智能控制课作业

智能控制技术在电气传动领域的应用—模糊PID控制1/34一、电气传动1.电气传动是指用电动机把电能转换成机械能，去带动各种类型的生产机械、交通车辆以及生活中需要运动的物品。自从人类发明并掌握各种机械帮助自己劳动以来，就需要有推动机械的原动力，除人力本身外，最初使用的是畜力、水力和风力，后来又发明了蒸汽机、柴油机、汽油机，19世纪才发明电动机。2.电气传动成为主要传动方式电气传动成为工业化的重要基础，同时成为绝大部分机械传动的传动方式。其主要原因在于：（1）电机的效率高，运转比较经济

（2）电能的传输和分配比较方便

2/34（3）电能容易控制

3.现代电气传动控制的发展

3.1数据控制和数据通讯成为现代电气传动控制的主要措施

机械控制是最早的自动控制手段，之后才逐步有了电气控制和电子控制其中，电子控制在近代的电气传动控制手段中，占的比例很大，所谓电子控制方法主要包括模拟控制和数字控制两种。从上世纪70年代起，耗电少、体积小、成本低、可靠性高、速度快、功能强的大规模集成电路微处理器发展到商品化阶段，电子控制是了新台阶。现代电气传动系统控制器的主要形式是微处理器为核心的数字控制。平时常见的微处理器主要包括单片机，(SCP)、数字信号处理器(DSP)、集成电路(ASIC)，精简指令集计算机(RISC)和包含微处理器的高级专用。

因为除一般的计算功能外，计算机还具有逻辑判断和数值运算的两大功能，所以电子控制中的数字控制和模拟控制相比优点突出：其一是数字控制器能够实现各种比较复杂的控制策略，模拟控制做不到；其二是数字控制系统还可以自诊故障，提高诊断过程的智能化。

反观在模拟控制过程中，在提高系统的稳定性时，一般是使用闭环控制，也就是使用比例积分调节器。这时如果系统突然受到干扰，输出量发生变通过负反馈，这时由于比例积分调节器的作用，系统的输出量又回到原来

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电子器件的基本发展方向是，模块化、集成化、高频化、改善封装和采用新材料(如SIC)等，这种发展为电气传动的信息化、智能化的控制提供了重要基础和保障。在电力电子变换器中，主要是由全控器件组成的斩波器或PWM变换器以及晶闸管相控整流器。用于控制直流电机。变压变频器主要用于控制交流电机，其中中、小容量的多为PWM变换器。

由于电力电子变换器的普及，使得谐波和无功电流给供电电网造成一定的“电力公害”，必须采取相应措施：一是采用有源滤波和无功补偿；二是开发“绿色”电力电子变换器，这是一种治本的办法，因为它要求功率因数可控，各次谐波分量小于国际和国家标准允许的限度。现在实际应用的绿色变换器有：双PWM交——直——交变换器、多单元串联的中压变换器、多电平中压变换器等多种。被看好并会被开发的有：交一，交矩阵式变换器，它具有输入电流和输出电压都接过正弦波、能量传输可逆、可省去直流滤波电容等优点。3.3直流传动逐步取代可控交流电气传动是基本趋势

虽然在19世纪直流电气传动和交流电气传动先后诞生，但到20世纪以后的年代里，由于二者性能不同，应用情况也有所区别，比如直流传动具有优越的可控性能，于是高性能可调速传动一般都用直流电机，而约占电气传动总容量80%的不变速传动则采用交流电机，这种分工格局是客观的。但是到了1970年以后，电力电子变换器的高效交流变频传动开发成功，优点很多，结构简单、维护方便、效率高、成本低廉，工作可靠、转动惯量小的交流

