模糊PID控制在直流調(diào)速系統(tǒng)中的應(yīng)用設(shè)計(jì)說(shuō)明

參數(shù)的進(jìn)行設(shè)定。有的時(shí)候在系統(tǒng)控制中也可以只有兩個(gè)參數(shù)，但是不管怎么操作它的比例控制單元是不可或缺的，那么我們有以下三個(gè)主要原因使用控制來(lái)對(duì)電機(jī)進(jìn)行控制。1)應(yīng)用圍廣雖然許多工業(yè)過(guò)程是時(shí)變的或非線性的，但是我們只需通過(guò)對(duì)它進(jìn)行簡(jiǎn)化就可以改變成動(dòng)態(tài)特性不隨時(shí)間變化和基本線性的系統(tǒng)，這樣就可以達(dá)到的可控制。2)參數(shù)較易整定的參數(shù)，和可以根據(jù)控制過(guò)程的動(dòng)態(tài)特性與時(shí)進(jìn)行參數(shù)整定。如果在控制過(guò)程中動(dòng)態(tài)特性變化，比如在電機(jī)運(yùn)行過(guò)程中由負(fù)載的變化而引起系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性變化，那么，參數(shù)就可以重新整定。3)控制器在實(shí)踐中也不斷地得到改進(jìn)在科技不斷進(jìn)步的同時(shí)，控制器也在不斷地升級(jí)和完善?？刂破饕仓鸩桨l(fā)展為最簡(jiǎn)單、最實(shí)用的控制器。3.2系統(tǒng)采用控制主要解決的問(wèn)題1)啟動(dòng)的快速性問(wèn)題由于調(diào)節(jié)器具有非線性的特性，所以在電機(jī)性能容許的情況下，讓電機(jī)起動(dòng)的速度加快。在系統(tǒng)調(diào)節(jié)的過(guò)程中，比例環(huán)節(jié)在反映速度控制過(guò)程中的偏差的同時(shí)還可以自動(dòng)按照比例進(jìn)行調(diào)節(jié)，在最短的時(shí)間減小偏差。雖然比例環(huán)節(jié)可以減小偏差但還會(huì)產(chǎn)生靜差，此時(shí)可以加入積分環(huán)節(jié)來(lái)消除靜差，而積分環(huán)節(jié)作用的強(qiáng)弱主要取決于積分時(shí)間常數(shù)的大小，越大積分作用越弱，反之積分作用就越弱。提高系統(tǒng)的抗擾性能在設(shè)計(jì)中轉(zhuǎn)速環(huán)和電流環(huán)的設(shè)計(jì)都應(yīng)用調(diào)節(jié)器，如果系統(tǒng)中加入調(diào)節(jié)器，就可以提高系統(tǒng)的抗干擾性能，還可以對(duì)于電網(wǎng)電壓以與負(fù)載轉(zhuǎn)矩的波動(dòng)產(chǎn)生的擾動(dòng)進(jìn)行抑制和調(diào)節(jié)，而且還可以加快調(diào)節(jié)時(shí)間。3.3電機(jī)參數(shù)的選取和計(jì)算在本次設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)指標(biāo)定為電流的超調(diào)量為，空載起動(dòng)到額定轉(zhuǎn)速時(shí)的轉(zhuǎn)速的超調(diào)量為。過(guò)載倍數(shù)，取電流反饋濾波時(shí)間常數(shù)，轉(zhuǎn)速反饋濾波時(shí)間常數(shù)。取轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器的飽和值為，輸出限幅值為，額定轉(zhuǎn)速時(shí)轉(zhuǎn)速給定。仿真觀察系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速、電流響應(yīng)和設(shè)定參數(shù)變化對(duì)系統(tǒng)響應(yīng)的影響。3.4搭建模型在本次設(shè)計(jì)中主要使用MATLAB中PowerSystem模塊來(lái)搭建直流電機(jī)模型。主回路部分、交流電源、晶閘管整流器、觸發(fā)器、移相控制環(huán)節(jié)和電動(dòng)機(jī)等環(huán)節(jié)使用PowerSystem模型庫(kù)的模塊。