模糊PID控制在直流調(diào)速系統(tǒng)中的應(yīng)用畢業(yè)設(shè)計

1、模糊 PID 控制在直流調(diào)速系統(tǒng)中的應(yīng)用模糊 PID 控制在直流調(diào)速系統(tǒng)中的應(yīng)用摘 要： 本論文將 PID 控制和模糊控制相結(jié)合， 解決了直流調(diào)速系統(tǒng)中轉(zhuǎn) 速響應(yīng)速度慢的問題。 在論文中主要針對了電壓對傳統(tǒng) PID 控制時雙閉環(huán)直 流調(diào)速系統(tǒng)性能下降的問題 , 提出了模糊 PID 控制的方法。 這種控制方法主 要是根據(jù)根據(jù)調(diào)速系統(tǒng)的偏差 e和偏差變化率 ec, 經(jīng)過模糊邏輯推理 , 然后 對直流電機系統(tǒng)進行調(diào)節(jié)控制后，系統(tǒng)的動態(tài)特性有明顯的提高。論文主要 針對雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)進行了仿真分析。 為了對直流電機的控制選擇出更 好的控制方法，本設(shè)計中對轉(zhuǎn)速環(huán)進行 PI 控制，由于在直流調(diào)速系統(tǒng)中轉(zhuǎn)

2、 速環(huán)起主導(dǎo)作用，電流環(huán)只是調(diào)節(jié)電流，所以在設(shè)計中將轉(zhuǎn)速環(huán)中的 PI 調(diào) 節(jié)器用模糊控制器代替， 在這兩種情況下進行仿真實驗。 雖然傳統(tǒng) PID 控制 結(jié)構(gòu)簡單，但是轉(zhuǎn)速環(huán) PI 控制的情況下，系統(tǒng)達到穩(wěn)定狀態(tài)的時間較長而 在轉(zhuǎn)速環(huán)模糊控制的情況下 , 能使系統(tǒng)更快恢復(fù)到平衡狀態(tài) , 且具有更小 的轉(zhuǎn)速降。因此 , 本控制方法能夠保證系統(tǒng)具有較好的動態(tài)性能。 關(guān)鍵詞 直流調(diào)速, PID 控制,模糊PID 控制,雙閉環(huán)ABSTRACTThis paper combines PID control and fuzzy control,to solved DC speed-regulating sy

3、stem for speed in slow response problem. Thesis when main voltage to the traditional control in double closed-loop DC speed system performance issues, proposed fuzzy control method. This control method is based mainly on according to the deviation and deviation of rate of change of speed regulating

4、system, through fuzzy logic inference, then adjust the DC motor模糊 PID 控制在直流調(diào)速系統(tǒng)中的應(yīng)用systems control, dynamic characteristics of the systems has significantly improved. Thesis focused on double closed-loop DC speed-regulating system for the simulation. In order to select better control for DC motor co

5、ntrol method, designed to control the speed ring, because of the speed loop in DC speed regulating system play a leading role, current loop is regulating current, so design your speed controller using a fuzzy controller in place of the ring, in both cases conducted simulation experiments. While trad

6、itional control structure is simple, the speed control of cases, however, the system reaches a steady state for a long time, and in the case of speed-loop fuzzy control, can make your system faster return to equilibrium, and has a smaller rpm drop. Therefore, the control method to ensure the system

7、has good dynamic performance.Key words： DC speed governing Double closed loop PID control Fuzzy PID control目錄模糊 PID 控制在直流調(diào)速系統(tǒng)中的應(yīng)用1 緒論 11.1 選題背景及目的 11.2 直流調(diào)速系統(tǒng)的發(fā)展過程 11.3 模糊控制的發(fā)展概況 21.4 本設(shè)計的主要內(nèi)容 42 模糊控制的基本理論 42.1 模糊控制理論 42.2 模糊控制的核心部分模糊控制器 5將模糊推理后得到的模糊集轉(zhuǎn)換為用作控制的數(shù)字值 72.3 模糊化的具體步驟 72.4 精確化的過程 82.5 邏輯推理 9

8、2.6 語言變量值的選取 103 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的仿真 103.1 直流電機系統(tǒng)采用控制的主要原因 103.2 系統(tǒng)采用控制主要解決的問題 113.3 電機參數(shù)的選取和計算 123.4 搭建模型 123.5 雙環(huán)的設(shè)計 123.6 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的仿真結(jié)果 164 模糊 PID 在直流調(diào)速系統(tǒng)中的仿真 204.1 模糊 PID 控制器的設(shè)計 204.2 模糊規(guī)則表的建立 214.3 仿真模型的建立 224.4 仿真結(jié)果 244.5 小結(jié) 255 總結(jié)與展望 25參考文獻 27致 謝 錯 誤！未定義書簽。模糊 PID 控制在直流調(diào)速系統(tǒng)中的應(yīng)用1 緒論1.1 選題背景及目的直流電機是直流