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数值。这样只要偏差存在，比例、积分都起作用。在过渡过程中，如输出量出现超调现象，系统会出现振荡现象，若比例作用太强，会使系统不能正常工作。如果人们采用微机数字控制，能分离开比例、积分作用。一旦偏差大时，可以只让比例发挥作用，可以迅速减少偏差。偏差低到一定程度后，再将积分投入，以最终消除稳态误差，使得两种作用各得其所，这就避免了相互之间的矛盾，达到提高系统的控制性能之目的。3.2电力电子变换器是物质能量流与信息流之间必需的接口由于有电力电子变换，才有弱电控制强电的接口，否则信息始终就是信息，不可能真正用来控制物质产生，所以，电力电子技术是信息流与物质能量流之间的重要纽带。当今正是电力电子技术蓬勃发展时期，许多新的电力电子器件和变换技术正在大量涌现。其中电力电子器件的发展大体分三个阶段：开始是晶闸管(SCR)；其次是GTR和CTO；第三是IGBT。现在市场上IGBT能够广泛供应，但由于其电压和电流容量有限，所以只能在中、小容量的低压电气传动使用。如果容量再大，必须采用GTO，由于GTO的可靠性不很高，所以，现在各国电力电子企业和研究所都在努力开发新型的高压功率开关器件，并且有的已经问世了。例如，IGCT．IEGT以及3300-6000V的IGBT等，这些都可供中压、大容量电气传动使用。从总的看，电力5/34

笼型电机进入了可调速领域，打破了交直流传动按调速分工的格局。交流调速传动发展方向和应用体现三方面；一是一般性能的节能调速和工艺调速；二是高性能交流调速系统；三是特大容量、极高转速的交流传动。国内外在交流调速上发展都非常快，交流传动中一般采用交——直——交变频。所谓变频调速，即把50HZ的交流电源变成直流电，再把直流电逆变成不同频率的交流电，将由变换后的电源频率来控制电动机的转速的调速方法。我国要实现可持续发展，节约能量是必须的。变频调速对节约电能相当可观。在实际应用中，风机、泵、压缩机的电动机大约40%应用电气传动，但应用变频调速的只有约5%。可见，今后交流变频调速还需要大力推广。

变频调速采用的使设计观念有所改变，过去设计制造电动机主要考虑起动转矩大的问题。由于增加启动电阻就增大了启动转矩，异步电动机定子常采用双笼或深槽结构。启动后磁场对转子强切割，产生的集肤效应，把转子电流排到外绕组中，外绕组电阻就很大，这样启动电阻就大，以保证足够的启动转矩。同时转子尺寸加大了，转子、定子也会加大，相当于材料多，重量加。有了变频调速频率从低到高，电机的启动转矩自然会变得比较大。从此在电机设计制造思想上有了变革，摆脱启动转矩，按变频调速的工况考虑，不仅提高电效率，同时实现电动机小型化，有利于实现走变频专用电机高效，这个设计思路与为提高电动机效率而使用更多铜、铁材料有所不同。

6/344.非智能化电气传动在应用中的不足与局限a.解决的问题有限b.不宜扩展和修改c.抗噪声干扰能力有限d.对新信息和新数据的适应性不高e.古典控制器不宜调节f.实现的价格偏高7/34二、模糊PID控制

2.1PID控制

在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例积分微分控制，简称PID控制，又称PID调节。PID控制器问世至今已有近60年的历史了，它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制主要和可靠的技术工具。当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时，控制理论的其它设计技术难以使用，系统的控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用PID控制技术最为方便。即当我们不完全了解一个系统和被控对象﹐或不能通过有效的测量手段来获得系统的参数的时候，便最适合用PID控制技术。

PID控制包含比例、积分、微分三部分，实际中也有PI和PD控制器。PID控制器就是根据系统的误差利用比例积分微分计算出控制量，图1.1中给出了一个PID控制的结构图：

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比例（P）控制

比例控制是一种最简单的控制方式。其控制器的输出与输入误差信号成比例关系。当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差（Steady-stateerror）。积分（I）控制

在积分控制中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。对一个自动控制系统，如果在进入稳态后存在稳态误差，则称这个控制系统是有稳态误差的或简称有差系统（SystemwithSteady-stateError）。为了消除稳态误差，在控制器中必须引入“积分项”。积分项对误差取关于时间的积分，随着时间的增加，积分项会增大。这样，即便误差很小，积分项也会随着时间的增加而加大，它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小，直到等于零。