控制回路的主體是轉(zhuǎn)速和電流兩個(gè)調(diào)節(jié)器，以與反饋濾波環(huán)節(jié)，將這幾部分拼接起來(lái)，即組成了晶閘管-電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)控制直流調(diào)速系統(tǒng)的仿真模型。3.5雙環(huán)的設(shè)計(jì)在本次設(shè)計(jì)中主要遵循轉(zhuǎn)速外環(huán)，電流環(huán)的原則。先設(shè)計(jì)電流環(huán)，再設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速環(huán)。電流截止負(fù)反饋環(huán)節(jié)只能限制電流的沖擊，避免出現(xiàn)過(guò)電流的現(xiàn)象。而在轉(zhuǎn)速負(fù)反饋控制中，系統(tǒng)的被調(diào)節(jié)量是轉(zhuǎn)速，所檢測(cè)的誤差也是轉(zhuǎn)速。所以在直流電機(jī)的調(diào)速系統(tǒng)中只用一個(gè)調(diào)節(jié)器很難實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)速和電流的控制，所以必須選用兩個(gè)調(diào)節(jié)器，把轉(zhuǎn)速環(huán)定為外環(huán)，電流環(huán)為環(huán)。在設(shè)計(jì)時(shí)需要將電流調(diào)節(jié)器串接在轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的后面，這樣就可以形成以轉(zhuǎn)速環(huán)作為外環(huán)、電流環(huán)作為環(huán)的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)。在電機(jī)起動(dòng)和制動(dòng)的過(guò)程中，剛開(kāi)始電流環(huán)開(kāi)始運(yùn)行并保持系統(tǒng)的電流，在一定的圍減小過(guò)渡過(guò)程的時(shí)間。當(dāng)系統(tǒng)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速到達(dá)給定轉(zhuǎn)速時(shí)，系統(tǒng)就會(huì)自動(dòng)進(jìn)入轉(zhuǎn)速控制的方式，此時(shí)轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制開(kāi)始起主導(dǎo)作用，而電流環(huán)起跟隨作用，使實(shí)際電流迅速跟隨給定值，以保持轉(zhuǎn)速的恒定。在設(shè)計(jì)中對(duì)于轉(zhuǎn)速環(huán)和電流環(huán)的調(diào)節(jié)都選擇采用調(diào)節(jié)器，這樣就可以更好的改善系統(tǒng)的靜、動(dòng)態(tài)性能。電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的原理如圖3.1，系統(tǒng)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)如圖3.2。圖3.1轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的原理圖ASR—轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器；ACR—電流調(diào)節(jié)器；TG—測(cè)速發(fā)電機(jī)；TA—電流互感器；GT—觸發(fā)器；圖3.2轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速的系統(tǒng)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖3.5.1電流環(huán)設(shè)計(jì)電流調(diào)節(jié)器的參數(shù)計(jì)算如下：電流反饋系數(shù)為電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩時(shí)間常數(shù)為s電動(dòng)電磁時(shí)間