模糊PID控制在直流調(diào)速系統(tǒng)中的應(yīng)用本科畢業(yè)論文

模糊PID控制在直流調(diào)速系統(tǒng)中的應(yīng)用獨(dú)創(chuàng)性聲明畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)作者簽名：簽字日期：年月日畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)版權(quán)使用授權(quán)書(shū)權(quán)天津城建大學(xué)可以將本論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行檢索，可以采用影(保密的畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)在解密后適用本授權(quán)說(shuō)明)畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)作者簽名：指導(dǎo)教師簽名：摘要combinationofPIDcontrolandfuzzycontsimulationresultshowsthattherespectively.Althoughithassimplyconstructure,PIDcontrollerisnotthebestcontroleffectshavebeengreatlyimprovedbyfuzzyKeywords:PIDcontrol;fuzzycontrol;fuzzy/PIDselfcontrol第一章緒論 1.1選題的背景及目的 1.2直流調(diào)速系統(tǒng)發(fā)展過(guò)程 錯(cuò)誤!未定義書(shū)簽。1.3模糊控制的發(fā)展概況 2 2 31.4本設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容 4第二章模糊控制的基本理論 52.1模糊控制的基本思想 52.2模糊控制系統(tǒng)的基本原理以及結(jié)構(gòu)組成 5 5 62.3模糊控制器的設(shè)計(jì)方法 8第三章直流電動(dòng)機(jī)的模糊PID控制 93.1直流電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型 3.2直流電動(dòng)機(jī)的PID控制 4.1直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的PID控制 4.2模糊控制在直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中應(yīng)用 4.2.1轉(zhuǎn)速環(huán)模糊控制器的設(shè)計(jì) 4.2.2仿真模型的建立 4.2.3仿真實(shí)驗(yàn) 參考文獻(xiàn) 第一章緒論1第一章緒論1.1選題的背景及目的現(xiàn)代電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)中直流調(diào)速系統(tǒng)是發(fā)展較早的技術(shù)。在20世紀(jì)60年代第一章緒論2發(fā)表了一篇具有開(kāi)創(chuàng)性的經(jīng)典論文“Fuzzysets”,這個(gè)論文發(fā)表標(biāo)志著模糊數(shù)學(xué)的正日本對(duì)模糊控制技術(shù)尤其重視，于1984年成立了國(guó)際模糊系統(tǒng)學(xué)會(huì)，并投入了很模糊控制的發(fā)展根據(jù)其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)可大致分為3個(gè)階第一階段(1965～1974)為誕生階段，主要是模糊數(shù)學(xué)的發(fā)展和成形時(shí)期。第二階段(1974～1979)為開(kāi)始制作模糊控制器階段，這時(shí)候模糊控制器的核心是第三階段(1979～至今)高性能控制器階段，此階段為模糊控制不斷完善的階段，特別是1979年美國(guó)的倆位科學(xué)家共同提出的使模糊控制器具有學(xué)習(xí)功能，更加完善了第一章緒論3我國(guó)的模糊技術(shù)的起步較晚，但發(fā)展非常迅速。模糊數(shù)學(xué)在20世紀(jì)70年代后期傳在地震和氣象預(yù)報(bào)中應(yīng)用模糊理論，而且1988年研制出世界上第二臺(tái)模糊推理機(jī)。