基于模糊PID控制的直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)畢業(yè)論文.doc

畢 業(yè) 設(shè) 計（論 文）說 明 書題 目：基于模糊PID控制的直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)系 別：系專業(yè)班級：電氣工程及自動化學(xué)生姓名：指導(dǎo)教師：教 研 室：電氣工程及其自動化教研室提交時間：- II -基于模糊PID控制的直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)摘 要一個多世紀(jì)以來，電動機作為最主要的機電能量轉(zhuǎn)換裝置，其應(yīng)用范圍已遍及國民經(jīng)濟的各個領(lǐng)域和人們的日常生活。在電動機的數(shù)字控制系統(tǒng)中，一般采用的是PID控制，但由于PID控制有其一定的局限性，在有些場合中難以獲得滿意的控制效果。本文在分析智能控制技術(shù)的基礎(chǔ)上，闡述了PID控制技術(shù)和模糊控制技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀和模糊控制技術(shù)的原理，以模糊PID控制作為研究對象，對雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計了模糊PID控制器,分析了系統(tǒng)的動靜態(tài)特性及魯棒性,并與PID控制進行了比較,MATLAB仿真表明:模糊控制具有更好的動態(tài)特性與魯棒性。關(guān)鍵詞：直流電機；調(diào)速系統(tǒng)；PID控制；模糊PID控制；MATLAB仿真ABSTRACTThe application of motor has spread all kinds of fields of national economy and peoples daily life as the main mechanic-electronic energy conversion device for a century or more. PID control is often adopted in the digital control system of motor. But PID control has some scarcity, good control effects have been obtained difficultly in some instances.The paper is based on the analysis of the intelligent control, elaborating the present development condition of the PID control and the fuzzy control and the principle of the fuzzy control. Taking the fuzzy PID control as the research object, this paper presents a fuzzy PID controller for binary closed loop DC speed regulating system，and transient and steady-state performance and robustness of the system are analyzed. MATLAB numerical simulation shows that it provides higher transient performance and robustness than that of the PID controller.KEY WORDS: DC motor；speed regulating system；PID control；fuzzy PID control；MATLAB simulation- 47 -目錄摘 要IABSTRACTII第1章 引 言- 1 -1.1 前言- 1 -1.2 直流調(diào)速系統(tǒng)發(fā)展史- 1 -1.3 直流電動機的調(diào)速方法- 2 -1.4 本論文研究的目的與內(nèi)容- 5 -第2章 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)- 7 -2.1 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的組成及工作原理- 7 -2.1.1 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的組成- 7 -2.1.2 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的工作原理- 8 -2.2 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性及穩(wěn)態(tài)參數(shù)- 9 -2.2.1 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性- 9 -2.2.2 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)各變量的穩(wěn)態(tài)工作點和穩(wěn)態(tài)參數(shù)計算- 10 -2.3 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)特性- 11 -2.3.1 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)數(shù)學(xué)模型- 