常數(shù)為s三相晶閘管整流電路平均失控時(shí)間為s電流環(huán)的小時(shí)間常數(shù)為s根據(jù)設(shè)計(jì)要求以與選取的參數(shù)，電流環(huán)設(shè)計(jì)為I型系統(tǒng)，其傳遞函數(shù)為其中：S3.5.2轉(zhuǎn)速環(huán)設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)的參數(shù)計(jì)算如下：轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)為為了加快電機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)速度，轉(zhuǎn)速環(huán)設(shè)計(jì)為型，并且選中頻段，其傳遞函數(shù)為其中：3.6雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的仿真結(jié)果根據(jù)以上的參數(shù)計(jì)算、設(shè)計(jì)原則以與原理框圖，在simulink系統(tǒng)可搭建如圖3.3的仿真模型。圖3.3仿真模型轉(zhuǎn)速環(huán)的子系統(tǒng)如下圖3.4圖3.4轉(zhuǎn)速環(huán)子系統(tǒng)電流環(huán)的子系統(tǒng)如下圖3.5：圖3.5電流環(huán)的子系統(tǒng)仿真結(jié)果如圖3.6圖3.7直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)仿真結(jié)果結(jié)果分析：從上圖可以看出，加入之后，系統(tǒng)穩(wěn)定時(shí)間較長(zhǎng)，控制效果不是最佳的，但最終轉(zhuǎn)速可以穩(wěn)定在額定轉(zhuǎn)速。其中比例環(huán)節(jié)是一種簡(jiǎn)單的調(diào)節(jié)作用，由于控制輸出作用力的大小與系統(tǒng)的偏差有很大的關(guān)系，并且是正比例關(guān)系。比例調(diào)節(jié)的作用不僅與偏差的產(chǎn)生有關(guān)系，而且更主要的是取決于比例增益的大小。但是比例增益太大時(shí)，會(huì)引起自然振蕩。比例調(diào)節(jié)的缺點(diǎn)就是不能消除靜態(tài)誤差，影響控制的精確度，而消除靜態(tài)偏差有效的方法就是加入積分環(huán)節(jié)。在系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中如果出現(xiàn)靜態(tài)偏差，那我們就可以對(duì)輸入的偏差進(jìn)行積分，使調(diào)節(jié)器的輸出不斷的變化，直至達(dá)到新的穩(wěn)定值消除靜態(tài)偏差為止。加入積分環(huán)節(jié)后可以改善系統(tǒng)的靜態(tài)性能。4模糊在直流調(diào)速系統(tǒng)中的仿真4.1模糊控制器的設(shè)計(jì)要設(shè)計(jì)一個(gè)模糊控制器最重要的是要將輸入輸出的變量進(jìn)行模糊化，在論文中我將誤差和誤差變化率作為模糊邏輯控制器的輸入，輸出量為系統(tǒng)控制量、。首先將輸入量進(jìn)行模糊化，再根據(jù)模糊規(guī)則得出模糊控制決策輸出控制量，最終將模糊化計(jì)算后得到精確的控制值來(lái)控制被控對(duì)象?，F(xiàn)在的工業(yè)過(guò)程越來(lái)越復(fù)雜，許多被控對(duì)象會(huì)隨著外界干擾的增加，它的結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生一定的變化，為了使控制效果達(dá)到最佳狀態(tài)，人們把自己的經(jīng)驗(yàn)、理論知識(shí)以與相結(jié)合改善了系統(tǒng)的控制效果。模糊控制也是以誤差和誤差變化率為輸入量，以此滿足參數(shù)子整定的要求。模糊控制同樣是以誤差和誤差變化率作為輸入的其結(jié)構(gòu)圖在圖4.1中，為系統(tǒng)的設(shè)定值，為系統(tǒng)輸出，和分別是系統(tǒng)的誤差和誤差的變化率，同時(shí)和也是作為模糊控制器的輸入，而為控制器輸出的控制信號(hào)，、、為模糊化后的模糊量。