9、電能和機械能相互轉(zhuǎn)換的旋轉(zhuǎn)電機。 它的主要特點是調(diào) 速范圍廣，易于平滑調(diào)速；起動、制動和過載轉(zhuǎn)矩大；易于控制，可靠性較 高等優(yōu)點。因此，近幾年來在各個領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。隨著當(dāng)今社會 科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展與提高，它的產(chǎn)品質(zhì)量、性能、精度、功能以及功耗、 自動化程度等廣泛受到世界的關(guān)注。 直流電機在結(jié)構(gòu)方面的特點主要是結(jié)構(gòu) 簡單，線路容易檢查，而且在設(shè)備出現(xiàn)問題是維護方便，運行可靠?，F(xiàn)在直 流電機已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于各種調(diào)速驅(qū)動場合。 但是最主要是應(yīng)用在工作環(huán)境 較差（溫度較低或者比較潮濕的工作環(huán)境下） 、對控制器的價格、性能比要 求較高的場合。在工程實踐中，正是由于直流電動機具有穩(wěn)定的工作性能和

10、 良好的調(diào)速性，所以在當(dāng)今的工業(yè)生產(chǎn)中得到了認可和廣泛的應(yīng)用，由于被 廣泛應(yīng)用，所以才會出現(xiàn)較多的問題，進而使直流電動機的控制成為了很多 專家學(xué)者研究的重點問題。 直流電動機的控制主要采用 PID控制技術(shù)。 其中 智能 PID 控制器和儀表已經(jīng)非常多， 這些產(chǎn)品已經(jīng)在工程實際設(shè)計中得到了 很廣泛的應(yīng)用， 市場上已經(jīng)有了各種各樣的 PID控制器產(chǎn)品， 其中 PID控制 器參數(shù)的自動調(diào)整是通過智能化調(diào)整或自校正、自適應(yīng)算法來實現(xiàn)。1.2 直流調(diào)速系統(tǒng)的發(fā)展過程 4直流調(diào)速系統(tǒng)從開環(huán)發(fā)展到閉環(huán)，從有靜差發(fā)展到無靜差，其中的關(guān)鍵 是由運算放大器等電子模擬電路所組成的調(diào)節(jié)器所起的作用。 它把轉(zhuǎn)速定量 和

11、反饋量進行比較后對誤差進行控制，使電動機的轉(zhuǎn)速保持在某一恒定值模糊 PID 控制在直流調(diào)速系統(tǒng)中的應(yīng)用 上；直流調(diào)速是現(xiàn)代電力拖動自動控制系統(tǒng)中發(fā)展較早的一門技術(shù)。在 20 世紀(jì) 60 年代，隨著晶閘管的出現(xiàn)，電力電子技術(shù)和控制理論相結(jié)合結(jié)合促 進了電力傳動控制技術(shù)研究和應(yīng)用發(fā)展。盡管目前交流調(diào)速發(fā)展很迅速，交 流調(diào)速技術(shù)越來越成熟，交流電動機也有經(jīng)濟性和易維護等優(yōu)點，使交流調(diào) 速廣泛被應(yīng)用。 但是直流電動機調(diào)速系統(tǒng)一直利用其良好的調(diào)速性能占領(lǐng)著 主市場，并且建立在反饋控制理論基礎(chǔ)上的直流調(diào)速原理也是交流調(diào)速控制 的基本原理。 在科技日益發(fā)展成熟的今天直流調(diào)速裝置和交流調(diào)速裝置都是 數(shù)字化的，

12、它們各自使用的芯片和軟件都有其特殊的優(yōu)點，但基本控制原理 有其共性，本論文主要通過 MATLAB仿真研究證明直流調(diào)速的基本工作原理 和調(diào)速性能。1.3 模糊控制的發(fā)展概況1.3.1 模糊控制理論的產(chǎn)生及發(fā)展概況 6在 21 世紀(jì)隨著科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，越來越多的工業(yè)發(fā)展對自動控制 系統(tǒng)的精度以及系統(tǒng)的穩(wěn)定性、系統(tǒng)的自適應(yīng)能力的要求也越來越高，在工 業(yè)發(fā)展的過程中，所研究的系統(tǒng)也變得更加的復(fù)雜。然而在很多情況下被控 對象的模型是很難建立，但是就算被控對象的模型能建立出來，也是高階系 統(tǒng)，處理起來更加麻煩，對象性能的分析更是不容易。還有工業(yè)系統(tǒng)中的模 型相互之間有復(fù)雜多變的交叉耦合關(guān)系，使其模型變

13、得更加復(fù)雜、難于求解 和分析它的主要性能。在科技變得復(fù)雜，工業(yè)對象也變得復(fù)雜的時代，需要 自動控制的設(shè)備和對象越來越多，傳統(tǒng)的自適應(yīng)控制有一定的局限性，因為 它只能解決被控對象的數(shù)學(xué)模型確定的以及一些簡單模型方面的問題， 對于模糊 PID 控制在直流調(diào)速系統(tǒng)中的應(yīng)用被控對象的數(shù)學(xué)模型無法建立的對象無法進行控制。 因為人腦可以對模糊事 物進行正確的識別與判斷，然后對問題作出分析與解決，雖然這樣的識別與 判斷的模糊手段看著似乎非常不確切，但是它就是可以達到精確控制的目 的。而自適應(yīng)控制技術(shù)不一定能達到這樣的控制效果。操作人員是在通過不 斷的嘗試之后，積累大量的經(jīng)驗，然后應(yīng)用這些經(jīng)驗以及理論知識來確