90年代初，北京模糊工程中心的陳永義教授等先后研制開(kāi)發(fā)了玻璃拉管線(xiàn)模糊邏輯控制1.3.2模糊控制所要解決的問(wèn)題(4)容易被處理第一章緒論4B.用集成電路芯片或模糊單片機(jī)構(gòu)造模糊控制器，利用人們的經(jīng)驗(yàn)制作出數(shù)據(jù)來(lái)完成軟技術(shù)主要包括系統(tǒng)的仿真和實(shí)際工作軟件等，目前世界上已有多種仿真軟件出應(yīng)用前景更加開(kāi)闊4。1.4本設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容進(jìn)行仿真。首先對(duì)電動(dòng)機(jī)的PID控制，先使用pi調(diào)節(jié)器，再設(shè)置參數(shù)，進(jìn)行調(diào)試，最第二章模糊控制的基本理論5第二章模糊控制的基本理論2.1模糊控制的基本思想2.2模糊控制系統(tǒng)的基本原理以及結(jié)構(gòu)組成模糊控輸出接口輸入接口執(zhí)行被控對(duì)象圖2-1模糊控制系統(tǒng)組成原理框圖第二章模糊控制的基本理論6非模糊化處理非模糊化處理模糊控制規(guī)刪模糊量化處理計(jì)算機(jī)控制變量執(zhí)行機(jī)構(gòu)被控對(duì)象給定值傳感器圖2-2模糊控制過(guò)程uuEU2.2.2模糊控制器的結(jié)構(gòu)組成第二章模糊控制的基本理論7第二章模糊控制的基本理論82.3模糊控制器的設(shè)計(jì)方法1)最大隸屬度法。2)取中位數(shù)法。3)加權(quán)平均法。第三章直流電動(dòng)機(jī)的模糊PID控制9第三章直流電動(dòng)機(jī)的模糊PID控制3.1直流電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型直流電動(dòng)機(jī)更具市場(chǎng)，更有優(yōu)勢(shì)。其可以大范圍調(diào)速，啟動(dòng)比較快，更快達(dá)到峰值。缺點(diǎn)是構(gòu)造復(fù)雜耗資比較大。在工業(yè)上很多方面都有應(yīng)用。在一般情況下，直流調(diào)速系統(tǒng)中有一個(gè)默認(rèn)的控制對(duì)象，就是直流電動(dòng)機(jī)。以下是直流電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型。其等效控制電路如圖3-117:其中輸入的電壓為電機(jī)電樞電壓u,該等效電路的輸出量xe,電機(jī)的轉(zhuǎn)速n。根據(jù)電壓定律，由此我們可以確定回路的微分方程式：其中ea:電動(dòng)機(jī)電樞反電動(dòng)勢(shì)；Ra:電動(dòng)機(jī)電樞回路電阻；L:電動(dòng)機(jī)電樞回路電感；i:電動(dòng)機(jī)電樞回路電流；由于電機(jī)產(chǎn)生的反電動(dòng)勢(shì)為由式(3.1)(3.2)可以得到電機(jī)的動(dòng)方程式：第三章直流電動(dòng)機(jī)的模糊PID控制此電動(dòng)機(jī)還有第二個(gè)方程，其機(jī)械運(yùn)動(dòng)方程，這個(gè)方程是在無(wú)負(fù)載的理想狀態(tài)下，此機(jī)械運(yùn)動(dòng)方程的微分型式為：其中M:電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩；GD2;電動(dòng)機(jī)的飛輪慣量其中Cn:電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩常數(shù)，消去中間變量M,i.整理，通過(guò)計(jì)算，就能知道他的微分方程形式的數(shù)學(xué)模型，即：進(jìn)一步可以得到：電動(dòng)機(jī)的電磁時(shí)間常數(shù)；電動(dòng)機(jī)的機(jī)電時(shí)間常數(shù)；將式(3.6)進(jìn)行拉斯變換，其條件是零初始，通過(guò)計(jì)算能知道勵(lì)式直流電動(dòng)機(jī)的傳遞函數(shù)型式的數(shù)學(xué)模型微分(D)圖3-2模擬PID控制系統(tǒng)原理框圖3.2直流電動(dòng)機(jī)的PID控制PID控制器需要出控制量，它可以把偏差的比例(P)、積分(I)和微分(D)組合，對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行控制。