由系統(tǒng)框圖可以知道模糊控制系統(tǒng)屬于雙閉環(huán)控制系統(tǒng)，模糊控制器主要包括3個(gè)功能環(huán)節(jié)：模糊化環(huán)節(jié)（用于輸入信號(hào)處理），模糊控制算法功能單元，以與模糊判決環(huán)節(jié)（用于輸出解模糊化）。4.2模糊規(guī)則表的建立4.2.1模糊規(guī)則庫(kù)的建立方法對(duì)模糊模型的控制專家經(jīng)驗(yàn)法觀察法自組織法4.2.2模糊規(guī)則庫(kù)建立過(guò)程模糊規(guī)則是根據(jù)人的直覺(jué)思維進(jìn)行推理判斷，然后通過(guò)對(duì)系統(tǒng)輸出的誤差與誤差的變化率的調(diào)節(jié)來(lái)消除系統(tǒng)誤差的模糊控制規(guī)則。模糊控制器通常由計(jì)算機(jī)或單片機(jī)構(gòu)成，控制過(guò)程為先由計(jì)算機(jī)采集被測(cè)參數(shù)的精確值，并同時(shí)將精確值值與結(jié)定值相比較后得出誤差，再將誤差的變化率EMBEDEquation.3作為模糊控制器的輸入變量。將、經(jīng)過(guò)模糊化后得到模糊量和。再利用和得出模糊規(guī)則表。為了簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，先設(shè)定輸入輸出的語(yǔ)言變量值一樣，分別為、、、、、、，經(jīng)過(guò)以上的步驟就可以得出相應(yīng)的隸屬度函數(shù)表。。如表4.1所示表4.1模糊控制規(guī)則表NBNMNSZOPSPMPBNBPBPBPMPMPSZOZONMPBPBPMPSPSZEZENSPMPMPMPMZONSNSZOPMPMPSZONSNMNMPSPSPSZONSNSNMNMPMPSPENSNMNMNBNBPBZOZONMNMNMNBNB表4.2模糊控制規(guī)則表NBNSNMZOPSPMPBNBBBNMNMPMNMZOZONMNBNBNMNSNSZOZONSNBNMNSNSZOPSPSZONMNMNSZOPSPMPMPSNMNSZOPSPSPMPBPMZOZOPSPSPMPBPBPBZOZOPMPMNMPBPB4.3仿真模型的建立在整個(gè)直流調(diào)速系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)速環(huán)起主導(dǎo)作用，而電流環(huán)只是調(diào)節(jié)電流，所以在設(shè)計(jì)過(guò)程中轉(zhuǎn)速環(huán)選擇采用模糊控制器，可以建立如下的仿真控制模型。圖4.2仿真控制模型將模糊控制器的部分封裝為子系統(tǒng)，仿真模型如圖4.3所示圖4.3FUZZY控制器子系統(tǒng)圖4.4仿真結(jié)果圖4.4模糊仿真結(jié)果圖仿真結(jié)果分析：從圖4.4可以看出，在加入模糊控制器后，電機(jī)起動(dòng)速度很快，系統(tǒng)的響應(yīng)也速度快,調(diào)節(jié)精度高,穩(wěn)態(tài)性能好,而且超調(diào)量較小。4.5小結(jié)通過(guò)以上兩種方法仿真結(jié)果的對(duì)比，從圖4.4方案仿真結(jié)果對(duì)比圖中可以明顯的看出，模糊PID控制效果優(yōu)于PI調(diào)節(jié)器的控制效果。從下面兩個(gè)圖的對(duì)比中可以得出：在PI調(diào)節(jié)器的控制下，電機(jī)的轉(zhuǎn)速穩(wěn)定大概在0.8秒之后，調(diào)節(jié)時(shí)間較長(zhǎng)，而且有較大的超調(diào)量，抗干擾能力比較差，震蕩也很大。而在模糊控制器的控制下，電機(jī)的轉(zhuǎn)速穩(wěn)定是在0.2秒之后，調(diào)節(jié)時(shí)間快。圖4.5方案仿真結(jié)果對(duì)比圖5總結(jié)與展望在拿到設(shè)計(jì)題目之后，先從字面意思大概構(gòu)想了論文的總體方向，之后我開(kāi)始查閱大量的書(shū)籍和相關(guān)資料對(duì)直流調(diào)速和模糊控制以與有個(gè)全面的了解！在明確了課題的背景、目的以與意義之后，在老師的指導(dǎo)下制定了課題研究的方向和實(shí)施方案。