11 -2.3.2 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)性能- 11 -2.3.3 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中兩個調(diào)節(jié)器的作用- 12 -第3章 系統(tǒng)控制方案- 13 -3.1 經(jīng)典控制(PID)- 13 -3.2 模糊控制- 18 -3.2.1 模糊控制的基本理論- 19 -3.2.2 模糊控制器的數(shù)據(jù)庫- 20 -3.2.3 模糊控制規(guī)則庫- 21 -3.2.4 推理決策邏輯- 22 -3.3 模糊控制與PID結(jié)合- 24 -3.3.1 模糊PID控制器的基本形式- 25 -3.4 雙閉環(huán)調(diào)速模糊PID控制器的設(shè)計- 27 -3.4.1 確定輸入與輸出變量的模糊子集和論域及其隸屬度- 28 -3.4.2 確定模糊控制規(guī)則(若干條經(jīng)驗規(guī)則)R- 28 -3.4.3 設(shè)計模糊推理關(guān)系- 29 -3.4.4 模糊決策- 29 -3.4.5 模糊判決(將控制量去模糊化)- 30 -第4章 系統(tǒng)仿真- 32 -4.1 Matlab/Simulink簡介- 32 -4.2 Simulink的啟動與界面說明- 33 -4.2.1 啟動Simulink- 33 -4.2.2 Simulink的菜單- 33 -4.2.3 Simulink的功能模塊組- 33 -4.3 Simulink的仿真過程- 33 -4.3.1 創(chuàng)建結(jié)構(gòu)圖文件- 33 -4.3.2 結(jié)構(gòu)圖程序設(shè)計- 34 -4.3.3 Simulink仿真的啟動與停止- 34 -4.4 建立仿真模型- 34 -4.4.1 傳統(tǒng)PID控制的直流雙調(diào)速系統(tǒng)仿真- 34 -4.4.2 模糊PID控制的直流雙調(diào)速系統(tǒng)仿真- 35 -第5章 分析及結(jié)論- 39 -5.1 超調(diào)量，穩(wěn)態(tài)靜差分析- 39 -5.2 快速性分析- 40 -5.3 抗負載擾動分析- 41 -5.4 魯棒性分析- 42 -5.5 結(jié)論- 43 -第6章 結(jié)束語- 44 -致 謝- 45 -參考文獻- 46 -第1章 引 言1.1 前言在現(xiàn)代化的工業(yè)生產(chǎn)過程中，幾乎無處不使用電力傳動裝置，生產(chǎn)工藝、產(chǎn)品質(zhì)量的要求不斷提高和產(chǎn)量的增長，使得越來越多的生產(chǎn)機械要求能實現(xiàn)自動調(diào)速。對可調(diào)速的傳動系統(tǒng)，可分為直流調(diào)速和交流調(diào)速。直流電動機具有優(yōu)良的調(diào)速特性，調(diào)速平滑、方便，易于在大范圍內(nèi)平滑調(diào)速，過載能力大，能承受頻繁的沖擊負載，可實現(xiàn)頻繁地?zé)o級快速起制動和反轉(zhuǎn)，能滿足生產(chǎn)過程自動化系統(tǒng)中各種不同的特殊運行要求，至今在金屬切削機床、造紙機等需要高性能可控電力拖動的領(lǐng)域仍有廣泛的應(yīng)用，所以直流調(diào)速系統(tǒng)至今仍然被廣泛地應(yīng)用于自動控制要求較高的各種生產(chǎn)部門，是截止到目前為止調(diào)速系統(tǒng)的主要形式之一。1.2 直流調(diào)速系統(tǒng)發(fā)展史第一，最初的直流調(diào)速系統(tǒng)是采用恒定的直流電壓向直流電動機電樞供電，通過改變電樞回路中的電阻來實現(xiàn)調(diào)速。這種方法簡單易行，設(shè)備制造方便，價格低廉。但缺點是效率低、機械特性軟、不能在較寬范圍內(nèi)平滑調(diào)速，所以目前極少采用。第二，三十年代末，出現(xiàn)了發(fā)電機電動機(也稱為旋轉(zhuǎn)變流組)，配合采用磁放大器、電機擴大機、閘流管等控制器件，可獲得優(yōu)良的調(diào)速性能，如有較寬的調(diào)速范圍(十比一至數(shù)十比一)、較小的轉(zhuǎn)速變化率和調(diào)速平滑等。特別是當(dāng)電動機減速時，可以通過發(fā)電機非常容易地將電動機軸上的飛輪慣量反饋給電網(wǎng)。這樣，一方面可得到平滑的制動特性;另一方面又可減少能量的損耗，提高效率。但發(fā)電機電動機調(diào)速系統(tǒng)的主要缺點是需要增加兩臺與調(diào)速電動機相當(dāng)?shù)男D(zhuǎn)電機和一些輔助勵磁設(shè)備，因而設(shè)備較多、體積大、費用高、效率低、安裝需有地基、運行有噪聲、維修困難等。第三，自出現(xiàn)汞弧變流器后，利用汞弧變流器代替上述發(fā)電機電動機系統(tǒng)，使調(diào)速性能指標(biāo)又進一步提高。特別是它的系統(tǒng)快速響應(yīng)性是發(fā)電機電動機系統(tǒng)不能比擬的。但是汞弧變流器仍存在一些缺點:維修還是不太方便，特別是水銀蒸汽對維護人員會造成一定的危害等。第四，1957年，世界上出現(xiàn)了第一只晶閘管，與其它變流元件相比，晶閘管具有許多獨特的優(yōu)越性，因而晶閘管直流調(diào)速系統(tǒng)立即顯示出強大的生命力。由于它具有體積小、響應(yīng)快、工作可靠、壽命長、維修簡便等一系列優(yōu)點，采用晶閘管供電，不僅使直流調(diào)速系統(tǒng)經(jīng)濟指標(biāo)上和可靠性有所提高，而且在技術(shù)性能上也顯示出很大的優(yōu)越性。