模糊PID控制在直流调速系统中的应用设计说明

参数的进行设定。有的时候在系统控制中也可以只有两个参数，但是不管怎么操作它的比例控制单元是不可或缺的，那么我们有以下三个主要原因使用控制来对电机进行控制。1)应用围广虽然许多工业过程是时变的或非线性的，但是我们只需通过对它进行简化就可以改变成动态特性不随时间变化和基本线性的系统，这样就可以达到的可控制。2)参数较易整定的参数，和可以根据控制过程的动态特性与时进行参数整定。如果在控制过程中动态特性变化，比如在电机运行过程中由负载的变化而引起系统动态特性变化，那么，参数就可以重新整定。3)控制器在实践中也不断地得到改进在科技不断进步的同时，控制器也在不断地升级和完善。控制器也逐步发展为最简单、最实用的控制器。3.2系统采用控制主要解决的问题1)启动的快速性问题由于调节器具有非线性的特性，所以在电机性能容许的情况下，让电机起动的速度加快。在系统调节的过程中，比例环节在反映速度控制过程中的偏差的同时还可以自动按照比例进行调节，在最短的时间减小偏差。虽然比例环节可以减小偏差但还会产生静差，此时可以加入积分环节来消除静差，而积分环节作用的强弱主要取决于积分时间常数的大小，越大积分作用越弱，反之积分作用就越弱。提高系统的抗扰性能在设计中转速环和电流环的设计都应用调节器，如果系统中加入调节器，就可以提高系统的抗干扰性能，还可以对于电网电压以与负载转矩的波动产生的扰动进行抑制和调节，而且还可以加快调节时间。3.3电机参数的选取和计算在本次设计中，设计指标定为电流的超调量为，空载起动到额定转速时的转速的超调量为。过载倍数，取电流反馈滤波时间常数，转速反馈滤波时间常数。取转速调节器和电流调节器的饱和值为，输出限幅值为，额定转速时转速给定。仿真观察系统的转速、电流响应和设定参数变化对系统响应的影响。3.4搭建模型在本次设计中主要使用MATLAB中PowerSystem模块来搭建直流电机模型。主回路部分、交流电源、晶闸管整流器、触发器、移相控制环节和电动机等环节使用PowerSystem模型库的模块。控制回路的主体是转速和电流两个调节器，以与反馈滤波环节，将这几部分拼接起来，即组成了晶闸管-电动机转速电流双闭环控制直流调速系统的仿真模型。3.5双环的设计在本次设计中主要遵循转速外环，电流环的原则。先设计电流环，再设计转速环。电流截止负反馈环节只能限制电流的冲击，避免出现过电流的现象。而在转速负反馈控制中，系统的被调节量是转速，所检测的误差也是转速。所以在直流电机的调速系统中只用一个调节器很难实现对转速和电流的控制，所以必须选用两个调节器，把转速环定为外环，电流环为环。在设计时需要将电流调节器串接在转速调节器的后面，这样就可以形成以转速环作为外环、电流环作为环的双闭环直流调速系统。在电机起动和制动的过程中，刚开始电流环开始运行并保持系统的电流，在一定的围减小过渡过程的时间。当系统系统的转速到达给定转速时，系统就会自动进入转速控制的方式，此时转速闭环控制开始起主导作用，而电流环起跟随作用，使实际电流迅速跟随给定值，以保持转速的恒定。在设计中对于转速环和电流环的调节都选择采用调节器，这样就可以更好的改善系统的静、动态性能。电流双闭环调速系统的原理如图3.1，系统动态结构如图3.2。图3.1转速、电流双闭环调速系统的原理图ASR—转速调节器；ACR—电流调节器；TG—测速发电机；TA—电流互感器；GT—触发器；图3.2转速、电流双闭环调速的系统动态结构图3.5.1电流环设计电流调节器的参数计算如下：电流反馈系数为电动机转矩时间常数为s电动电磁时间常数为s三相晶闸管整流电路平均失控时间为s电流环的小时间常数为s根据设计要求以与选取的参数，电流环设计为I型系统，其传递函数为其中：S3.5.2转速环设计转速调节的参数计算如下：转速反馈系数为为了加快电机转速的调节速度，转速环设计为型，并且选中频段，其传递函数为其中：3.6双闭环直流调速系统的仿真结果根据以上的参数计算、设计原则以与原理框图，在simulink系统可搭建如图3.3的仿真模型。