直流电机模糊控制系统设计

1 1 绪论绪论 直流电动机经常被当做控制元件来使用 离生活越来越近 PID 控制法是控制直 流电机常用的方法 在有些情况下 控制器都是在对象有精确数学模型的基础上建 立起来的 1 如今研究的控制系统中将会经常涉及到多变量 非线性 时变的系统 在这种情况下 要建立数学模型也是非常困难的 或者根本不能建立模型 传统的 控制理论迎来了新的挑战 一种可以处理语言信息能力的模糊控制理论的提出克服了上面的问题 在模糊 控制理论的基础上设计出了模糊控制器 而且它能够模仿操作员工的手动控制 这 种模糊控制器对已知受控对象的数学模型无明确的要求 但需注意 模糊控制器对 已知被控对象的数学模型无明确的要求 并不是在对受控对象无了解的情况下提出 的 2 恰恰相反 它仍然需要对受控对象有一定的了解 只不过它们是以知识的模型 的形式而并不是用数学模型表达的 所以 在直流电动机中应用模糊控制对现代生 活有着重大的意义 也是一个里程碑 2 2 前言前言 随着时代的发展 交流和直流调速不断冲击着 但是我国在这个直流调速领域 中的研究不断深入 专家们研制出了全数字直流调速系统 3 这个调速系统有着较高 的精度 而且很实用 直流调速系统有稳速 调速和加减速这个三种控制要求 在目前的控制过程中 对于调速和加减速已经得到了良好的实现 但是在生产过程中稳速的效果不是很理 想 稳速需要的是电机在一定的精度以所规定的的转速稳定运行 在某些干扰下 转速波动也不会有大的变化 在某些情况下 受控对象和负载参数的变化很快 使得 PID 调节器没办法及时 适应 因此稳速的要求很难达到标准 直流电动机本身是一个非线性的被控制对象 有许多的间隙性和弹性的扰动存在 如果有很多的变化量 PID 调节器将无法顾及 以致最终的设计结果不能达到设计时所需的要求 将会得到鲁棒性较差的控制系统 在这样的系统中常规的 PID 常常不能有效地克服负载 非线性因素和模型参数的变 化因而无法达到高精度和快响应的要求 所以在生产过程中这种控制器很难满足生 产要求 模糊控制对被控对象的模型没有明确的要求 而且它的适应性强 通过和 PID 调节器的结合 组成模糊 PID 的控制方案能有效地克服常规数字直流电动机调速装 置的缺点 进而设计出能在各种情况下 均可以使得直流电动机能达到稳定转速精 度的要求 3 3 模糊控制系统概述模糊控制系统概述 随着科学技术的不断发展 专家对模糊控制理论的研究越来越深入 专家为了 满足生产过程的需要 设计出了模糊控制系统 下面介绍模糊控制系统 3 13 1 模糊控制系统组成模糊控制系统组成 模糊控制系统的结构如图 3 1 所示 图 3 1 模糊控制系统结构图 它由组成模糊控制器 A D D A 转换 执行机构 被控对象 传感器组成 3 23 2 模糊控制系统的工作原理模糊控制系统的工作原理 模糊控制系统的工作原理结构图如图 3 2 所示 图 3 2 模糊控制系统的工作原理图 模糊控制器D A 执行机构 被控对象 A D传感器 给定值 r d dt 模 糊 化 模糊 推理 去模糊D A 执行 机构 被控 对象 A D传感器 控制 规则 给定值 r y 模糊控制系统组成部分为模糊控制器 输入量模糊化 模糊推理和去模糊化是 它的三个主要的组成部分 模糊控制具体过程可以分为以下六个步骤 1 求系统给定值与反馈值之间的误差 计算机通过采样 把所得到系统被控量 的精确值与给定值进行比较记录两者之间的差值 2 计算在一个 A D 采样周期内的误差变化率 3 输入量的模糊化 前面两个计算的结果中 两个都是精确值 在接下来的过 程中 把这两个量模糊化 使其变为模糊量 并把这两个语言变量的值变成在适当 论域上的模糊子集 4 控制规则 是整个模糊控制器最为关键的一部分 体现了现场操作人员的多 年的操作经验和专业人员的知识 5 模糊推理 输入量为模糊化之后的语言变量 再根据总的控制规则 进行 模糊推理得到模糊控制量 6 模糊判决 由上述产生的控制量通过计算得出精确的输出量 并按照精确量 执行 3 33 3 模糊控制器的一般设计步骤模糊控制器的一般设计步骤 如上所述 直流电机的模糊控制系统的核心器件是模糊控制器 其工作过程如 下 第一步是将给定的转速和实际的转速两者相减之后得到的值作为模糊控制器的 输入量 第二步是通过模糊算法把第一步的精确值转化为模糊量 然后送至模糊逻辑决 策器使用 并把控制系统中的模糊关系按照要求确定下来 随后根据的算法算出它 的输出量 第三步把这个模糊值去模糊化 变成精确值 方便执行机构的执行 所以 在完整的系统控制过程中 这三个步骤可简称为 模糊化过程 模糊逻 辑推理和精确化计算 4 其详细步骤如下 1 模糊化过程 把输入的精确值转化为模糊值 即将数字量的表现形式转化为 相应的模糊子集 