模擬PID控制系統(tǒng)原理框圖如圖3-2所示，系統(tǒng)由模擬PID控制器，被控對(duì)象構(gòu)成。PID控制器是一種線(xiàn)性控制器，它根據(jù)給定值r(t)與實(shí)際輸出值y(t)或?qū)懗蓚鬟f函數(shù)形式：分時(shí)間常數(shù)；Tp:微分時(shí)問(wèn)常數(shù)。PID控制器各校正環(huán)節(jié)的作用：1.比例環(huán)節(jié)：系統(tǒng)中的信號(hào)有偏差，其信號(hào)成比例的體現(xiàn)出來(lái)。error(t),只要出現(xiàn)偏差，控制器就會(huì)馬上出現(xiàn)控制作用，以減小偏差。2.積分環(huán)節(jié)：可以消除靜差，提高系統(tǒng)的無(wú)差度。時(shí)間常數(shù)決定積分作用的強(qiáng)弱，Ti,Ti越大，積分作用越弱，反之越強(qiáng)。3.微分環(huán)節(jié)：這個(gè)環(huán)節(jié)在系統(tǒng)錯(cuò)誤時(shí)，能有效修正，以免偏差信號(hào)變太大，很好的體現(xiàn)偏差信號(hào)的變化。從而加快系統(tǒng)的動(dòng)作速度，減少調(diào)節(jié)時(shí)間，PID控制器有如下特點(diǎn)：(1)原理簡(jiǎn)單，實(shí)現(xiàn)方便，大多數(shù)現(xiàn)實(shí)情況的基本控制器它都能滿(mǎn)足。(2)控制器在一些完全不同的對(duì)象中都適應(yīng)，算法在結(jié)構(gòu)上具有較強(qiáng)的魯棒性情況下，其控制品質(zhì)對(duì)一些數(shù)據(jù)不敏感，如被控對(duì)象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)波動(dòng)?，F(xiàn)以直流電動(dòng)機(jī)為被控對(duì)象進(jìn)行模擬PID控制。已知直流電動(dòng)機(jī)的參數(shù)：電動(dòng)機(jī)：P=150kw;n=1000r/min;Im=700A;Ra=0.計(jì)算得到此直流電動(dòng)機(jī)的相關(guān)參數(shù)如下：第三章直流電動(dòng)機(jī)的模糊PID控制轉(zhuǎn)矩常數(shù)：機(jī)電時(shí)間常數(shù)：由以上參數(shù)可得直流電動(dòng)機(jī)數(shù)學(xué)模型的傳遞函數(shù)表達(dá)式：在Simulink下進(jìn)行仿真，rin=1000,如圖3-3所示。PID控制器采用子系統(tǒng)并封裝，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3-4所示。sD第三章直流電動(dòng)機(jī)的模糊PID控制仿真結(jié)果如圖3-5所示。圖3-5模擬PID控制階躍響應(yīng)曲線(xiàn)第四章直流調(diào)速系統(tǒng)的模糊PID控制4.1直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的PID控制圖4-4轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)原理圖跟隨轉(zhuǎn)速外環(huán)調(diào)節(jié)電機(jī)的電樞電流以平衡負(fù)載電流。動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖電動(dòng)機(jī)參數(shù)如前所述，系統(tǒng)測(cè)速反饋系數(shù)K,=0.067v/rpm,系統(tǒng)電流反饋系數(shù)K=0.072v/A,觸發(fā)整流裝置的放大系數(shù)K?=30,三相橋平均失控時(shí)間T?=0.00167s,電流環(huán)濾波時(shí)間常數(shù)Tor=0.02s,轉(zhuǎn)速壞濾波時(shí)間常數(shù)T=0.01s。110圖4-6轉(zhuǎn)速環(huán)的SIMULINK仿真模型第四章直流調(diào)速系統(tǒng)的模糊PID控制圖4-7轉(zhuǎn)速環(huán)的階躍響應(yīng)曲線(xiàn)化),仿真模型如圖所示。得到曲線(xiàn)如圖所示。1圖4-8轉(zhuǎn)速環(huán)的階躍擾動(dòng)響應(yīng)曲線(xiàn)圖4-9轉(zhuǎn)速環(huán)抗擾動(dòng)仿真模型第四章直流調(diào)速系統(tǒng)的模糊PID控制在ADD4前加一個(gè)階躍擾動(dòng)信號(hào)(如電網(wǎng)電壓波動(dòng)),仿真模型如圖所示。