因此，比例+积分(PI)控制器，可以使系统在进入稳态后无稳态误差。

微分（D）控制

在微分控制中，控制器的输出与输入误差信号的微分（即误差的变化率）成正比关系。自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳。其原因是由于存在有较大惯性的组件（环节）和（或）有滞后(delay)的组件，使力图克服误差的作用，其变化总是落后于误差的变化。解决的办法是使克服误差的作用的变化要有些“超前”，即在误差接近零时，克服误差的作用就应该是零。这就是说，在控制器中仅引入“比例”项往往是不够的，比例项的作用仅是放大误差的幅值，而目前需要增加的是“微分项”，它能预测误差变化的趋势，这样，具有比例+微分的控制器，就能够提前使克服误差的控制作用等于零，甚至为负值，从而避免了被控量的严重地冲过头。9/34所以对有较大惯性和（或）滞后的被控对象，比例+微分(PD)的控制器能改善系统调节过程中的动态特性。2.2如何实现PID控制在一些系统中，需要进行PID控制，如一些板卡采集系统，甚至在一些DCS和PLC的统中有时要扩充系统的PID控制回路，而由于系统硬件和回路的限制需要在计算机上增加PID控制回路。在e尔系统中，实时数据库提供了PID控制点可以满足PID控制的需要。进入到实时数据库组态，新建点时选择PID控制点。e尔提供的PID控制可以提供理想微分、微分先行、实际微分等多种控制方式。进行PID控制时，可以把PID的PV连接在实际的测量值上，OP连接在PID实际的输出值上。这样，在实时数据库运行时，就可以自动对其进行PID控制。2.3PID参数的调整在PID参数进行整定时如果能够有理论的方法确定PID参数当然是最理想的方法，但是在实际的应用中，更多的是通过凑试法来确定PID的参数。增大比例系数P一般将加快系统的响应，在有静差的情况下有利于减小静差，但是过大的比例系数会使系统有比较大的超调，并产生振荡，使稳定性变坏。增大积分时间I有利于减小超调，减小振荡，使系统的稳定性增加，但是系统静差消除时间变长。10/342.5复杂回路的控制2.5.1前馈控制系统

通常的反馈控制系统中，对干扰造成一定后果，才能反馈过来产生抑制干扰的控制作用，因而产生滞后控制的不良后果。为了克服这种滞后的不良控制，用计算机接受干扰信号后，在还没有产生后果之前插入一个前馈控制作用，使其刚好在干扰点上完全抵消干扰对控制变量的影响,因而又得名为扰动补偿控制。在e尔的控制系统中，可以把前馈控制计算的结果作为PID控制的输出补偿量OCV，并采用加补偿，这样就形成了一个前馈控制系统了。11/34

增大微分时间D有利于加快系统的响应速度，使系统超调量减小，稳定性增加，但系统对扰动的抑制能力减弱。在凑试时，可参考以上参数对系统控制过程的影响趋势，对参数调整实行先比例、后积分，再微分的整定步骤。首先整定比例部分。将比例参数由小变大，并观察相应的系统响应，直至得到反应快、超调小的响应曲线。如果系统没有静差或静差已经小到允许范围内，并且对响应曲线已经满意，则只需要比例调节器即可。如果在比例调节的基础上系统的静差不能满足设计要求，则必须加入积分环节。在整定时先将积分时间设定到一个比较大的值，然后将已经调节好的比例系数略为缩小(一般缩小为原值的0.8)，然后减小积分时间，使得系统在保持良好动态性能的情况下，静差得到消除。在此过程中，可根据系统的响应曲线的好坏反复改变比例系数和积分时间，以期得到满意的控制过程和整定参数。如果在上述调整过程中对系统的动态过程反复调整还不能得到满意的结果，则可以加入微分环节。首先把微分时间D设置为0，在上述基础上逐渐增加微分时间，同时相应的改变比例系数和积分时间，逐步凑试，直至得到满意的调节效果。

2.4PID控制回路的运行

在PID控制回路投入运行时，首先可以把它设置在手动状态下，这时设定值会自动跟踪测量值，当系统达到一个相对稳定的状态后，再把它切换到自动状态下，这样可以避免系统频繁动作而导致系统不稳定。12/34

2.5.2纯延迟补偿控制

在实际的控制过程中，由于执行机构和测量装置的延迟，系统有可能是一个纯滞后过程，如对于温度的控制其延迟时间可能多达10多分钟。这种滞后性质常引起被控对象产生超调或振荡，造成系统不容易达到稳定过程。因此，可以在控制过程中并联一个补偿环节，用来补偿被控制对象中的滞后部分，这样可以使系统快速达到稳定过程。纯滞后控制系统是把滞后补偿的结果作为PID控制器的输入补偿量ICV，并作为输入补偿的减补偿。这样就构成了一个纯滞后的SMITH预测控制回路。13/34