晶閘管變流裝置的放大倍數(shù)在10000以上，比機組(放大倍數(shù)10)高1000倍，比汞弧變流器(1000)高10倍;在快速響應(yīng)性上，機組是秒級，而晶閘管變流裝置為毫秒級。因此，目前在直流調(diào)速系統(tǒng)中，除某些特大容量的設(shè)備而且供電電路容量較小的情況下，仍采用機組供電、晶閘管勵磁系統(tǒng)以外，幾乎絕大部分都已改用晶閘管相控整流供電了。目前，我國直流調(diào)速控制的發(fā)展趨勢主要有以下幾個方面：(1)提高調(diào)速系統(tǒng)的單機容量。(2)提高電力電子器件的生產(chǎn)水平，使變流器結(jié)構(gòu)變得簡單、緊湊。(3)提高控制單元水平，使其具有控制、監(jiān)視、保護、診斷及其自動復(fù)原等多種功能。1.3 直流電動機的調(diào)速方法直流電機轉(zhuǎn)速n的表達式為:n= (1-1)式(1-1)中: Ua-電樞端電壓(V)； Ia-電樞電流(A)； Ra-電樞電路總電阻(W)； F-每極磁通量(wb)；Ce-與電機結(jié)構(gòu)有關(guān)的常數(shù);由(1-1)式可知，直流電機轉(zhuǎn)速n的控制方法有三種:(1)調(diào)節(jié)電樞電壓Ua，改變電樞電壓從而改變轉(zhuǎn)速，屬恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速方法，動態(tài)響應(yīng)快，適用于要求大范圍無級平滑調(diào)速的系統(tǒng);(2)改變電機主磁通F，只能減弱磁通，使電動機從額定轉(zhuǎn)速向上變速，屬恒功率調(diào)速方法，動態(tài)響應(yīng)較慢，雖能無級平滑調(diào)速，但調(diào)速范圍小;(3)改變電樞電路電阻Ra，在電動機電樞外串聯(lián)電阻進行調(diào)速，只能有級調(diào)速，平滑性差、機械特性軟、效率低。在一般意義上，對調(diào)速系統(tǒng)轉(zhuǎn)速控制要求大致有三方面：(1)調(diào)速在一定的最高轉(zhuǎn)速和最低轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，分檔地(有級)或平滑地(無級)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速。(2)穩(wěn)速以一定的精度在所需轉(zhuǎn)速上穩(wěn)定運行，在各種可能的干擾下不允許有較大的轉(zhuǎn)速波動。(3)加、減速頻繁起制動的設(shè)備要求盡快的加減速以提高生產(chǎn)率。一般情況下，調(diào)速和穩(wěn)速在各種場合下都能碰到，我們給出調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能指標(biāo)。 (一)調(diào)速范圍D生產(chǎn)機械要求電動機提供的最高轉(zhuǎn)速nmax和最低轉(zhuǎn)速nmin之比叫做調(diào)速范圍，用字母D表示: D = (1-2)其中nmax和nmin一般都指電機額定負載時的轉(zhuǎn)速。(二)靜差率S當(dāng)系統(tǒng)在某一轉(zhuǎn)速下運行時，負載由理想空載增加到額定值所對應(yīng)的轉(zhuǎn)速降落Dnnom，與理想空載轉(zhuǎn)速n0之比，稱作靜差率s用百分函數(shù)表示為:s =100% (1-3)顯然，靜差率是用來衡量調(diào)速系統(tǒng)在負載變化下轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定度的。并且，調(diào)速范圍和靜差率這兩項指標(biāo)并不是彼此孤立的，必須同時提才有意義。調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)中調(diào)速范圍、靜差率與額定速降之間有一定的關(guān)系。在直流電動機調(diào)壓調(diào)速中，常以電動機額定轉(zhuǎn)速nnom為最高轉(zhuǎn)速，若帶額定負載時轉(zhuǎn)速降為Dnnom，則該系統(tǒng)的靜差率應(yīng)該是最低速時的靜差率，即s = (1-4)于是，nmin = n0min-Dnnom=-Dnnom= （1-5）而調(diào)速范圍為：D= (1-6)將上式（1-5）中nmin代入式(1-6)，得D= (1-7)對于同一個調(diào)速系統(tǒng)，它的特性硬度或Dnnom值是一定的。因此，由式(1-7)可見，如果對靜差率的要求越嚴(yán)，也就是說要求越小時，系統(tǒng)能夠允許的調(diào)速范圍也越小?？刂葡到y(tǒng)的動態(tài)性能指標(biāo)分為跟隨性能指標(biāo)和抗擾性能指標(biāo)兩類。(一)跟隨性能指標(biāo)a)上升時間tr在典型階躍響應(yīng)跟隨過程中，輸出量從零起第一次上升到穩(wěn)態(tài)值所經(jīng)過的時間。b)超調(diào)量s輸出量超出穩(wěn)態(tài)值的最大偏差與穩(wěn)態(tài)值之比s=100% (1-8)c)調(diào)節(jié)時間ts從開始到輸出穩(wěn)定下來的一段時間，一般我們用誤差帶2%5%的t來表示輸出穩(wěn)定。(二)抗擾性能指標(biāo)是指控制系統(tǒng)在穩(wěn)定運行中受到干擾，經(jīng)歷一段動態(tài)過程后，總能達到新的穩(wěn)態(tài)。a)動態(tài)降落Cmax%系統(tǒng)穩(wěn)定運行時，突加一個約定的標(biāo)準(zhǔn)負擾動量，在過度中引起的輸出量最大降落值Cmax做動態(tài)降落，用輸出量原穩(wěn)態(tài)值C1的百分數(shù)表示，系統(tǒng)動態(tài)降落后又重新恢復(fù)，達到新的穩(wěn)態(tài)值C2,用(C1C2)表示靜差。