图3.3仿真模型转速环的子系统如下图3.4图3.4转速环子系统电流环的子系统如下图3.5：图3.5电流环的子系统仿真结果如图3.6图3.7直流电机调速系统仿真结果结果分析：从上图可以看出，加入之后，系统稳定时间较长，控制效果不是最佳的，但最终转速可以稳定在额定转速。其中比例环节是一种简单的调节作用，由于控制输出作用力的大小与系统的偏差有很大的关系，并且是正比例关系。比例调节的作用不仅与偏差的产生有关系，而且更主要的是取决于比例增益的大小。但是比例增益太大时，会引起自然振荡。比例调节的缺点就是不能消除静态误差，影响控制的精确度，而消除静态偏差有效的方法就是加入积分环节。在系统运行过程中如果出现静态偏差，那我们就可以对输入的偏差进行积分，使调节器的输出不断的变化，直至达到新的稳定值消除静态偏差为止。加入积分环节后可以改善系统的静态性能。4模糊在直流调速系统中的仿真4.1模糊控制器的设计要设计一个模糊控制器最重要的是要将输入输出的变量进行模糊化，在论文中我将误差和误差变化率作为模糊逻辑控制器的输入，输出量为系统控制量、。首先将输入量进行模糊化，再根据模糊规则得出模糊控制决策输出控制量，最终将模糊化计算后得到精确的控制值来控制被控对象。现在的工业过程越来越复杂，许多被控对象会随着外界干扰的增加，它的结构会发生一定的变化，为了使控制效果达到最佳状态，人们把自己的经验、理论知识以与相结合改善了系统的控制效果。模糊控制也是以误差和误差变化率为输入量，以此满足参数子整定的要求。模糊控制同样是以误差和误差变化率作为输入的其结构图在图4.1中，为系统的设定值，为系统输出，和分别是系统的误差和误差的变化率，同时和也是作为模糊控制器的输入，而为控制器输出的控制信号，、、为模糊化后的模糊量。由系统框图可以知道模糊控制系统属于双闭环控制系统，模糊控制器主要包括3个功能环节：模糊化环节（用于输入信号处理），模糊控制算法功能单元，以与模糊判决环节（用于输出解模糊化）。4.2模糊规则表的建立4.2.1模糊规则库的建立方法对模糊模型的控制专家经验法观察法自组织法4.2.2模糊规则库建立过程模糊规则是根据人的直觉思维进行推理判断，然后通过对系统输出的误差与误差的变化率的调节来消除系统误差的模糊控制规则。模糊控制器通常由计算机或单片机构成，控制过程为先由计算机采集被测参数的精确值，并同时将精确值值与结定值相比较后得出误差，再将误差的变化率EMBEDEquation.3作为模糊控制器的输入变量。将、经过模糊化后得到模糊量和。再利用和得出模糊规则表。为了简化设计，先设定输入输出的语言变量值一样，分别为、、、、、、，经过以上的步骤就可以得出相应的隶属度函数表。。如表4.1所示表4.1模糊控制规则表NBNMNSZOPSPMPBNBPBPBPMPMPSZOZONMPBPBPMPSPSZEZENSPMPMPMPMZONSNSZOPMPMPSZONSNMNMPSPSPSZONSNSNMNMPMPSPENSNMNMNBNBPBZOZONMNMNMNBNB表4.2模糊控制规则表NBNSNMZOPSPMPBNBBBNMNMPMNMZOZONMNBNBNMNSNSZOZONSNBNMNSNSZOPSPSZONMNMNSZOPSPMPMPSNMNSZOPSPSPMPBPMZOZOPSPSPMPBPBPBZOZOPMPMNMPBPB4.3仿真模型的建立在整个直流调速系统中，转速环起主导作用，而电流环只是调节电流，所以在设计过程中转速环选择采用模糊控制器，可以建立如下的仿真控制模型。图4.2仿真控制模型将模糊控制器的部分封装为子系统，仿真模型如图4.3所示图4.3FUZZY控制器子系统图4.4仿真结果图4.4模糊仿真结果图仿真结果分析：从图4.4可以看出，在加入模糊控制器后，电机起动速度很快，系统的响应也速度快,调节精度高,稳态性能好,而且超调量较小。