这个过程通过隶属度函数实现 对于任一个实际输入量 至少有 一个模糊子集的隶属度函数大于 0 所以每个实际输入量都必有一个模糊子集与之对 应 2 模糊推理 根据在操作控制系统前制定的模糊条件 组成所需的模糊控制规 则 最后用这个规则计算所需的模糊输出量 3 精确化计算 经过模糊推理就可以计算出一个模糊集合 精确化过程包含两方面 第一个方面将模糊的控制量通过清晰化的变换 最后在论域上表示出来 第二方面 是将表示在论域范围的清晰量经过尺度的变换 变成实际的控制量范围的清晰量 在精 确化计算的过程中 常用的方法有最大隶属度函数法 重心法这两种 4 4 直流电机的直流电机的 PIDPID 控制及其仿真控制及其仿真 直在某些情况下 受控对象和负载参数的变化很快 使得 PID 调节器没办法及 时适应 因此稳速的要求很难达到标准 直流电动机本身是一个非线性的被控制对 象 有许多的间隙性和弹性的扰动存在 如果有很多的变化量 PID 调节器将无法顾 及 以致最终的设计结果不能达到设计时所需的要求 将会得到鲁棒性较差的控制 系统 在生产过程中这种控制器很难满足生产要求 而模糊控制对被控对象的模型 没有明确的要求 而且它的适应性强 通过和 PID 调节器想结合 可使直流电动机 能达到稳定转速精度的要求 5 4 14 1 直流电机双闭环调速系统结构及分析直流电机双闭环调速系统结构及分析 直流电机双闭环调速系统结构原理图 如图 4 1 所示 图 4 1 直流电机双闭环调速系统结构原理图 双闭环直流调速系统有着很广泛的应用 它的结构图也是众所周知 它有一个 负反馈的电流环 称为内环 还有个转速环也是负反馈 称为外环 这两个环组成 了电流调节器 ACR 和转速调节器 ASR 它们通过串联而形成了整个调速系统 如 图 4 1 所示 图中的 E 是电枢反电动势 它是在励磁作用下形成的 转速调节器的 输出的结果进而转化为电流调节器的输入 然后在利用电流调节器的输出值去激发 晶闸管的触发装置 最后经过转速调节器的限幅装置和反馈通道的增益 使得电动 机在最短的时间达到启动和停止的要求 4 24 2 直流调速系统的直流调速系统的 PIDPID 仿真及分析仿真及分析 直流电动机的主要参数如下 电动机 额定电压 Unom 220V 额定电流 Inom 136A 额定转速 nnom 1460r min 电势常数 Ce 0 132 min r 允许的过载倍数为 1 5 晶闸管装置的 放大系数 Ks 40 电枢回路总电阻 R 0 5 电磁时间常数 Ti 0 03s 机电时间常 数 Tm 0 18s 电流的反馈系数 0 05V A 转速的反馈系数 0 007 V min r 要 求设计时电流调节器时电流超调量小于或等于 5 设计转速调节器时转速超调量小 于或等于 10 1 电流调节器的设计根据超调量可得 Ki 1 013 Ti 0 03 所以ACR Ki TiS 1 W TiS ACR 1 013 0 03S 1 W 0 03S 2 转速调节器的设计 根据超调量可得 Kn 11 7 Tn 0 087 ASR Kn TnS 1 W TnS 所以ASR 11 7 0 087S 1 W 0 087S 3 7 58 2 78 1 Cem R T Matlab 仿真软件下建立的传统 PID 控制的仿真如图 4 2 所示 图 4 2 传统的 PID 控制仿真 当给定电压 Un 10V step time 0s 加载负载电流 0A 时 即为空载的情况下 1 I 系统的转速变化曲线如图 4 3 所示 图 4 3 传统直流电机空载时的仿真曲线图 当给定电压 Un 10V step time 0s 当转速达到稳定后 在 2s 时加入额定负载电 流为 接近额定负载时系统的转速变化曲线如图 4 4 所示1I 136A 图 4 4 直流电机 PID 控制负载下的曲线仿真图 5 5 直流电机模糊控制及其仿真直流电机模糊控制及其仿真 模糊控制是新的一种控制方式 在直流电机中有着很重要的作用 下面详细的 介绍下直流电机的模糊控制系统 5 15 1 模糊控制器的编辑模糊控制器的编辑 直流电机的模糊控制系统具体工作步骤如下 根据工业生产的要求给定一个额 定的转速值 然后测量真实的转速 得到两者之间的转速差 继而经过模糊化变为 模糊变量 经过模糊推理 最后去模糊化得到真正地精确量 直流电机调速模糊控 制系统的核心是模糊控制器 所以本论文的重点就是模糊控制器的设计 本次仿真是采用 MATLAB 中模糊推理系统工具箱来编辑模糊控制器 下面简述编 辑的过程 1 模糊集合的编辑和运算 2 确定个输入出变化量的变化范围及量化因子 3 模糊规则编辑 4 模糊推理 5 输出预览 5 25 2 直流调速系统中模糊控制器的设计直流调速系统中模糊控制器的设计 