b)恢復(fù)時間tv從階躍擾動作用開始，到輸出量基本上恢復(fù)穩(wěn)態(tài)，距新穩(wěn)態(tài)值C2之差進入某基準(zhǔn)量Cb的5%(或2%)范圍內(nèi)所需要的時間（Cb稱為抗擾指標(biāo)中輸出量的基準(zhǔn)值）。對調(diào)速系統(tǒng)來說，動態(tài)指標(biāo)以抗擾性能為主，而隨動系統(tǒng)的動態(tài)指標(biāo)則以跟隨性為主。121.4 本論文研究的目的與內(nèi)容直流電動機具有良好的起、制動性能,在電力拖動自動控制系統(tǒng),如軋鋼機及其輔助機械、礦井卷揚機等領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用。在工業(yè)現(xiàn)場的實際直流調(diào)速系統(tǒng)中,應(yīng)用最為廣泛、技術(shù)較為成熟的是采用轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)的直流調(diào)速系統(tǒng)。調(diào)速系統(tǒng)的內(nèi)環(huán)是電流環(huán),用以保證啟動過程中只有電流反饋起作用保證最大允許恒定電流,使電力拖動系統(tǒng)盡可能以最大的加速度啟動達到穩(wěn)定轉(zhuǎn)速后使電流轉(zhuǎn)矩同負載轉(zhuǎn)矩平衡,穩(wěn)定轉(zhuǎn)速,達到“時間最優(yōu)控制”,到達穩(wěn)定轉(zhuǎn)速后通過外環(huán)轉(zhuǎn)速環(huán)控制使得轉(zhuǎn)速恒定。傳統(tǒng)的直流電動機雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)多采用結(jié)構(gòu)簡單、性能穩(wěn)定的帶限幅的PID調(diào)節(jié)控制器,在實際生產(chǎn)現(xiàn)場,由于各種因素,如控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)與實際有偏差,又由于電機本身的參數(shù)和拖動負載的參數(shù)(如轉(zhuǎn)動慣量) 并不如模型那樣一成不變,在某些應(yīng)用場合會隨工況而變化;同時,電機本身是一個非線性的被控對象,許多拖動負載含有彈性或間隙等非線性因素。因此被控制對象的參數(shù)變化與非線性特性,使得PID控制器的參數(shù)往往難以達到最優(yōu)狀態(tài),而且參數(shù)的一成不變也難以跟隨現(xiàn)場的動態(tài)變化。由于模糊控制不需要精確的數(shù)學(xué)模型,能夠根據(jù)日常生產(chǎn)中的經(jīng)驗規(guī)則動態(tài)地輸出,能利用其非線性特性，突破PID方法的局限，使調(diào)速系統(tǒng)既有快速的動態(tài)響應(yīng)，又有較高的穩(wěn)定程度。除此之外，模糊控制又進一步提高了調(diào)速系統(tǒng)的魯棒性，對于我們解決直流電動機雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)（甚至是交流調(diào)速系統(tǒng)）的控制策略有重要的借鑒意義。利用模糊PID控制的動態(tài)調(diào)節(jié)作用,對傳統(tǒng)的雙閉環(huán)直流電動機調(diào)速系統(tǒng)進行改造,并通過仿真演示來說明其優(yōu)良特性是本文的主要內(nèi)容。第2章 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)2.1 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的組成及工作原理直流調(diào)速系統(tǒng)，傳統(tǒng)上采用速度和電流的雙閉環(huán)調(diào)速，這是從單閉環(huán)自動調(diào)速系統(tǒng)發(fā)展起來的。采用PI控制器的單閉環(huán)系統(tǒng)，雖然實現(xiàn)了轉(zhuǎn)速的無靜差調(diào)速，但因其結(jié)構(gòu)中含有電流截止負反饋環(huán)節(jié)，限制了起制動的最大電流。加上電機反電勢隨著轉(zhuǎn)速的上升而增加，使電流達到最大值之后迅速降下來。這樣，電動機的轉(zhuǎn)矩也減少下來，使起動過程變慢，起動時間增長。為了提高生產(chǎn)率和加工質(zhì)量，要求盡量縮短過渡過程時間。我們希望使電流在起動時始終保持在最大允許值上，電動機輸出最大轉(zhuǎn)矩，從而可使轉(zhuǎn)速直線上升，過渡過程時間大大縮短。另一方而，在一個調(diào)節(jié)器的情況下，輸入端綜合幾個信號，各參數(shù)互相影響，調(diào)整也比較困難。為獲得近似理想的起動過程，并克服幾個信號在一處的綜合的缺點，經(jīng)研究與實踐，出現(xiàn)了轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。2.1.1 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的組成雙閉環(huán)系統(tǒng)組成的思想是，在系統(tǒng)設(shè)立兩個調(diào)節(jié)器，分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流，兩者之間實行串級連接，電流環(huán)在里面，為內(nèi)環(huán)；轉(zhuǎn)速環(huán)在外面，為外環(huán)。