4.5小结通过以上两种方法仿真结果的对比，从图4.4方案仿真结果对比图中可以明显的看出，模糊PID控制效果优于PI调节器的控制效果。从下面两个图的对比中可以得出：在PI调节器的控制下，电机的转速稳定大概在0.8秒之后，调节时间较长，而且有较大的超调量，抗干扰能力比较差，震荡也很大。而在模糊控制器的控制下，电机的转速稳定是在0.2秒之后，调节时间快。图4.5方案仿真结果对比图5总结与展望在拿到设计题目之后，先从字面意思大概构想了论文的总体方向，之后我开始查阅大量的书籍和相关资料对直流调速和模糊控制以与有个全面的了解！在明确了课题的背景、目的以与意义之后，在老师的指导下制定了课题研究的方向和实施方案。实施方案主要为：整体采用双闭环直流调速，其中转速环和电流环的设计都采用调节器，仿真结果可以看出调节时间较长，而且有较大的超调量，震荡也很大。所以控制器并非为最优控制方法，提高系统动态品质等方面，光靠调整参数难以获得满意的控制效果。然后对直流电动机的模糊控制进行仿真。最后将两种控制方法进行对比分析后可以发现模糊控制器具有系统响应速度快，动态性能好等优点。在本次论文设计中主要的收获就是使用MATLAB里原有的模块进行模型的搭建，由于直流电机的发展已经很成熟，如果只是应用一个二阶的传递函数代替电机的模型，那仿真结果就不够真实，所以我选用MATLAB里的电机模型来进行仿真。通过仿真结果的分析以与对比，对于直流调速系统选取出最优的控制方式。同时也能发现传统存在的问题，可以寻求最优的控制方法去解决这些问题。参考文献[1]胡寿松．《自动控制原理》（第五版）．科学，2000年.[2]金琨.《先进PID控制MATLAB仿真》.电子工业，2004年.[3]蔡自兴.《智能控制》.电子工业，2004年.[4]阮毅，维钧.《运动控制系统》.清华大学，2006年.[5]Luger,G.F.美《ArtificialIntelligence:StructuresandStrategiesforcomplexProblemSolving》.机械工业，2003年.[6]力群.《智能控制理论与应用》.机械工业，2007年.[7]金琨.《先进PID控制MATLAB仿真》.电子工业，2004年.[8]OscarGarcia,JoseA.Cobos,RobertoPrieto,etc.SinglePhasePowerFactorCorrection:ASurvey.IEEETransactiononPE,2003.[9]王海英，袁海英，吴勃.《控制系统的MATLAB仿真与设计》.高等教育，2009.[10]郭阳宽，王正林.《过程控制工程与仿真》.电子工业，2009年[11]洪乃刚.《电力电子和电力拖动控制系统的MATLAB仿真》.机械工业，2006年.[12]韦巍，何衍《.智能控制基础》.清华大学，2008年[13]J.B.Ejea,E.Sanchis-Kilders,J.A.Carrasco,J.M.Espi,A.Ferreres.Implementationofbi-directionalAC-DCmatrixconverter.ElectronicsLetters,2002.[14]卫国．《MATLAB程序设计教程》．：中国水利水电，2005年[15]仕宏.《MATLAB控制系统动态仿真》.化学工业,2008年.[16]MikioMaedoandshutaMorakumi.Aself-TvingFuzzywnrtoller,Fuzzysetsandsystems[J],1992年[17]黄忠霖，黄京.控制系统MATLAB计算与仿真.：国防工业,2009.1.[18]韦巍，何衍《.智能控制基础》.清华大学，2008年[19]