模糊PID控制在直流调速系统中的应用本科毕业论文

模糊PID控制在直流调速系统中的应用独创性声明毕业设计(论文)作者签名：签字日期：年月日毕业设计(论文)版权使用授权书权天津城建大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据进行检索，可以采用影(保密的毕业设计(论文)在解密后适用本授权说明)毕业设计(论文)作者签名：指导教师签名：摘要combinationofPIDcontrolandfuzzycontsimulationresultshowsthattherespectively.Althoughithassimplyconstructure,PIDcontrollerisnotthebestcontroleffectshavebeengreatlyimprovedbyfuzzyKeywords:PIDcontrol;fuzzycontrol;fuzzy/PIDselfcontrol第一章绪论 1.1选题的背景及目的 1.2直流调速系统发展过程 错误!未定义书签。1.3模糊控制的发展概况 2 2 31.4本设计的主要内容 4第二章模糊控制的基本理论 52.1模糊控制的基本思想 52.2模糊控制系统的基本原理以及结构组成 5 5 62.3模糊控制器的设计方法 8第三章直流电动机的模糊PID控制 93.1直流电动机的数学模型 3.2直流电动机的PID控制 4.1直流双闭环调速系统的PID控制 4.2模糊控制在直流双闭环调速系统中应用 4.2.1转速环模糊控制器的设计 4.2.2仿真模型的建立 4.2.3仿真实验 参考文献 第一章绪论1第一章绪论1.1选题的背景及目的现代电力拖动自动控制系统中直流调速系统是发展较早的技术。在20世纪60年代第一章绪论2发表了一篇具有开创性的经典论文“Fuzzysets”,这个论文发表标志着模糊数学的正日本对模糊控制技术尤其重视，于1984年成立了国际模糊系统学会，并投入了很模糊控制的发展根据其结构特点可大致分为3个阶第一阶段(1965～1974)为诞生阶段，主要是模糊数学的发展和成形时期。第二阶段(1974～1979)为开始制作模糊控制器阶段，这时候模糊控制器的核心是第三阶段(1979～至今)高性能控制器阶段，此阶段为模糊控制不断完善的阶段，特别是1979年美国的俩位科学家共同提出的使模糊控制器具有学习功能，更加完善了第一章绪论3我国的模糊技术的起步较晚，但发展非常迅速。模糊数学在20世纪70年代后期传在地震和气象预报中应用模糊理论，而且1988年研制出世界上第二台模糊推理机。90年代初，北京模糊工程中心的陈永义教授等先后研制开发了玻璃拉管线模糊逻辑控制1.3.2模糊控制所要解决的问题(4)容易被处理第一章绪论4B.用集成电路芯片或模糊单片机构造模糊控制器，利用人们的经验制作出数据来完成软技术主要包括系统的仿真和实际工作软件等，目前世界上已有多种仿真软件出应用前景更加开阔4。1.4本设计的主要内容进行仿真。首先对电动机的PID控制，先使用pi调节器，再设置参数，进行调试，最第二章模糊控制的基本理论5第二章模糊控制的基本理论2.1模糊控制的基本思想2.2模糊控制系统的基本原理以及结构组成模糊控输出接口输入接口执行被控对象图2-1模糊控制系统组成原理框图第二章模糊控制的基本理论6非模糊化处理非模糊化处理模糊控制规删模糊量化处理计算机控制变量执行机构被控对象给定值传感器图2-2模糊控制过程uuEU2.2.2模糊控制器的结构组成第二章模糊控制的基本理论7第二章模糊控制的基本理论82.3模糊控制器的设计方法1)最大隶属度法。2)取中位数法。3)加权平均法。第三章直流电动机的模糊PID控制9第三章直流电动机的模糊PID控制3.1直流电动机的数学模型直流电动机更具市场，更有优势。其可以大范围调速，启动比较快，更快达到峰值。缺点是构造复杂耗资比较大。在工业上很多方面都有应用。在一般情况下，直流调速系统中有一个默认的控制对象，就是直流电动机。以下是直流电动机的数学模型。其等效控制电路如图3-1¹7:其中输入的电压为电机电枢电压u,该等效电路的输出量xe,电机的转速n。根据电压定律，由此我们可以确定回路的微分方程式：其中ea:电动机电枢反电动势；Ra:电动机电枢回路电阻；L:电动机电枢回路电感；i:电动机电枢回路电流；由于电机产生的反电动势为由式(3.1)(3.2)可以得到电机的动方程式：第三章直流电动机的模糊PID控制此电动机还有第二个方程，其机械运动方程，这个方程是在无负载的理想状态下，此机械运动方程的微分型式为：其中M:电动机的转矩；GD²;电动机的飞轮惯量其中Cn:电动机的转矩常数，消去中间变量M,i.整理，通过计算，就能知道他的微分方程形式的数学模型，即：进一步可以得到：电动机的电磁时间常数；电动机的机电时间常数；将式(3.6)进行拉斯变换，其条件是零初始，通过计算能知道励式直流电动机的传递函数型式的数学模型微分(D)图3-2模拟PID控制系统原理框图3.2直流电动机的PID控制PID控制器需要出控制量，它可以把偏差的比例(P)、积分(I)和微分(D)组合，对被控对象进行控制。