其調(diào)速系統(tǒng)原理如圖2-1所示：圖2-1 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)圖中ASR和ACR分別代表轉(zhuǎn)速、電流調(diào)節(jié)器，TG為測速計，可看作純比例環(huán)節(jié)。GT和V是晶閘管觸發(fā)器和整流裝置，控制晶閘管整流裝置總離不開觸發(fā)電路，因此在分析系統(tǒng)時，把它們當(dāng)作一個環(huán)節(jié)來看。該環(huán)節(jié)的輸入量是觸發(fā)電路的控制電壓Uct，輸出量是理想空載整流電壓Udo。圖中，ASR和ACR均為比例積分調(diào)節(jié)器，其輸出均設(shè)有限幅電路。ACR輸出限幅值為Uctm，它限制了晶閘管整流器輸出電壓的最大值Udm。ASR輸出限幅值為Uim*，它決定了主環(huán)中的最大允許電流Idm。2.1.2 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的工作原理為了更清楚地了解轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的特性，必須對雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖進行分析。圖2-2為雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖。ACR和ASR的輸入、輸出信號的極性，主要視觸發(fā)電路對控制電壓的要求而定。若觸發(fā)器要求ACR的輸出Uct為正極性，由于調(diào)節(jié)器一般為反向輸入，則要求ACR的輸入Ui*為負極性，所以，要求ASR輸入的給定電壓Un*為正極性。圖2-2 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖2.1.2.1 以電流調(diào)節(jié)器ACR為核心的電流環(huán)電流環(huán)是由電流調(diào)節(jié)器ACR和電流負反饋環(huán)節(jié)組成的閉合回路，其主要作用是通過電流檢測元件的反饋作用穩(wěn)定電流。由于ACR為PI調(diào)節(jié)器，穩(wěn)態(tài)時，其輸入偏差電壓DUi= -Ui*+Ui= -Ui*+bId=0，即Id=Ui*/b。其中b為電流反饋系數(shù)。當(dāng)Ui*一定時，由于電流負反饋的調(diào)節(jié)作用，使整流裝置的輸出電流保持在Ui*/b數(shù)值上。當(dāng)IdUi*/b時，自動調(diào)節(jié)過程為：IdDUi=|-Ui*+bId|UctUdId最終保持電流穩(wěn)定。當(dāng)電流下降時，也有類似的調(diào)節(jié)過程。2.1.2.2 以轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR為核心的轉(zhuǎn)速環(huán)轉(zhuǎn)速環(huán)是由轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR和轉(zhuǎn)速負反饋環(huán)節(jié)組成的閉合回路，其主要作用是通過轉(zhuǎn)速檢測元件的反饋作用保持轉(zhuǎn)速穩(wěn)定，最終消除轉(zhuǎn)速偏差。由于ASR采用PI調(diào)節(jié)器，所以在系統(tǒng)達到穩(wěn)態(tài)時應(yīng)滿足DUn=Un*-an=0，即n=Un*/a。當(dāng)Un*一定時，轉(zhuǎn)速n將穩(wěn)定在Un*/a數(shù)值上。當(dāng)nUn*/a時，其自動調(diào)節(jié)過程為：負載nDUn=(Un*-an)|Ui*| 0Wci，滿足近似條件。2)忽略反電動勢對電流環(huán)影響的條件：Wci 33=31/s=51.75 1/sWci，滿足近似條件。轉(zhuǎn)速環(huán)的設(shè)計：(1)確定時間常數(shù)1)電流環(huán)等效時間常數(shù)為2Ti=0.01334s。2)轉(zhuǎn)速濾波時間常數(shù)Ton=0.005s。3)轉(zhuǎn)速環(huán)小時間常數(shù)Tn按小時間常數(shù)近似處理，取Tn=Ton+2Ti=0.01834s。(2)選擇轉(zhuǎn)速環(huán)調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)由于要求設(shè)計無靜差，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器必須含有積分環(huán)節(jié)；又根據(jù)動態(tài)要求，應(yīng)按典型型系統(tǒng)設(shè)計轉(zhuǎn)速環(huán)。ASR調(diào)節(jié)器選用PI型，其傳遞函數(shù)為WASR= Kn(3)選擇轉(zhuǎn)速環(huán)調(diào)節(jié)器參數(shù)按跟隨與抗擾性能都較好的原則，取h=5，則ASR的超前時間常數(shù)為：tn= hTn=50.01834= 0.0917s轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)增益KN= = = 400Kn= = = 23 1/s所以WASR= Kn= (4)校驗近似條件轉(zhuǎn)速環(huán)截止頻率Wcn= = KNtn =2.109 1/s1)電流環(huán)的等效條件Wcn = =29.99 1/sWci，滿足等效條件。2)小時間常數(shù)合并條件Wcn = 1/s= 40.81 1/sWcn，滿足等效條件。3.2 模糊控制美國加州大學(xué)的L.A.Zadeh教授在1965年在信息與控制雜志上發(fā)表了著名的模糊集合論文，文中首次提出表達事物模糊性的重要概念：隸屬函數(shù)，從而模糊理論突破了19世紀(jì)末笛卡爾的經(jīng)典集合理論，從此奠定了模糊理論的基礎(chǔ)。