直流伺服電機(jī)模糊控制

直流伺服電機(jī)模糊控制第1頁，共19頁，2023年，2月20日，星期六主要內(nèi)容引言直流電機(jī)模型的建立控制器設(shè)計(jì)系統(tǒng)仿真結(jié)論參考文獻(xiàn)第2頁，共19頁，2023年，2月20日，星期六引言

直流電動(dòng)機(jī)在整個(gè)電力拖動(dòng)應(yīng)用中，占有十分重要的地位。相對(duì)于交流電動(dòng)機(jī)，直流電機(jī)的調(diào)速性能更為優(yōu)越，在大范圍、高精度調(diào)速要求的應(yīng)用中，成為首選。特別是現(xiàn)有的直流伺服電動(dòng)機(jī)因多采用無刷設(shè)計(jì)，避免了電刷的維護(hù)，降低了外型尺寸，而被廣泛應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床、過程控制中。因此，研究直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速具有重要意義。由于電機(jī)的參數(shù)和模型受到其應(yīng)用環(huán)境的影響，常規(guī)的PID控制在電機(jī)參數(shù)發(fā)生變化時(shí)，將變得不可靠。文中將模糊邏輯技術(shù)應(yīng)用到電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中，可有效地避免電動(dòng)機(jī)模型及外加載荷的變化對(duì)系統(tǒng)的影響。第3頁，共19頁，2023年，2月20日，星期六直流伺服電機(jī)模型電動(dòng)機(jī)電樞回路的電壓平衡方程電動(dòng)機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)方程電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩方程電動(dòng)機(jī)軸上的轉(zhuǎn)矩平衡方程電動(dòng)機(jī)的粘性摩擦力矩方程根據(jù)以上方程可得到系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，系統(tǒng)方框圖如下圖所示。第4頁，共19頁，2023年，2月20日，星期六電動(dòng)機(jī)電樞回路的電磁時(shí)間常數(shù)電動(dòng)機(jī)電樞回路的機(jī)械時(shí)間常數(shù)電壓傳遞系數(shù)轉(zhuǎn)矩傳遞系數(shù)Ra 電樞繞組的電阻（Ω）La 電樞繞組的電感（H）J 轉(zhuǎn)動(dòng)部分折算到電動(dòng)機(jī)軸上的總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（Nms2）Ce 電動(dòng)機(jī)的電動(dòng)勢(shì)常數(shù)（Vs/rad）Cm 電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩常數(shù)（Vm/A）ω(t) 電動(dòng)機(jī)角速度（rad/s）ua(t) 電樞電壓（V）ea(t) 電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)電樞兩端的反電動(dòng)勢(shì)（V）ia(t) 電樞電流（A）Mc(t) 負(fù)載轉(zhuǎn)矩（Nm）第5頁，共19頁，2023年，2月20日，星期六直流伺服電機(jī)Simulink模型直流電機(jī)參數(shù)為：La=0.5H，Ra=2Ω，Ce=0.2Vs/rad，Cm=0.2Vm/A，J=1.2Nms2，Cf=0.2Nms/rad根據(jù)以上參數(shù)得到電機(jī)仿真模型及單位階躍響應(yīng)曲線如圖所示：圖1電機(jī)仿真模型圖2單位階躍響應(yīng)曲線第6頁，共19頁，2023年，2月20日，星期六PID控制器及參數(shù)自整定模糊控制PID控制器的設(shè)計(jì)