實(shí)施方案主要為：整體采用雙閉環(huán)直流調(diào)速，其中轉(zhuǎn)速環(huán)和電流環(huán)的設(shè)計(jì)都采用調(diào)節(jié)器，仿真結(jié)果可以看出調(diào)節(jié)時(shí)間較長(zhǎng)，而且有較大的超調(diào)量，震蕩也很大。所以控制器并非為最優(yōu)控制方法，提高系統(tǒng)動(dòng)態(tài)品質(zhì)等方面，光靠調(diào)整參數(shù)難以獲得滿意的控制效果。然后對(duì)直流電動(dòng)機(jī)的模糊控制進(jìn)行仿真。最后將兩種控制方法進(jìn)行對(duì)比分析后可以發(fā)現(xiàn)模糊控制器具有系統(tǒng)響應(yīng)速度快，動(dòng)態(tài)性能好等優(yōu)點(diǎn)。在本次論文設(shè)計(jì)中主要的收獲就是使用MATLAB里原有的模塊進(jìn)行模型的搭建，由于直流電機(jī)的發(fā)展已經(jīng)很成熟，如果只是應(yīng)用一個(gè)二階的傳遞函數(shù)代替電機(jī)的模型，那仿真結(jié)果就不夠真實(shí)，所以我選用MATLAB里的電機(jī)模型來(lái)進(jìn)行仿真。通過(guò)仿真結(jié)果的分析以與對(duì)比，對(duì)于直流調(diào)速系統(tǒng)選取出最優(yōu)的控制方式。同時(shí)也能發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)存在的問(wèn)題，可以尋求最優(yōu)的控制方法去解決這些問(wèn)題。參考文獻(xiàn)[1]胡壽松．《自動(dòng)控制原理》（第五版）．科學(xué)，2000年.[2]金琨.《先進(jìn)PID控制MATLAB仿真》.電子工業(yè)，2004年.[3]蔡自興.《智能控制》.電子工業(yè)，2004年.[4]阮毅，維鈞.《運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)》.清華大學(xué)，2006年.[5]Luger,G.F.美《ArtificialIntelligence:StructuresandStrategiesforcomplexProblemSolving》.機(jī)械工業(yè)，2003年.[6]力群.《智能控制理論與應(yīng)用》.機(jī)械工業(yè)，2007年.[7]金琨.《先進(jìn)PID控制MATLAB仿真》.電子工業(yè)，2004年.[8]OscarGarcia,JoseA.Cobos,RobertoPrieto,etc.SinglePhasePowerFactorCorrection:ASurvey.IEEETransactiononPE,2003.[9]王海英，袁海英，吳勃.《控制系統(tǒng)的MATLAB仿真與設(shè)計(jì)》.高等教育，2009.[10]郭陽(yáng)寬，王正林.《過(guò)程控制工程與仿真》.電子工業(yè)，2009年[11]洪乃剛.《電力電子和電力拖動(dòng)控制系統(tǒng)的MATLAB仿真》.機(jī)械工業(yè)，2006年.[12]韋巍，何衍《.智能控制基礎(chǔ)》.清華大學(xué)，2008年[13]J.B.Ejea,E.Sanchis-Kilders,J.A.Carrasco,J.M.Espi,A.Ferreres.Implementationofbi-directionalAC-DCmatrixconverter.ElectronicsLetters,2002.[14]衛(wèi)國(guó)．《MATLAB程序設(shè)計(jì)教程》．：中國(guó)水利水電，2005年[15]仕宏.《MATLAB控制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)仿真》.化學(xué)工業(yè),2008年.[16]MikioMaedoandshutaMorakumi.Aself-TvingFuzzywnrtoller,Fuzzysetsandsystems[J],1992年[17]黃忠霖，黃京.控制系統(tǒng)MATLAB計(jì)算與仿真.：國(guó)防工業(yè),2009.1.[18]韋巍，何衍《.智能控制基礎(chǔ)》.清華大學(xué)，2008年[19]