模糊理論因為其適合于人類的自然思維方式，成為了人工智能的重要研究方向，世界各國的科學(xué)家們圍繞模糊理論開展了廣泛的研究，從而推動了模糊理論的迅速發(fā)展。模糊理論主要包括模糊集合理論、模糊邏輯、模糊推理、模糊決策和模糊控制等方面的內(nèi)容，模糊理論最成功的應(yīng)用領(lǐng)域是模糊控制。模糊理論在解決不能精確建立數(shù)學(xué)模型的系統(tǒng)方面，取得了許多成功，解決了許多精確控制無法解決的控制問題。模糊控制是目前在控制領(lǐng)域所采用的三種智能控制方法中最具實際意義的方法。模糊控制的采用解決了大量過去人們無法解決的問題，并且在工業(yè)控制、家用電器和各個領(lǐng)域已取得了令人觸目的成效。模糊邏輯應(yīng)用最有效并最廣泛的領(lǐng)域就是模糊控制。模糊控制在各種領(lǐng)域出人意料地解決了傳統(tǒng)控制方法無法或難以解決的問題，并取得了很好的效果?，F(xiàn)在，人們已經(jīng)明確地知道：模糊控制是目前在控制領(lǐng)域中所采用的三種智能控制方法中最具實際意義的方法。模糊控制就是建立在人類思維模糊性的基礎(chǔ)上的。模糊控制與傳統(tǒng)控制有著本質(zhì)的區(qū)別，它不像經(jīng)典控制那樣需要用精確數(shù)字所描述的傳遞函數(shù)，也不像現(xiàn)代控制理論那樣需要用矩陣表示的狀態(tài)方程。模糊控制的核心是在于它用具有模糊性的語言條件語句，作為控制規(guī)則去執(zhí)行控制?？刂埔?guī)則往往是由對被控過程十分熟悉的專門人員給出的，所以模糊控制在本質(zhì)上來說是一種專家控制。這種控制的控制規(guī)則充分反映了人的智能活動。傳統(tǒng)控制方法以數(shù)學(xué)公式描述控制過程，往往可以給出十分嚴(yán)密和明確的數(shù)學(xué)表述。模糊控制以語句規(guī)則描述控制過程，使習(xí)慣了用精確數(shù)學(xué)刻畫控制過程的人們感到不易適應(yīng)和迷惑。實際上，模糊控制是以一種與傳統(tǒng)精確數(shù)學(xué)完全不同的數(shù)學(xué)模糊數(shù)學(xué)為基礎(chǔ)理論建立起來的。它有一整套和傳統(tǒng)控制方法完全不同的理論和方法。何況，一種技術(shù)是否先進，是以其在實際應(yīng)用中是否取得良好效果而體現(xiàn)的，絕不僅是因?qū)ζ淙唛L的論證或美妙的描述就會優(yōu)秀起來。模糊控制這種技術(shù)，盡管其理論系統(tǒng)尚未完善，但其大量應(yīng)用的超常成效足以表明它是一種前途無量的技術(shù)。模糊控制以模糊數(shù)學(xué)理論、模糊語言形式為理論基礎(chǔ)，是一種基于模糊規(guī)則的控制系統(tǒng)，這些模糊控制規(guī)則是直接從專家經(jīng)驗或現(xiàn)場操作者的經(jīng)驗中進行歸納、優(yōu)化得出來的，是一種蘊涵著人類智能、推理和決策的控制方式。經(jīng)典數(shù)學(xué)以特征函數(shù)討論問題，而模糊數(shù)學(xué)以隸屬函數(shù)討論問題。系統(tǒng)精確數(shù)學(xué)模型的建立，其實質(zhì)是應(yīng)用一定的數(shù)學(xué)處理手段，基于待辨識系統(tǒng)的大量測量數(shù)據(jù)，找出體現(xiàn)系統(tǒng)輸入與輸出之間的內(nèi)在聯(lián)系，并通過一定的數(shù)學(xué)表達式加以描述。建立系統(tǒng)模糊模型的基本思想也是這樣，只是將采集到的精確量量測數(shù)據(jù)進行模糊化處理，轉(zhuǎn)化成通過隸屬度和模糊子集表達的模糊量，也就是說，將原來通過精確量數(shù)據(jù)描述系統(tǒng)輸入輸出之間的內(nèi)在聯(lián)系(精確數(shù)學(xué)模型)，轉(zhuǎn)化成一種相應(yīng)的由條件語句IF(輸入語言變量模糊子集)、THEN(輸出語言變量模糊子集)表達的模糊關(guān)系，這便是系統(tǒng)的模糊模型。模糊控制是一種典型的智能控制方法，其最大的特點是將專家的經(jīng)驗和知識表示為語言控制規(guī)則，并應(yīng)用這些語言控制規(guī)則去控制系統(tǒng)，這樣它可不依賴于被控對象的精確數(shù)學(xué)模型，能夠克服非線性因素的影響，對被控對象的參數(shù)變化具有較強的魯棒性。它不用建立數(shù)學(xué)模型，根據(jù)實際系統(tǒng)的輸入輸出結(jié)果數(shù)據(jù)，參考現(xiàn)場操作人員的操作運行經(jīng)驗，就可對系統(tǒng)進行實時控制。模糊控制器特點中闡述了模糊控制對干擾和參數(shù)變化不敏感和模糊控制不用建立數(shù)學(xué)模型的特點，使得模糊控制對在不同環(huán)境下的同一直流電機對象(在不同環(huán)境下，同一對象的參數(shù)或許已經(jīng)發(fā)生了不小的變化)進行控制，或是已經(jīng)調(diào)好的模糊控制系統(tǒng)應(yīng)用于參數(shù)稍有變化的控制對象時，系統(tǒng)性能沒有多大變化，使得現(xiàn)場調(diào)試人員不必為同一控制對象設(shè)置不同的調(diào)試參數(shù)。10133.2.1 模糊控制的基本理論模糊控制是以模糊集合論、模糊語言變量及模糊邏輯推理為基礎(chǔ)的計算機智能控制，經(jīng)過20多年的發(fā)展，在模糊控制理論和應(yīng)用研究方面均取得重大成功。模糊控制的基本原理框圖如圖3-2所示。它的核心部分為模糊控制器，如圖3-2中點劃線框中部分所示，模糊控制器的控制規(guī)律由計算機的程序?qū)崿F(xiàn)。