14、定對 被控對象的策略及性能指標(biāo)的判據(jù)。 而這些操作人員的經(jīng)驗都是以自然語言 的形式表達出來的， 自然語言是人們在傳遞信息的過程中最常用到的符號系 統(tǒng)，盡管其中包含了不確定性和模糊性，利用清晰的經(jīng)典邏輯很難解釋，但 它蘊含信息的能力是最強的。 由于種種控制問題的出現(xiàn)和發(fā)展迫切需要一種 更先進的控制方法的出現(xiàn)。 1965 年首先提出來模糊集合的概念， 1973 年又 提出了一種把邏輯規(guī)則的語言轉(zhuǎn)換成相關(guān)控制量的思想處， 為理客觀世界中 存在的一類模糊性問題提供了有力的工具。1.3.2 模糊控制的概念及特點 6模糊控制是指模糊理論在控制技術(shù)上的應(yīng)用。 它用語言變量代替數(shù)學(xué)變 量或他們兩者結(jié)合應(yīng)用；

15、模糊控制的函數(shù)關(guān)系是用模糊條件語句的形式表達 出來的，模糊控制是和人類學(xué)習(xí)有相似的地方和具有自適應(yīng)能力的控制系統(tǒng) 6 。模糊控制的優(yōu)點是：無需預(yù)先知道被控對象的精確數(shù)學(xué)模型 容易學(xué)習(xí)和掌握模糊邏輯控制方法（規(guī)則由人的經(jīng)驗總結(jié)出來） 有利于系統(tǒng)知識的處理模糊控制系統(tǒng)中的控制邏輯更加接近于人類得思維。 所以操作人員通過 不斷的嘗試積累下的經(jīng)驗可以直接應(yīng)用到控制系統(tǒng)中。 與常規(guī)的控制系統(tǒng)相模糊 PID 控制在直流調(diào)速系統(tǒng)中的應(yīng)用比較，很多復(fù)雜系統(tǒng)中的問題都可以依靠模糊控制來解決，并可以達到更好 的控制效果。1.4 本設(shè)計的主要內(nèi)容本設(shè)計主要是轉(zhuǎn)速環(huán)和電流環(huán)的設(shè)計。利用MATLAB中原有的 Power

16、System 模塊搭建雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的模型，在轉(zhuǎn)速環(huán)和電流環(huán)的設(shè)計中 都使用 PI 調(diào)節(jié)器，再進行參數(shù)設(shè)置，通過不斷的調(diào)試，得出仿真結(jié)果。然 后根據(jù)制定的模糊規(guī)則設(shè)計出合適的模糊控制器， 將原先搭建的模型中的轉(zhuǎn) 速環(huán)里的 PI 環(huán)節(jié)用模糊控制器代替，然后進行調(diào)試。最后將以上兩種調(diào)試 結(jié)果進行對比分析，得出對于直流電機的最優(yōu)控制方法。2 模糊控制的基本理論2.1 模糊控制理論 6模糊控制理論是是建立在模糊集合論、 模糊語言以及模糊邏輯基礎(chǔ)之上 的一種計算機數(shù)字控制先進控制理論方法。 模糊控制將該領(lǐng)域?qū)＜抑R轉(zhuǎn)化 為某種數(shù)值運算，是處理控制系統(tǒng)中不精確性和不確定性的一種有效的手 段。在這種控制

17、方法中首先將技術(shù)人員的實踐經(jīng)驗或?qū)＜业睦碚撝R轉(zhuǎn)換為 模糊規(guī)則，然后把實時信號進行模糊化，將模糊化的結(jié)果作為模糊規(guī)則的輸 入，完成模糊推理，最后再將推理后得到的輸出量加到執(zhí)行器上。其結(jié)構(gòu)圖 如圖 2.1模糊 PID 控制在直流調(diào)速系統(tǒng)中的應(yīng)用給定值圖 2.1 模糊控制過程圖2.2 模糊控制的核心部分模糊控制器2.2.1 模糊控制器的介紹 6在模糊控制中最重要的是模糊控制器的設(shè)計， 人們根據(jù)大量的不精確的 信息進行模糊邏輯推理， 將多次的控制經(jīng)驗進行總結(jié)后得出更加有利于控制 的結(jié)論和控制規(guī)則。模糊控制系統(tǒng)的應(yīng)用對那些測量數(shù)據(jù)不精確、需要處理 的數(shù)據(jù)量過大以至于無法判斷他們的兼容性、一些復(fù)雜、可變

18、的被控對象的 場合時有利的，利用模糊逼近去表示他們是非常合適的。一般來說，優(yōu)化模 糊規(guī)則便可以對模糊控制的性能進行改善。模糊控制器有如下特點 :1) 設(shè)計簡單。模糊控制主要是一種依靠模糊規(guī)則的控制。 它直接采用了語言 型控制規(guī)則，并且應(yīng)用了現(xiàn)場技術(shù)人員的控制經(jīng)驗或相關(guān)專家的理論知識， 使得控制機理和策略易于被多數(shù)人接受與理解， 最重要的是它的模糊控制規(guī) 則設(shè)計簡單，便于利用。2) 適用于數(shù)學(xué)模型難以獲取、動態(tài)特性不易掌握或變化非常顯著的對象。模糊 PID 控制在直流調(diào)速系統(tǒng)中的應(yīng)用3) 容易被人們所接受。依據(jù)專家或者是操作者的多年的經(jīng)驗來制定容易被 人接受的模糊規(guī)則，然而這些規(guī)則便是控制的核心