按照一般步骤对模糊控制直流电机调速系统进行设计 1 在设计的时候 根据需要控制的对象确定该用什么结构的模糊控制器 2 确定输入变量和输出变量的模糊子集和论域及其隶属度 3 确定模糊控制规则 4 模糊关系和模糊矩阵 5 35 3 模糊控制器的选择模糊控制器的选择 模糊控制器有很多种模型 如图 5 1 所示 本文采用的是二维的模糊控制器 它包含了两个输入量和一个输出量 在实际的控制系统中 两个输入量一般为系统 偏差和偏差的变化率 由于二维模糊控制器同时考虑了偏差和偏差的变化的影响 所以它的性能优于一维的模糊控制器 这也是二维的模糊控制器比较常用的原因 图 5 1 模糊控制器模型 5 45 4 模糊控制的模糊控制的 MATLABMATLAB 仿真及其分析仿真及其分析 MATLAB 模糊逻辑工具箱是数字计算机环境下的函数集成体 它的功能应有尽 有 本次使用的是 MATLAB 的仿真功能 它里面有模糊逻辑系统的命令行和图形用 户界 GUI 面两种仿真方式 本次使用的是 GUI 这种方式 它可以直观 简洁的设计 仿真和分析模糊控制器 6 下面为编辑模糊控制器的步骤 编辑过程如下 图 5 2 输入输出量设置 对于误差 e 论域是离散的 其论域取 10 10 设置 7 个隶属度函数 分 别为 NB 负大 NM 负中 NS 负小 O 零 PS 正小 PM 正中 PB 正大 即 隶属函数有 7 条 隶属形状为三角形 trimf 如图 5 3 所示 图 5 3 e 的隶属度函数编辑图 对于变化率 ec 论域是离散的 其论域取 0 1 设置 5 个隶属度函数 分别 为 NB NS O PS PB 即隶属函数有 5 条 隶属形状为三角形 trimf 如图 5 4 所示 图 5 4 ec 的隶属度函数编辑图 对于输出 u 论域是离散的 其论域均取 0 10 设置 7 个隶属度函数 分别 为 NB NM NS O PS PM PB 即隶属函数有 7 条 隶属形状为三角形 trimf 如图 5 5 所示 图 5 5 u 的隶属度函数编辑图 点击 Edit 菜单中的 Rules 选项打开模糊控制编辑器 Ruleedit 将需要建立的模 糊控制规则表添加到规则库中 其模糊控制规则见表 5 1 表 5 1 模糊控制规则表 eu NBNMNSOPSPMPB NBPBPBPBPBPMOO NSPMPMPMPMONSNS OPMPMPSONSNMNM PSPSPSONMNMNMNM ec PBOONMNBNBNBNB 规则编辑结果如图 5 6 所示 图 5 6 模糊规则输入界面 点击 View 菜单中的 Rules 选项可以打开模糊规则观察器如图 5 7 所示 观察模 糊推理系统的输入 输出情况 为点击 View 菜单中的 Surfview 选项可以打开模糊 推理输入输出特性曲面如图 5 8 所示 以图形形式显示模糊系统的输入 输出情况 最后使用 File 菜单中的 Export 选项将做好的模糊推理系统保存到磁盘 disk 和工作 区 to workspace 取名为 mhkz fis 图 5 7 模糊规则观察器图 图 5 8 输出特性曲面图 建立上述模糊控制器之后 按照下图 5 9 建立模糊控制系统的仿真 本次设计 系统采用的是二维的模糊控制器结构 在这个模糊控制器的设计过程中 还要合理 的选择模糊控制器输入变量 Ke Kc 输出控制量的系数 Ku Ke Kc Ku 的计算方法如下 Ke 5 1 e n x n 为误差变量模糊子集的最大值 为误差论域的幅值 通过计算得 Ke 20 ex Kc 5 2 c m x m 为误差变化率变量模糊子集的最大值 为误差变化率论域的幅值 由于模cx 糊论域的取值为非对称的 在取值时为模糊控制的变化范围 通过计算得cx Kc 0 001 Ku 5 3 u b u 为控制量论域的幅值 b 为控制量模糊子集的最大值 由于模糊论域的取值为 非对称的 b 在取值时为模糊控制的变化范围 通过计算得 Ku 2 模糊控制系统仿真如图 5 9 所示 图 5 9 模糊控制系统仿真图 其中 step1 负载的参数设置 如图 5 10 所示 图 5 10 step 的参数设置图 建成仿真模型之后双击 Fuzzy Logic Controller 选择 Look Under Mask 输入 mhkz 建立联系 当成功建立联系后 中间会显示 FIS 如图 5 11 所示 图 5 11 FIS 与 Simulink 的连接 运行仿真程序 得到的仿真曲线如图 5 12 所示 图 5 12 直流电机模糊控制系统仿真曲线图 通过图 4 4 和图 5 12 两次实验可以发现 采用传统 PID 控制得到的输出波形在 快速响应方面做得较好 能较快的达到稳态值 但是从图中可以很明显的看到它的 超调量超出了很多 这个 PID