过程中需要调节的主要参数。调节泵流量有两种方法：一是
节流调节，泵的转速不变，改变管路上阀门的开关来调节流量。开大阀门，流量
增加；关小阀门，流量减小；二是调速调节，即管路状态不变（阀门开度不变），
改变泵的转速以进行流量调节。转速升高，流量增加；转速降低，流量减小。节流
调节有大量能量消耗在节流损耗上，一方面达不到节能降耗的目的，另一方面在
当用水量少时，管网的压力增大，对管路性能有较高的要求。利用变频器进行调
速控制是解决上述问题的一种有效手段。
§2.2.2 水泵变频调速的节能原理
一般来说，泵负载转矩与速度的平方成正比，轴功率与转速的立方成正比。
因此，用变频器改变其转速，可以获得显著的节能效果。而采用常用的出口挡板
控制，当开度减小时，阻力增加，不适宜大范围调节流量，在低速区域轴功率减
少不多，从节能的角度来看是不适宜的。采用入口挡板控制，虽然比出口挡板控
制流量调节范围广，减小开度时轴功率大体与流量成比例下降，但节能效果仍然
不及变频调速。由图2-1～2-3可以说明泵变频调速的节能原理。曲线(1)为泵在给定
转速下满负荷即系统阀门全开运行时的扬程(压头)、流量点和效率点的轨迹；曲线
(2)为部分负荷时，系统阀门部分开启时的阻力特性曲线，即泵要克服磨擦，压力
随流量的平方而变化。泵的运行工况点是泵的特性曲线与管路阻力曲线的交点，
当用阀门控制时，由于要减少流量，就要关小阀门，使阀门的磨擦阻力变大，阻
力曲线从(1)移到(2)，扬程则从移到 ，流量从减小到 ，运行工况点
从 点移到 点。从图中可以看出，流量虽然减少，扬程(压头)反而增加，轴
功率P比调节前减少不多。若采用变频调速，随着转速下降，扬程(压头)——流量
特性变为图2-2中的曲线1，系统工况点也由 点变到 点，代表轴功率的面积
比采用挡板调节时显著减少，两者之差即是节省的轴功率，即为图2-3中的矩形
的面积。
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第二章 PID 控制在变频调速中的应用研究
图2-1 泵的特性曲线
图2-2 变频调速泵的特性
图2-3 泵变频前后的特性曲线
由式（2-3）可见，当平滑地改变异步电动机的供电频率 f时，即可改变电动机转
子的转速 n。根据水泵的相似定律，变速前后流量、扬程、功率与转速之间关系为
(2-4)
式中 P1、H1、Q1为转速 n1时的功率、扬程、流量；P2、H2、Q2为转速 n2时的功率、扬
程、流量。由此可见，当水泵在变负荷工作情况下，采用变频器调节水泵电机转速
时，轴功率随转速比的三次方关系进行变化，节电效果明显[6][7]。
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摘要：

第一章绪论第一章绪论近年来，电力电子技术发展迅速，广泛应用于电力、冶金、铁路等领域，在众多领域发挥出其高效节能的优点。以电厂锅炉供水为例：以变频调速为核心的智能供水控制系统取代了以往高位水箱和压力罐等供水设备；该控制系统起动平稳，起动电流可限制在额定电流以内，从而避免了起动时对电网的冲击；由于泵的平均转速降低了，从而可延长泵和阀门等的使用寿命，其稳定安全的运行性能、简单方便的操作方式、以及齐全周到的功能，可使供水实现节水、节电、节省人力，最终达到高效率的运行目的。在大力提倡节约能源的今天，研究这种高性能、经济型的控制系统，对于提高劳动生产率、降低能耗具有重要的现实意义。在实际应用中，变频调速系...

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