19、內(nèi)容。所制定的規(guī)則會特 別容易的就被人類接受和理解。例如“小明很饑餓，則小明要多吃一些飯。 ”4) 它反映出人類的思維。模糊控制運用模糊量，例如“長短” “高矮”“胖 瘦”“輕重”“大小”反映人類的思維。2.2.2 模糊控制器的基本結(jié)構(gòu)在理論上講，模糊控制器由 N 維關(guān)系 R表示。關(guān)系 R 可視作受制于 11 區(qū)間內(nèi) N 個變量的函數(shù)。 r 是幾個 N 維關(guān)系的組合，每個 ri 代表一條規(guī)則 r i ：IF THEN ?？刂破鞯妮斎?x 被模糊化為一維關(guān)系 X ，對于多輸入多 輸出控制時， X 為(N 1)維。模糊輸出 Y可以應(yīng)用合成推理規(guī)則進行計算。 當(dāng)對Y進行解模糊，便可以得到一個精確的輸

20、出數(shù)值 y 。圖 2.2 便是具有輸 入輸出的理論模糊控制器的原理框圖。xXYy圖 2.2 理論模糊控制器的原理框圖2.2.3 模糊控制器需要解決的三大問題 61) 第一個問題是怎么樣把確定量轉(zhuǎn)化為與之相對應(yīng)的模糊量2) 第二個問題是模糊控制規(guī)則形成和推理。3) 第三個問題是怎么樣把模糊量轉(zhuǎn)換為與之相對應(yīng)的確定量從以上的三個問題可以知道， 模糊控制器的設(shè)計需要解決的問題就是模模糊 PID 控制在直流調(diào)速系統(tǒng)中的應(yīng)用糊化過程、知識庫、推理決策和精確化。2.2.4 模糊控制器的三大模塊庫模模化將模糊控制器輸入量的確定值轉(zhuǎn)換為相應(yīng)模糊語言變量模糊推理 將已有的控制經(jīng)驗和輸入變量作為設(shè)計的理論依據(jù)，通

21、過模糊變換得 出新的模糊經(jīng)驗作為結(jié)論清晰化將模糊推理后得到的模糊集轉(zhuǎn)換為用作控制的數(shù)字值2.3 模糊化的具體步驟 121）根據(jù)確定數(shù) 錯誤！未找到引用源。 及量化因子 錯誤！未找到引用源。 求錯 誤！未找到引用源。 在基本論域上的量化等級 錯誤！未找到引用源。 。2）查找語言變量 E 的賦值表，找出 錯誤！未找到引用源。 在與最大隸屬度對 應(yīng)的模糊集合，該模糊集合就代表確實數(shù) e1 的模糊化結(jié)果。模糊化過程主要完成測量輸入的變量值， 并將數(shù)字表示形式的輸入量轉(zhuǎn) 化為通常語言值表示形式的隸屬度函數(shù)值。模糊 PID 控制在直流調(diào)速系統(tǒng)中的應(yīng)用對于一個測量值可以對應(yīng) 2 個以上的模糊子集，即可以隸屬

22、于“中” ， 也可以隸屬于“大”，知識隸屬的程度不同而已。圖 2.4 給出了模糊化過程 的結(jié)果，即測量值 x隸屬于“中”的程度為 0.55 ，隸屬于“大”的程度為 0.35 。為了使得任意物理量輸入 x都能夠映射到模糊集系統(tǒng)中去，即在所有 論域內(nèi)的輸入量都可以與某一模糊子集相對應(yīng)， 模糊子集的數(shù)目和范圍必須 遍及整個論域。每一個物理輸入量至少一個模糊子集的隸屬度必須大于零。 模糊化過程主要任務(wù)是定義域內(nèi)所有的語言值的隸屬度函數(shù)。2.4 精確化的過程通過模糊推理可以得到一個模糊集合或者是一個隸屬度函數(shù)， 但是在控 制系統(tǒng)中，只能是由確定值去控制驅(qū)動結(jié)構(gòu)。在推理得到的模糊集合中取一 個最佳代表的這

23、個過程就被稱為精確化過程。 常用的精確化過程的方法主要 有三種：1 ）最大隸屬度法2 ）重心法3 ）加權(quán)平均法模糊 PID 控制在直流調(diào)速系統(tǒng)中的應(yīng)用其實精確化的算法還有左取大、右取大、去大平均等。根據(jù)隸屬度函數(shù) 的形狀、推理方法選擇合適的精確化計算方法。2.5 邏輯推理在模糊控制中最主要的是建立合適正確的模糊控制規(guī)則表。 為了實現(xiàn)模 糊控制的控制效果達到最佳狀態(tài)，就必須研究不確定性推理的規(guī)律，而模糊 邏輯推理就是主要研究不確定性推理的重要方法之一。 扎德于 1972-1974 年 間系統(tǒng)的建立了模糊邏輯理論，提出了模糊限定詞、語言變量、語言變量、 語言真值和近似推理等概念，制定了模糊推理的規(guī)