圖3-2模糊控制原理框圖實現(xiàn)一步模糊控制算法的過程描述如下：首先獲取被控制量的精確值，然后將此量與給定值比較得到誤差信號E，一般選誤差信號E作為模糊控制器的一個輸入量。把誤差信號E的精確量進行模糊化變成模糊量。誤差E的模糊量可用相應(yīng)的模糊語言表示，得到誤差E的模糊語言集合的一個子集e(e是一個模糊矢量)，再由e和模糊控制規(guī)則R(模糊算子)根據(jù)推理的合成規(guī)則進行模糊決策，得到模糊控制量u。應(yīng)著重指出，所謂模糊控制，既不是指被控對象是模糊的，也不是指控制器是不確定的，它是指在表示知識、概念上的模糊。只是在所采用的控制方法上應(yīng)用了模糊數(shù)學(xué)理論，雖然模糊控制算法是通過模糊語言描述的，但它所完成的卻是一項完全確定的工作。它不僅能成功地實現(xiàn)控制，而且還能模仿人的思維方法，對一些無法構(gòu)造數(shù)學(xué)模型的被控過程進行有效控制。3.2.2 模糊控制器的數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)庫提供必要的定義，包含了語言控制規(guī)則論域的離散化、量化和正規(guī)化以及輸入輸出空間的劃分、隸屬度函數(shù)的定義等。3.2.2.1 描述輸入和輸出變量的詞集在模糊控制中，輸入輸出變量大小是以語言的形式描述的。一般選用“大、中、小”三個詞匯來描述模糊控制器的輸入、輸出變量的狀態(tài)，在加上正、負方向和零狀態(tài)，共有7個詞匯：負大、負中、負小、零、正小、正中、正大其縮寫為：NB、NM、NS、ZO、PS、PM、PB3.2.2.2 輸入變量的模糊化某個變量的實際變化范圍稱為該變量的基本論域。記誤差E的基本論域為-xe,xe，誤差變化EC的基本論域為-xec,xec，模糊控制器的輸出變量(系統(tǒng)的控制量)的基本論域為-ye,ye，模糊控制器中的輸入和輸出都是精確量，但控制算法需要模糊量。因此輸入的精確量(數(shù)字量)需轉(zhuǎn)化為模糊量，另一方面，模糊算法所得到的模糊控制量需要轉(zhuǎn)化為精確的控制量輸出。比較常使用的模糊化方法是將基本論域分為n檔，即取變量的模糊子集論域為：-n，-n+1，0，n-1，n從基本論域a,b到模糊子集論域-n,+n轉(zhuǎn)換公式為:y=2n/(b-a)x-(a+b) /2 （3-1）一般選擇模糊論域中所含元素為模糊詞集總數(shù)的二倍以上，確保模糊集能較好的覆蓋論域，避免出現(xiàn)失控現(xiàn)象?？蛇x擇E和EC的論域為:-6，-5，-4，-3，-2，-1, 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6選擇模糊控制器的輸出變量即系統(tǒng)的控制量U的論域為:-7，-6，-5，-4，-3，-2，-1, 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 73.2.2.3 隸屬度函數(shù)為了實現(xiàn)模糊化，要在上述離散化的精確量與表示模糊語言的模糊量之間建立關(guān)系，即確定論域中的每個元素對各個模糊語言變量的隸屬度函數(shù)。隸屬度是描述某個確定量隸屬于某個模糊語言變量的程度，隸屬度函數(shù)的確定方法有模糊統(tǒng)計法、相對比較法和專家經(jīng)驗法等。常見的隸屬度函數(shù)有三角形隸屬度函數(shù)、高斯形隸屬度函數(shù)等。3.2.3 模糊控制規(guī)則庫模糊控制系統(tǒng)是用一系列基于專家知識的語言來描述的，用一系列模糊條件描述的模糊控制規(guī)則就構(gòu)成了模糊控制規(guī)則庫。與模糊控制規(guī)則相關(guān)的主要有：過程狀態(tài)輸入變量和控制輸出變量的選擇、模糊控制規(guī)則的建立和模糊控制規(guī)則的完整性、兼容性、抗干擾性。3.2.3.1 模糊控制器的輸入、輸出變量模糊控制器是模仿人的一種控制。在人為控制的過程中，一般根據(jù)被控量的誤差E、誤差的變化EC和誤差變化的速率ER進行決策。人對誤差最敏感，其次是誤差的變化，再次是誤差變化的速率。因此，模糊控制的輸入變量通常取E或E和EC或E、EC和ER，分別構(gòu)成一維、二維、三維模糊控制器。一維模糊控制器的動態(tài)性能不佳，二維模糊控制器的控制性能比較好，是目前廣泛采用的一種形式。一般選擇控制量的增量作為模糊控制器的輸出變量。3.2.3.2 模糊控制規(guī)則的建立目前模糊控制規(guī)則的建立大致有四種方法:專家經(jīng)驗法:通過對專家控制經(jīng)驗的咨詢形成控制規(guī)則庫。觀察法:通過觀察人類控制行為并將其控制的思想提煉出一套基于模糊條件語言類型的控制規(guī)則從而建立模糊規(guī)則庫?；谀：Ｐ偷目刂?通過建立被控對象的模糊模型來實現(xiàn)。建立模糊控制規(guī)則一樣的“IF-THEN”形式來描述被控對象的動態(tài)特性。在模糊控制中，被控對象的模型是運用多個控制規(guī)則來描述的。自組織法:它能在沒有和有很少經(jīng)驗知識的情況下通過觀察系統(tǒng)的輸入輸出關(guān)系建立控制規(guī)則庫。3.2.4 推理決策邏輯推理決策是模糊控制的核心，它利用知識庫的信息模擬人類的推理決策過程，給出合適的控制量。它的實質(zhì)是模糊邏輯推理。3.2.4.1 模糊命題模糊命題是清晰命題的推廣，它的真值在0,1閉區(qū)間中取值，相當(dāng)于隸屬度函數(shù)值。它的一般形式為:A：e is F式中，e是模糊變量，F(xiàn)是一模糊概念所對應(yīng)的模糊集合。3.2.4.2 模糊語句含有模糊概念的，按給定的語法規(guī)則所構(gòu)成的語句稱為模糊語句。有模糊陳述句、模糊判斷句、模糊推理句等幾種類型。模糊陳述句是相對于具有清晰概念的一般陳述句而言。