典型PID只能利用一組固定參數(shù)進(jìn)行控制，這些參數(shù)不能兼顧動(dòng)態(tài)性能和靜態(tài)性能之間、設(shè)定值和抑制擾動(dòng)之間的矛盾。為此，控制系統(tǒng)引入模糊推理，在PID初值基礎(chǔ)上通過增加修正參數(shù)進(jìn)行整定，改善系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能。PID控制器直流伺服電機(jī)＋－PID控制器直流伺服電機(jī)＋－du/dt模糊控制器dKpdKidKd圖1常規(guī)PID控制器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖2參數(shù)自整定模糊PID控制器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第7頁，共19頁，2023年，2月20日，星期六模糊控制器設(shè)計(jì)模糊子集模糊論域隸屬度函數(shù)ENB，NM，NS，ZE，PS，PM，PB[-12,12]三角函數(shù)EcNB，NM，NS，ZE，PS，PM，PB[-18,18]三角函數(shù)ΔKpNB，NM，NS，ZE，PS，PM，PB[-12,12]三角函數(shù)ΔKiNB，NM，NS，ZE，PS，PM，PB[-12,12]三角函數(shù)ΔKdNB，NM，NS，ZE，PS，PM，PB[-12,12]三角函數(shù)第8頁，共19頁，2023年，2月20日，星期六PID參數(shù)模糊自整定的原則（1）|E|較大時(shí)，為加快系統(tǒng)響應(yīng)速度，應(yīng)取較大Kp；同時(shí)，為避免由于開始時(shí)e的瞬時(shí)變大可能出現(xiàn)的微分過飽和而使控制作用超出許可范圍，應(yīng)取較小Kd；為防止出現(xiàn)較大超調(diào)，產(chǎn)生積分飽和，應(yīng)對(duì)積分加以限制，取Ki為零；（2）|E|和|EC|處于中等大小時(shí)，為使系統(tǒng)具有較小的超調(diào)，Kp應(yīng)取小一些，Ki取值要適當(dāng)，Kd要大小適中，以保證系統(tǒng)響應(yīng)速度；（3）當(dāng)|E|較小，即接近設(shè)定值時(shí)，為使系統(tǒng)有良好的穩(wěn)態(tài)性能，應(yīng)增加Kp，Ki取值。同時(shí)，為避免系統(tǒng)在設(shè)定值附近出現(xiàn)震蕩，并考慮系統(tǒng)抗干擾性能，當(dāng)|E|較大時(shí)，Kd可取小一些；|EC|較小時(shí)，Kd取大一些。第9頁，共19頁，2023年，2月20日，星期六ΔKp模糊控制規(guī)則表ΔKpECNBNMNSZEPSPMPBENBNBNBNMNMNSNSZENMNBNMNMNBNSZEZENSNMNMNSNSZEPSPSZENMNMNSZEPSPSPMPSNMNSZEPSPMPMPMPMZEZEPSPMPMPBPBPBZEPSPSPMPMPBPBΔKpECNBNMNSZEPSPMPBENBPBPBPBPBPMPSZENMPBPBPBPBPMZEZENSPMPMPMPMPSZENSZEPMPMPSZENSNSNMPSPSPSNSNMNMNMNMPMZEZENMNBNBNBNBPBZEZENMNBNBNBNB第10頁，共19頁，2023年，2月20日，星期六ΔKi模糊控制規(guī)則表ΔKiECNBNMNSZEPSPMPBENBPSPSZEZEZEPBPBNMNSNSNSNSZEPSPMNSNBNBNSNSZEPSPMZENBNMNSNSZEPSPMPSNBNMNSNSZEPSPSPMNMNSNSNSZEPSPSPBPSZEZEZEZEPBPBΔKiECNBNMNSZEPSPMPBENBNBNMNMNSPSZEZENMNMNMNSNSZEZEZENSNMNMNSZEZEZENSZEPSPSZEZEZENSNSPSPSZEZEZEPSPMPMPMZEZEZEPSPSPMPMPBZEZEPSPSPMPMPB第11頁，共19頁，2023年，2月20日，星期六ΔKd模糊控制規(guī)則表ΔKdECNBNMNSZEPSPMPBENBNBNBNMNMNMZEZENMNBNBNMNMNSZEZENSNMNMNSNSZEPSPSZENSNSNSZEPSPSPMPSNSNSZEPSPSPMPMPMZEZEPSPMPMPBPBPBZEZEPSPMPBPBPBΔKdECNBNMNSZEPSPMPBENBPSNBNBNSNBNBPSNMPSNBNBNSNBNBPSNSZENMNMNSNMNMZEZEZENSNSNSNSNSZEPSZEPMPSZEPSPMZEPMPSPBPSPSPBPBPSPBPSPBPMPMPBPBPS第12頁，共19頁，2023年，2月20日，星期六控制系統(tǒng)仿真圖第13頁，共19頁，2023年，2月20日，星期六通過衰減曲線法整定PID參數(shù)，得到Kp=100Ki=45Kd=0.785量化因子和比例因子的取值：KeKecdKpdKidKd0.20.01853808圖1PID子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖第14頁，共19頁，2023年，2月20日，星期六給定角速度為250rad/s，負(fù)載轉(zhuǎn)矩為100Nm

第15頁，共19頁，2023年，2月20日，星期六給定值變化，轉(zhuǎn)矩不變時(shí)，系統(tǒng)階躍響應(yīng)曲線

給定值、轉(zhuǎn)矩信號(hào)第16頁，共19頁，2023年，2月20日，星期六給定值不變，轉(zhuǎn)矩變化時(shí)，系統(tǒng)階躍響應(yīng)曲線給定值、轉(zhuǎn)矩信號(hào)第17頁，共19頁，2023年，2月20日，星期六給定值、轉(zhuǎn)矩都變化時(shí)，系統(tǒng)階躍響應(yīng)曲線

給定