24、則，為模糊推理奠定了基 礎(chǔ)。模糊邏輯原則上是一種擬人思維，要用從 0-1 之間的確切數(shù)值一個模糊 命題的真假程度，有時候是很困難的，人們在日常生活中交流信息用的大多 數(shù)是自然語言， 而這種自然語言是用充滿了不確定性的描述來表達具有模糊 性的現(xiàn)象和事物。 自然語言的模糊性是由于使用率大量的模糊化詞來組成自 言語言。因此，從理論上講，一切具有模糊性的語言都可以稱為模糊語言， 在不同的條件下一種模糊概念可以代表不同的含義。通常推理方法都是很嚴格的，而二值推理只需要有確定的小前提，則一 定會得出確定的結(jié)果。例如，前提：如果 A，則 B:如果 B,則 C。結(jié)論：如果 A，則 C。可是，在生活中，人們得到

25、的信息卻不是精確的，反而大多數(shù)都是 模糊的，或者事實本身就很模糊。2.5.1 模糊推理常用的四種方法（ 1）Mamdani 模糊推理方法（ 2）Larsen 模糊推理的方法模糊 PID 控制在直流調(diào)速系統(tǒng)中的應(yīng)用（ 3）Takagi-Sugeno 模糊推理算法（ 4）Tsukamoto 模糊推理算法 在本次設(shè)計中，主要選擇 Mamdani模糊推理方法， Mamdani模糊推理是模糊 控制中普遍使用的方法，它本質(zhì)上是一種合成推理方法。2.6 語言變量值的選取根據(jù)系統(tǒng)控制精度的要求不同，誤差、誤差變化率和控制量的變化量， 可以選擇 3個，7個，8個等級甚至更多。分為 3 個等級：大、中、小。如 果

26、分為 7 個等級，則常選用正大、正中、正小、零、負小、負中、負大等 7 個語言變量值，在本論文中，用一下 7個變量 NB、NM 、NS、ZE、PB、 PM 、 PS來表示語言變量。3 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的仿真3.1 直流電機系統(tǒng)采用控制的主要原因由于PID控制用途廣泛、 使用靈活， PID系列的產(chǎn)品已經(jīng)快要到成熟的 地步。而且 PID 控制結(jié)構(gòu)簡單，所以 PID 控制器只需對比例、積分和微分 3 個錯誤！未找到引用源。 參數(shù)的進行設(shè)定。有的時候在系統(tǒng)控制中也可以只 有兩個參數(shù)，但是不管怎么操作它的比例控制單元是不可或缺的，那么我們 有以下三個主要原因使用 PID 控制來對電機進行控制。1） P

27、ID 應(yīng)用范圍廣雖然許多工業(yè)過程是時變的或非線性的， 但是我們只需通過對它進行簡 化就可以改變成動態(tài)特性不隨時間變化和基本線性的系統(tǒng)， 這樣就可以達到模糊 PID 控制在直流調(diào)速系統(tǒng)中的應(yīng)用PID 的可控制。2) PID 參數(shù)較易整定PID 的參數(shù) K p ，錯誤！未找到引用源。 和錯誤！未找到引用源。 可以 根據(jù)控制過程的動態(tài)特性及時進行參數(shù)整定。 如果在控制過程中動態(tài)特性變 化，比如在電機運行過程中由負載的變化而引起系統(tǒng)動態(tài)特性變化，那么， PID 參數(shù)就可以重新整定。3) PID 控制器在實踐中也不斷地得到改進在科技不斷進步的同時， PID 控制器也在不斷地升級和完善。 PID 控制 器

28、也逐步發(fā)展為最簡單、最實用的控制器。3.2 系統(tǒng)采用控制主要解決的問題 41) 啟動的快速性問題由于 PI 調(diào)節(jié)器具有非線性的特性，所以在電機性能容許的情況下，讓 電機起動的速度加快。在系統(tǒng)調(diào)節(jié)的過程中，比例環(huán)節(jié)在反映速度控制過程 中的偏差的同時還可以自動按照比例進行調(diào)節(jié)，在最短的時間內(nèi)減小偏差。 雖然比例環(huán)節(jié)可以減小偏差但還會產(chǎn)生靜差， 此時可以加入積分環(huán)節(jié)來消除 靜差，而積分環(huán)節(jié)作用的強弱主要取決于積分時間常數(shù) T的大小， T越大積 分作用越弱，反之積分作用就越弱。2)提高系統(tǒng)的抗擾性能在設(shè)計中轉(zhuǎn)速環(huán)和電流環(huán)的設(shè)計都應(yīng)用 PI 調(diào)節(jié)器，如果系統(tǒng)中加入 PI 調(diào)節(jié)器，就可以提高系統(tǒng)的抗干擾性

29、能，還可以對于電網(wǎng)電壓以及負載轉(zhuǎn)矩 的波動產(chǎn)生的擾動進行抑制和調(diào)節(jié)，而且還可以加快調(diào)節(jié)時間。模糊 PID 控制在直流調(diào)速系統(tǒng)中的應(yīng)用3.3 電機參數(shù)的選取和計算在本次設(shè)計中，設(shè)計指標(biāo)定為電流的超調(diào)量為 i 5% ，空載起動到額 定轉(zhuǎn)速時的轉(zhuǎn)速的超調(diào)量為 n 10%。過載倍數(shù)1.5 ，取電流反饋濾波時間常數(shù) Toi 0.002s，轉(zhuǎn)速反饋濾波時間常數(shù) Ton 0.01s 。取轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和 電流調(diào)節(jié)器的飽和值為 12V ，輸出限幅值為 10V ，額定轉(zhuǎn)速時轉(zhuǎn)速給定 Un 10V 。仿真觀察系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速、 電流響應(yīng)和設(shè)定參數(shù)變化對系統(tǒng)響應(yīng)的影 響11。3.4 搭建模型在本次設(shè)計中主要使用 MATLAB