模糊判斷句的形式為:x是a，它的真值由x對模糊集合A的隸屬度給出。模糊推理句的形式為:“IF a THEN b”。3.2.4.3 模糊推理推理就是根據(jù)已知的一些命題，按照一定的法則，去推斷一個新的命題的思維過程和思維方式。在客觀現(xiàn)實中，很多問題是具有模糊性的，傳統(tǒng)的形式邏輯和近代的數(shù)理邏輯都無法解決這類問題。解決模糊性問題需要用模糊推理。模糊推理是一種近似的推理，應(yīng)用模糊集合理論，可以對近似推理進行定量的討論，這樣可以得到較精確的結(jié)論和明確的結(jié)果。模糊推理有下列幾種常見的形式：CRI法、Mamdani推理法、模糊推理的TVR法等。Mamdani推理法是一種在模糊控制中普遍使用的方法，它實質(zhì)上是一種CRI法。Mamdani推理法常用的推理形式有如下3中：1、“if A then B”的推理。對于這樣一個系統(tǒng)，當(dāng)有輸入A時，則輸出B，它的蘊涵關(guān)系為AB。2、“if A then B else C”的推理。對于這樣一個系統(tǒng)，當(dāng)有輸入A時，則輸出B，如果輸入為Ac時，則有輸出為C，蘊涵關(guān)系為(AB)(ACC)。3、“if A and B then C”的推理。對于這樣一個系統(tǒng)，當(dāng)輸入A和B同時滿足時，則輸出C，這種蘊涵關(guān)系為(AB)C。在模糊控制系統(tǒng)中，用的最多的語句就是“if A and B then C”語句。這是因為在大量的模糊控制中，不但要考慮給定值和實際值所形成的誤差，同時還要考慮誤差的變化率。10123.3 模糊控制與PID結(jié)合傳統(tǒng)PID參數(shù)的設(shè)定一般采用Niegler-Nichols階躍響應(yīng)方法，根據(jù)純滯后時間和時間常數(shù)來整定控制器參數(shù)，這種方法一般適用于純滯后時間和時間常數(shù)之比在0.11之間，借助作圖法進行，參數(shù)整定后保持不變，有時不能滿足要求?，F(xiàn)代PID參數(shù)的整定朝自整定方向發(fā)展，常見的方法有:(1)專家PID控制；(2)模糊PID控制；(3)神經(jīng)PID控制；在實際工業(yè)過程控制中，被控對象會受到來自各種渠道的干擾和影響，這些干擾和影響可能導(dǎo)致過程特性的變化，甚至結(jié)構(gòu)的變化，這往往要求系統(tǒng)能根據(jù)運行狀態(tài)自動進行調(diào)整，使系統(tǒng)始終運行在一個較好的工作狀態(tài)。自適應(yīng)控制就是通過在線辨識對象特性參數(shù)，實時改變控制策略，使系統(tǒng)始終運行在一個較好的工作狀態(tài)，但其控制效果取決于模型辨識的準(zhǔn)確度，這在復(fù)雜系統(tǒng)的情況下是非常困難的，有時幾乎是不可能的。因此，在實際工業(yè)過程控制中，大量采用的仍然是PID控制，為了提高PID控制的性能，采用了大量現(xiàn)代控制技術(shù)，模糊PID控制就是其中卓有成效的一種方法。所謂模糊PID控制是指運用模糊數(shù)學(xué)的基本理論和方法，把規(guī)則的條件、操作用模糊集表示，并把這些模糊控制規(guī)則和有關(guān)信息作為知識存入計算機知識庫中，然后計算機根據(jù)控制系統(tǒng)的實際響應(yīng)情況，運用模糊推理，實現(xiàn)對PID參數(shù)的調(diào)整。綜合PID控制和模糊控制可以知道：(1)PID控制和模糊控制都是適應(yīng)性強的控制方法，可以適應(yīng)大多數(shù)被控對象的控制；(2)PID控制穩(wěn)態(tài)性能好，但動態(tài)特性不太理想;而模糊控制動態(tài)響應(yīng)品質(zhì)優(yōu)良，但存在穩(wěn)態(tài)性能差的問題；(3)在不知道精確的被控對象的數(shù)學(xué)模型時，PID控制參數(shù)整定困難;而模糊控制使用自然語言方法，控制方法易于掌握，不需要精確的被控對象的數(shù)學(xué)模型；(4)PID控制不具有自適應(yīng)控制能力，對于時變、非線性系統(tǒng)控制效果不佳，當(dāng)系統(tǒng)參數(shù)發(fā)生變化時，控制性能會產(chǎn)生較大的變化，控制特性可能變壞，嚴(yán)重時可能導(dǎo)致系統(tǒng)的不穩(wěn)定;而模糊控制魯棒性好，能夠較大范圍的適應(yīng)參數(shù)變化。模糊模型使用模糊語言和規(guī)則描述一個系統(tǒng)的動態(tài)特性及性能指標(biāo)。其特點是不須知道被控對象的精確模型，易于控制不確定對象和非線性對象，對被控對象參數(shù)變化有強魯棒性，對控制系統(tǒng)干擾有較強抑制能力。然而，模糊控制的局限性在于模糊規(guī)則庫的建立缺乏完整性，沒有明確的控制結(jié)構(gòu)，存在較大穩(wěn)態(tài)誤差等。PID控制器結(jié)構(gòu)簡單、明確，能滿足大量工業(yè)過程的控制要求。但PID本質(zhì)是線性控制，而模糊控制具有智能性，屬于非線性領(lǐng)域，因此，將模糊控制與PID結(jié)合將具備兩者的優(yōu)點。即用過程的運行狀態(tài)(電壓偏差及電壓變化率)確定PID控制器參數(shù)，用PID控制算法確定控制作用。主要的問題是合理地獲得PID參數(shù)的模糊校正規(guī)則，其實質(zhì)是一種以模糊規(guī)則調(diào)節(jié)PID參數(shù)的自適應(yīng)控制，即在一般PID控制系統(tǒng)基礎(chǔ)上，加上一個模糊控制規(guī)則環(huán)節(jié)。當(dāng)電壓較大時采用Fuzzy控制，響應(yīng)速度快，動態(tài)性能好;當(dāng)電壓較小時采用PID控制，使其靜態(tài)性能好，滿足系統(tǒng)精度要求。