2.6模糊控制

2.6.1模糊控制的概念

利用模糊数学的基本思想和理论的控制方法。在传统的控制领域里，控制系统动态模式的精确与否是影响控制优劣的最主要关键，系统动态的信息越详细，则越能达到精确控制的目的。然而，对于复杂的系统，由于变量太多，往往难以正确的描述系统的动态，于是工程师便利用各种方法来简化系统动态，以达成控制的目的，但却不尽理想。换言之，传统的控制对于明确系统有强而有力的控制能力，但对于过于复杂或难以精确描述的系统，则显得无能为力了。因此便尝试着以模糊数学来处理这些控制问题。“模糊”是人类感知万物，获取知识，思维推理，决策实施的重要特征。“模糊”比“清晰”所拥有的信息容量更大，内涵更丰富，更符合客观世界

2.6.2模糊控制简介

模糊逻辑控制(FuzzyLogicControl)简称模糊控制(FuzzyControl)，是以模糊集合论、模糊语言变量和模糊逻辑推理为基础的一种计算机数字控制技术。1965年，美国的L.A.Zadeh创立了模糊集合论；1973年他给出了模糊逻辑控制的定义和相关的定理。14/34

1974年，英国的E.H.Mamdani首次根据模糊控制语句组成模糊控制器，并将它应用于锅炉和蒸汽机的控制，获得了实验室的成功。这一开拓性的工作标志着模糊控制论的诞生。模糊控制实质上是一种非线性控制，从属于智能控制的范畴。模糊控制的一大特点是既有系统化的理论，又有大量的实际应用背景。模糊控制的发展最初在西方遇到了较大的阻力；然而在东方尤其是日本，得到了迅速而广泛的推广应用。近20多年来，模糊控制不论在理论上还是技术上都有了长足的进步，成为自动控制领域一个非常活跃而又硕果累累的分支。其典型应用涉及生产和生活的许多方面，例如在家用电器设备中有模糊洗衣机、空调、微波炉、吸尘器、照相机和摄录机等；在工业控制领域中有水净化处理、发酵过程、化学反应釜、水泥窑炉等；在专用系统和其它方面有地铁靠站停车、汽车驾驶、电梯、自动扶梯、蒸汽引擎以及机器人的模糊控制。

2.6.3模糊控制系统的结构一般控制系统的架构包含五个主要部分，即:定义变量、模糊化、知识库、逻辑判断及反模糊化，下文将对每一部分做简单的说明：

定义变量也就是决定程序被观察的状况及考虑控制的动作，例如在一般控制问题上，15/34

输入变量有输出误差E与输出误差变化率EC，而模糊控制还将控制变量作为下一个状态的输入U。其中E、EC、U统称为模糊变量。

模糊化

将输入值以适当的比例转换到论域的数值，利用口语化变量来描述测量物理量的过程，根据适合的语言值（linguisticvalue）求该值相对的隶属度，此口语化变量称为模糊子集合（fuzzysubsets）。

知识库

包括数据库（database）与规则库（rulebase）两部分，其中数据库提供处理模糊数据的相关定义；而规则库则藉由一群语言控制规则描述控制目标和策略。

逻辑判断

模仿人类下判断时的模糊概念，运用模糊逻辑和模糊推论法进行推论，得到模糊控制讯号。该部分是模糊控制器的精髓所在。16/34解模糊化

解模糊化（defuzzify）：将推论所得到的模糊值转换为明确的控制讯号，做为系统的输入值。2.6.4实行模糊控制要进行三个方面的工作：精确量的模糊化,把语言变量的语言值化为某适当论域上的模糊子集;

模糊控制算法和设计,通过一组模糊条件语句构成模糊控制规则,并计算模糊控制规则决定的模糊关系;输出信息的模糊判决,并完成由模糊量到精确量的转化17/342.7模糊控制器原理把由各种传感器测出的精确量转换成为适于模糊运算的模糊量,然后将这些量在模糊控制器中加以运算,最后再将运算结果中的模糊量转换为精确量,以便对各执行器进行具体的操作控制。在模糊控制中,存在着一个模糊量和精确量之间相互转化的问题原理图如下18/34s:系统的设定值。x1,x2:模糊控制的输入(精确量)。X,1,X2:模糊量化处理后的模糊量。U:经过模糊控制规则和近似推理后得出的模糊控制量。u:经模糊判决后得到的控制量(精确量)。y:对象的输出。19/34也可以表示为：20/342.8模糊控制的步骤

输入量模糊化建立模糊规则进行模糊推