30、中 Power System 模塊來搭建直流電機 模型。主回路部分、交流電源、晶閘管整流器、觸發(fā)器、移相控制環(huán)節(jié)和電 動機等環(huán)節(jié)使用 Power System 模型庫的模塊。控制回路的主體是轉(zhuǎn)速和電 流兩個調(diào)節(jié)器，以及反饋濾波環(huán)節(jié)，將這幾部分拼接起來，即組成了晶閘管 - 電動機轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)控制直流調(diào)速系統(tǒng)的仿真模型 11。3.5 雙環(huán)的設(shè)計 4在本次設(shè)計中主要遵循轉(zhuǎn)速外環(huán)，電流內(nèi)環(huán)的原則。先設(shè)計電流環(huán)，再 設(shè)計轉(zhuǎn)速環(huán)。電流截止負反饋環(huán)節(jié)只能限制電流的沖擊，避免出現(xiàn)過電流的 現(xiàn)象。而在轉(zhuǎn)速負反饋控制中，系統(tǒng)的被調(diào)節(jié)量是轉(zhuǎn)速，所檢測的誤差也是 轉(zhuǎn)速。所以在直流電機的調(diào)速系統(tǒng)中只用一個調(diào)節(jié)器很難實

31、現(xiàn)對轉(zhuǎn)速和電流 的控制，所以必須選用兩個調(diào)節(jié)器，把轉(zhuǎn)速環(huán)定為外環(huán)，電流環(huán)為內(nèi)環(huán)。在 設(shè)計時需要將電流調(diào)節(jié)器串接在轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的后面， 這樣就可以形成以轉(zhuǎn)速 環(huán)作為外環(huán)、電流環(huán)作為內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)。模糊 PID 控制在直流調(diào)速系統(tǒng)中的應(yīng)用在電機起動和制動的過程中，剛開始電流環(huán)開始運行并保持系統(tǒng)的電 流，在一定的范圍內(nèi)減小過渡過程的時間。當(dāng)系統(tǒng)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速到達給定轉(zhuǎn)速 時，系統(tǒng)就會自動進入轉(zhuǎn)速控制的方式， 此時轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制開始起主導(dǎo)作用， 而電流內(nèi)環(huán)起跟隨作用，使實際電流迅速跟隨給定值，以保持轉(zhuǎn)速的恒定。 在設(shè)計中對于轉(zhuǎn)速環(huán)和電流環(huán)的調(diào)節(jié)都選擇采用 PI 調(diào)節(jié)器，這樣就可以更 好的改善系統(tǒng)的靜

32、、動態(tài)性能 4 。電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的原理如圖 3.1，系 統(tǒng)動態(tài)結(jié)構(gòu)如圖 3.2 。圖 3.1 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的原理圖ASR轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器； ACR電流調(diào)節(jié)器； TG測速發(fā)電機； TA電流互感器；GT觸發(fā)器；模糊 PID 控制在直流調(diào)速系統(tǒng)中的應(yīng)用圖 3.2 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速的系統(tǒng)動態(tài)結(jié)構(gòu)圖3.5.1電流環(huán)設(shè)計電流調(diào)節(jié)器的參數(shù)計算如下： 電流反饋系數(shù)為UimimInom100.051.5 136電動機轉(zhuǎn)矩時間常數(shù)為3.53 2.8520.161sTGD2RTm 375CeCm 375 9.55 0.1322電動電磁時間常數(shù)為2.85T1 LR (200 16) 10 3S 0.07

33、6s三相晶閘管整流電路平均失控時間為T 0.0017s電流環(huán)的小時間常數(shù)為T i Ts Toi 0.0017 0.002 0.0037 s模糊 PID 控制在直流調(diào)速系統(tǒng)中的應(yīng)用其傳遞函數(shù)為根據(jù)設(shè)計要求以及選取的參數(shù)，電流環(huán)設(shè)計為 I 型系統(tǒng)，1WACR(S) K pi 1K1is1isKi其中：i T1 0.076SKiiR0.076 2.852T i Ks2 0.0037 0.272 37.842.84K1iKi02.08746 0.02683.5.2 轉(zhuǎn)速環(huán)設(shè)計 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)的參數(shù)計算如下：轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)為U 10nom V min r 0.00667V min rnnom 1500為了加快電

34、機轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)速度，轉(zhuǎn)速環(huán)設(shè)計為 型，并且選中頻段h 5 ，其傳遞函數(shù)為WASR(S) K pn1 1 sK11nsKn1 nsns其中：n hT n h(2T i Ton) 5 (2 0.0037 0.01)s 0.087sKn(h 1) CeTm2h RT n6 0.272 0.132 0.1612 5 0.00667 2.85 0.017410.49K1nn 0.087Kn 10.480.0083模糊 PID 控制在直流調(diào)速系統(tǒng)中的應(yīng)用simulink 系統(tǒng)可搭建如圖3.6 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的仿真結(jié)果根據(jù)以上的參數(shù)計算、設(shè)計原則以及原理框圖，在3.3 的仿真模型 。模糊 PID 控制在直