得到曲線(xiàn)如圖所示。0(1)利用轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的飽和特性，在盡可能短的時(shí)間內(nèi)建立轉(zhuǎn)速，在退飽和實(shí)現(xiàn)速度的調(diào)節(jié)和系統(tǒng)的無(wú)靜差特性。(3)轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)系統(tǒng)可以很好的克服負(fù)載變化，特別是電網(wǎng)電壓擾動(dòng)點(diǎn)在電流而在單環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中，電網(wǎng)電壓波動(dòng)必須等到影響轉(zhuǎn)速n后，才能通過(guò)轉(zhuǎn)速負(fù)反饋來(lái)調(diào)節(jié)。所以，雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)能有效提高系統(tǒng)對(duì)電網(wǎng)電壓擾動(dòng)的抗擾性能。第四章直流調(diào)速系統(tǒng)的模糊PID第四章直流調(diào)速系統(tǒng)的模糊PID控制圖4-11轉(zhuǎn)速環(huán)抗擾動(dòng)仿真模型圖4-12仿真圖4.2模糊控制在直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中應(yīng)用圖4-13模糊調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)圖圖4-14模糊調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)圖相應(yīng)的論域?yàn)閇-6,-4,-2,0,2,4,6]。第四章直流調(diào)速系統(tǒng)的模糊PID控制表2△Kp的模糊規(guī)則控制表e表3△Ki的模糊規(guī)則控制表e在模糊推理之后，輸出值進(jìn)行去模糊化，變換成精確值，再輸出△K、△K。一般模糊控制系統(tǒng)通常采用二維模糊控制結(jié)構(gòu)如圖4-15所示。RRd/dt這類(lèi)控制器采用誤差E、誤差變化EC作為輸入語(yǔ)言變量，其控制作用類(lèi)似于PD控制器，它能確保系統(tǒng)的簡(jiǎn)單性、快速性，且有可能獲得良好的動(dòng)態(tài)性能。模糊控制器通常由計(jì)算機(jī)或單片機(jī)構(gòu)成，控制原理如圖，控制過(guò)程：計(jì)算機(jī)采集被測(cè)參數(shù)的精確值，并將該值與結(jié)定值作比較，得出誤差e,誤差變化率ec作為模糊控制器的輸入語(yǔ)言變量。將e、ec經(jīng)模糊化得到模糊量E和EC再由E、EC和模糊控制規(guī)則。根據(jù)推理的合成規(guī)則得到模糊控制量△U經(jīng)模糊決策，清晰化得到精確控制量△U。為方隸屬度函數(shù)表，如表4-1所示。表4-1語(yǔ)言變量值的隸屬度函數(shù)0123450000001000001000100010001000l0000010000000速度的給定值n=[0,1000],模糊控制器的輸入、輸出論域分別取e=[-150,150],表4-2模糊控制規(guī)則表YE4.3.1仿真實(shí)驗(yàn)由隸屬度函數(shù)及模糊控制規(guī)則表編制模糊控制器的程序，先運(yùn)行模糊控制器的程于于am圖4-17模糊控制轉(zhuǎn)速響應(yīng)曲線(xiàn)圖4-18PID控制轉(zhuǎn)速響應(yīng)曲線(xiàn)和PID控制的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)轉(zhuǎn)速響應(yīng)曲線(xiàn)相比，上升時(shí)間縮短為3s。e圖4-20轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)模型圖2主要收獲了visio和matlab等軟件。我覺(jué)得整個(gè)人都讓我對(duì)自己的專(zhuān)業(yè)有了更濃厚的興趣，對(duì)自己的前途有了更充足的信心和更美好的憧參考文獻(xiàn)[5]王順晃，舒迪前.智能控制系統(tǒng)[M],北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1999,67-82.[6]