模拟PID控制系统原理框图如图3-2所示，系统由模拟PID控制器，被控对象构成。PID控制器是一种线性控制器，它根据给定值r(t)与实际输出值y(t)或写成传递函数形式：分时间常数；Tp:微分时问常数。PID控制器各校正环节的作用：1.比例环节：系统中的信号有偏差，其信号成比例的体现出来。error(t),只要出现偏差，控制器就会马上出现控制作用，以减小偏差。2.积分环节：可以消除静差，提高系统的无差度。时间常数决定积分作用的强弱，Ti,Ti越大，积分作用越弱，反之越强。3.微分环节：这个环节在系统错误时，能有效修正，以免偏差信号变太大，很好的体现偏差信号的变化。从而加快系统的动作速度，减少调节时间，PID控制器有如下特点：(1)原理简单，实现方便，大多数现实情况的基本控制器它都能满足。(2)控制器在一些完全不同的对象中都适应，算法在结构上具有较强的鲁棒性情况下，其控制品质对一些数据不敏感，如被控对象的结构和参数波动。现以直流电动机为被控对象进行模拟PID控制。已知直流电动机的参数：电动机：P=150kw;n=1000r/min;Im=700A;Ra=0.计算得到此直流电动机的相关参数如下：第三章直流电动机的模糊PID控制转矩常数：机电时间常数：由以上参数可得直流电动机数学模型的传递函数表达式：在Simulink下进行仿真，rin=1000,如图3-3所示。PID控制器采用子系统并封装，其内部结构如图3-4所示。sD第三章直流电动机的模糊PID控制仿真结果如图3-5所示。图3-5模拟PID控制阶跃响应曲线第四章直流调速系统的模糊PID控制4.1直流双闭环调速系统的PID控制图4-4转速电流双闭环直流调速系统原理图跟随转速外环调节电机的电枢电流以平衡负载电流。动态结构图如图电动机参数如前所述，系统测速反馈系数K,=0.067v/rpm,系统电流反馈系数K=0.072v/A,触发整流装置的放大系数K₈=30,三相桥平均失控时间T₈=0.00167s,电流环滤波时间常数Tor=0.02s,转速坏滤波时间常数T=0.01s。110图4-6转速环的SIMULINK仿真模型第四章直流调速系统的模糊PID控制图4-7转速环的阶跃响应曲线化),仿真模型如图所示。得到曲线如图所示。1图4-8转速环的阶跃扰动响应曲线图4-9转速环抗扰动仿真模型第四章直流调速系统的模糊PID控制在ADD4前加一个阶跃扰动信号(如电网电压波动),仿真模型如图所示。得到曲线如图所示。0(1)利用转速调节器的饱和特性，在尽可能短的时间内建立转速，在退饱和实现速度的调节和系统的无静差特性。(3)转速电流双闭环系统可以很好的克服负载变化，特别是电网电压扰动点在电流而在单环调速系统中，电网电压波动必须等到影响转速n后，才能通过转速负反馈来调节。所以，双闭环调速系统能有效提高系统对电网电压扰动的抗扰性能。第四章直流调速系统的模糊PID第四章直流调速系统的模糊PID控制图4-11转速环抗扰动仿真模型图4-12仿真图4.2模糊控制在直流双闭环调速系统中应用图4-13模糊调节器的结构图图4-14模糊调节器的结构图相应的论域为[-6,-4,-2,0,2,4,6]。第四章直流调速系统的模糊PID控制表2△Kp的模糊规则控制表e表3△Ki的模糊规则控制表e在模糊推理之后，输出值进行去模糊化，变换成精确值，再输出△K、△K。一般模糊控制系统通常采用二维模糊控制结构如图4-15所示。RRd/dt这类控制器采用误差E、误差变化EC作为输入语言变量，其控制作用类似于PD控制器，它能确保系统的简单性、快速性，且有可能获得良好的动态性能。模糊控制器通常由计算机或单片机构成，控制原理如图，控制过程：计算机采集被测参数的精确值，并将该值与结定值作比较，得出误差e,误差变化率ec作为模糊控制器的输入语言变量。将e、ec经模糊化得到模糊量E和EC再由E、EC和模糊控制规则。根据推理的合成规则得到模糊控制量△U经模糊决策，清晰化得到精确控制量△U。为方隶属度函数表，如表4-1所示。表4-1语言变量值的隶属度函数0123450000001000001000100010001000l0000010000000速度的给定值n=[0,1000],模糊控制器的输入、输出论域分别取e=[-150,150],表4-2模糊控制规则表YE4.3.1仿真实验由隶属度函数及模糊控制规则表编制模糊控制器的程序，先运行模糊控制器的程于于am图4-17模糊控制转速响应曲线图4-18PID控制转速响应曲线和PID控制的双闭环直流调速系统转速响应曲线相比，上升时间缩短为3s。e图4-20转速调节模型图2主要收获了visio和matlab等软件。我觉得整个人都让我对自己的专业有了更浓厚的兴趣，对自己的前途有了更充足的信心和更美好的憧参考文献[5]王顺晃，舒迪前.智能控制系统[M],北京：机械工业出版社，1999,67-82.[6]