35、流調(diào)速系統(tǒng)中的應(yīng)用1+s20.50.2ncFrefsnaretfinecapskroWoTa4nia-K-kcolC01edonRCRS1ncFrefsnarnoitaruta01tnatsnorotareneGesludezinorhcnykcolApma1noitarutabiugrewopegdirBlasrevin-D01edonmw-+v1bdC+cau圖 3.3 仿真模型模糊 PID 控制在直流調(diào)速系統(tǒng)中的應(yīng)用轉(zhuǎn)速環(huán)的子系統(tǒng)如下圖 3.4圖 3.4 轉(zhuǎn)速環(huán)子系統(tǒng)電流環(huán)的子系統(tǒng)如下圖 3.5 ：圖 3.5 電流環(huán)的子系統(tǒng)仿真結(jié)果如圖 3.6模糊 PID 控制在直流調(diào)速系統(tǒng)中的應(yīng)用圖

36、3.7 直流電機調(diào)速系統(tǒng)仿真結(jié)果結(jié)果分析：從上圖可以看出，加入 PI 之后，系統(tǒng)穩(wěn)定時間較長，控制 效果不是最佳的，但最終轉(zhuǎn)速可以穩(wěn)定在額定轉(zhuǎn)速。其中比例環(huán)節(jié)是一種簡 單的調(diào)節(jié)作用，由于控制輸出作用力的大小與系統(tǒng)的偏差有很大的關(guān)系，并 且是正比例關(guān)系。比例調(diào)節(jié)的作用不僅與偏差的產(chǎn)生有關(guān)系，而且更主要的 是取決于比例增益的大小。但是比例增益太大時，會引起自然振蕩。比例調(diào) 節(jié)的缺點就是不能消除靜態(tài)誤差，影響控制的精確度，而消除靜態(tài)偏差有效 的方法就是加入積分環(huán)節(jié)。在系統(tǒng)運行過程中如果出現(xiàn)靜態(tài)偏差，那我們就 可以對輸入的偏差進行積分，使調(diào)節(jié)器的輸出不斷的變化，直至達到新的穩(wěn) 定值消除靜態(tài)偏差為止。加

37、入積分環(huán)節(jié)后可以改善系統(tǒng)的靜態(tài)性能。模糊 PID 控制在直流調(diào)速系統(tǒng)中的應(yīng)用4 模糊 PID 在直流調(diào)速系統(tǒng)中的仿真4.1 模糊 PID 控制器的設(shè)計要設(shè)計一個模糊控制器最重要的是要將輸入輸出的變量進行模糊化， 在 論文中我將誤差和誤差變化率作為模糊邏輯控制器的輸入， 輸出量為系統(tǒng)控 制量kp、ki 。首先將輸入量進行模糊化， 再根據(jù)模糊規(guī)則得出模糊控制決策 輸出控制量，最終將模糊化計算后得到精確的控制值來控制被控對象。現(xiàn)在的工業(yè)過程越來越復(fù)雜，許多被控對象會隨著外界干擾的增加，它 的結(jié)構(gòu)會發(fā)生一定的變化，為了使控制效果達到最佳狀態(tài)，人們把自己的經(jīng) 驗、理論知識以及 錯誤！未找到引用源。 相結(jié)

38、合改善了系統(tǒng)的控制效果。模 糊錯誤！未找到引用源。 控制也是以誤差和誤差變化率為輸入量，以此滿足 PID 參數(shù)子整定的要求。模糊 錯誤！未找到引用源。 控制同樣是以誤差和誤差變化率作為輸入的 其結(jié)構(gòu)圖模糊化糊制法 ?？厮隳：袥Q被控過程圖4.1 模糊 PID控制結(jié)構(gòu)圖模糊 PID 控制在直流調(diào)速系統(tǒng)中的應(yīng)用在圖 4.1 中，錯誤！未找到引用源。 為系統(tǒng)的設(shè)定值， y 為系統(tǒng)輸出， eu和e分別是系統(tǒng)的誤差和誤差的變化率， 同時 eu和e也是作為模糊控制器 的輸入，而 u為控制器輸出的控制信號， E、EU 、 EC為模糊化后的模糊 量。由系統(tǒng)框圖可以知道模糊控制系統(tǒng)屬于雙閉環(huán)控制系統(tǒng)，模糊控制器

39、主 要包括 3 個功能環(huán)節(jié)：模糊化環(huán)節(jié)（用于輸入信號處理） ，模糊控制算法功 能單元，以及模糊判決環(huán)節(jié)（用于輸出解模糊化） 。4.2 模糊規(guī)則表的建立4.2.1 模糊規(guī)則庫的建立方法（1）對模糊模型的控制（2）專家經(jīng)驗法（3）觀察法（4）自組織法4.2.2 模糊規(guī)則庫建立過程模糊規(guī)則是根據(jù)人的直覺思維進行推理判斷，然后通過對系統(tǒng)輸出的誤 差及誤差的變化率的調(diào)節(jié)來消除系統(tǒng)誤差的模糊控制規(guī)則。 模糊控制器通常 由計算機或單片機構(gòu)成，控制過程為先由計算機采集被測參數(shù)的精確值，并 同時將精確值值與結(jié)定值相比較后得出誤差 e，再將誤差的變化率 ec 錯誤！ 未找到引用源。 作為模糊控制器的輸入變量。將

40、e、 ec經(jīng)過模糊化后得到模 糊量 E 和 EC 。再利用 E 和 EC 得出模糊規(guī)則表。為了簡化設(shè)計，先設(shè)定輸 入輸出的語言變量值相同， 分別為 NB、NM 、NS、ZE 、PB、PM 、PS， 經(jīng)過以上的步驟就可以得出相應(yīng)的隸屬度函數(shù)表。 。如表 4.1 所示模糊 PID 控制在直流調(diào)速系統(tǒng)中的應(yīng)用表 4.1 Ki 模糊控制規(guī)則表kpNBNMNSZOPSPMPBNBPBPBPMPMPSZOZONMPBPBPMPSPSZEZENSPMPMPMPMZONSNSZOPMPMPSZONSNMNMPSPSPSZONSNSNMNMPMPSPENSNMNMNBNBPBZOZONMNMNMNBNB表 4.

41、2K p模糊控制規(guī)則表kiNBNSNMZOPSPMPBNBBBNMNMPMNMZOZONMNBNBNMNSNSZOZONSNBNMNSNSZOPSPSZONMNMNSZOPSPMPMPSNMNSZOPSPSPMPBPMZOZOPSPSPMPBPBPBZOZOPMPMNMPBPB4.3 仿真模型的建立在整個直流調(diào)速系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)速環(huán)起主導(dǎo)作用，而電流環(huán)只是調(diào)節(jié)電流，所以在設(shè)計過程中轉(zhuǎn)速環(huán)選擇采用模糊控制器， 可以建立如下的仿真控制模模糊 PID 控制在直流調(diào)速系統(tǒng)中的應(yīng)用1ecapskrnkcoly+oCsesegdirBlasreviniai11ncFrefsnarTnoitarutaS1niaG

42、1 -K-dezinorhcnycv+-kcolAC1tnatsnorotareneGesluP-dAt2It2u2nO3ncFrefsnar圖 4.2 仿真控制模型將模糊控制器的部分封裝為子系統(tǒng)，仿真模型如圖4.3所示模糊 PID 控制在直流調(diào)速系統(tǒng)中的應(yīng)用圖 4.3 FUZZY 控制器子系統(tǒng)圖4.4 仿真結(jié)果圖 4.4 模糊 PID 仿真結(jié)果圖仿真結(jié)果分析：從圖 4.4 可以看出，在加入模糊控制器后，電機起動速 度很快，系統(tǒng)的響應(yīng)也速度快 , 調(diào)節(jié)精度高 , 穩(wěn)態(tài)性能好 , 而且超調(diào)量較 小。模糊 PID 控制在直流調(diào)速系統(tǒng)中的應(yīng)用4.5 小結(jié)通過以上兩種方法仿真結(jié)果的對比， 從圖 4.4

43、 方案仿真結(jié)果對比圖中可 以明顯的看出，模糊 PID 控制效果優(yōu)于 PI 調(diào)節(jié)器的控制效果。從下面兩個 圖的對比中可以得出：在 PI 調(diào)節(jié)器的控制下，電機的轉(zhuǎn)速穩(wěn)定大概在 0.8 秒之后，調(diào)節(jié)時間較長，而且有較大的超調(diào)量，抗干擾能力比較差，震蕩也 很大。而在模糊控制器的控制下，電機的轉(zhuǎn)速穩(wěn)定是在 0.2 秒之后，調(diào)節(jié)時 間快。圖 4.5 方案仿真結(jié)果對比圖5 總結(jié)與展望PID 有個在拿到設(shè)計題目之后，先從字面意思大概構(gòu)想了論文的總體方向，之后我開始查閱大量的書籍和相關(guān)資料對直流調(diào)速和模糊控制以及模糊 PID 控制在直流調(diào)速系統(tǒng)中的應(yīng)用全面的了解！在明確了課題的背景、目的以及意義之后，在老師的指

44、導(dǎo)下制 定了課題研究的方向和實施方案。實施方案主要為：整體采用雙閉環(huán)直流調(diào) 速，其中轉(zhuǎn)速環(huán)和電流環(huán)的設(shè)計都采用 PI 調(diào)節(jié)器，仿真結(jié)果可以看出調(diào)節(jié) 時間較長，而且有較大的超調(diào)量，震蕩也很大。所以 PI 控制器并非為最優(yōu) 控制方法，提高系統(tǒng)動態(tài)品質(zhì)等方面，光靠調(diào)整 PI 參數(shù)難以獲得滿意的控 制效果。然后對直流電動機的模糊 PID 控制進行仿真。最后將兩種控制方法 進行對比分析后可以發(fā)現(xiàn)模糊控制器具有系統(tǒng)響應(yīng)速度快， 動態(tài)性能好等優(yōu) 點。在本次論文設(shè)計中主要的收獲就是使用 MATLAB里原有的模塊進行模型 的搭建，由于直流電機的發(fā)展已經(jīng)很成熟，如果只是應(yīng)用一個二階的傳遞函 數(shù)代替電機的模型，那仿真結(jié)果就