大慣量變轉(zhuǎn)速泵控馬達(dá)調(diào)速系統(tǒng)模糊控制

1、機(jī)床與液壓20041No11077大慣量變轉(zhuǎn)速泵控馬達(dá)調(diào)速系統(tǒng)模糊控制彭天好1,徐兵2,楊華勇2(11安徽理工大學(xué)機(jī)械系,安徽淮南232001;21浙江大學(xué)流體傳動(dòng)及控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,杭州310027)摘要:對(duì)大慣量負(fù)載的變轉(zhuǎn)速泵控馬達(dá)調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行了模糊控制及模糊PID控制的實(shí)驗(yàn)研究,并與常規(guī)PID控制的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比,獲得了有益的結(jié)論,為提高這類系統(tǒng)的控制特性提供了借鑒。關(guān)鍵詞:大慣量;變轉(zhuǎn)速泵控馬達(dá);調(diào)速系統(tǒng);模糊控制中圖分類號(hào):TH137文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1001-3881(2004)10-077-2FuzzyControlofGreatInertiaVariableRota

2、tionalSpeedPump-control-motorSpeedGoverningSystemPENGTian2hao1,XUBing2,YHua2(11DepartmentofMechanicalEngineering,of,Huainan232001,China;21StateKeyandControl,China)Abstract:Fuzzycontrolandinertiavariablerotationalspeedpump-control-motorspeedgovern2ingsystemwerewerecomparedwithoneofgeneralPIDcontrol.S

3、omeusefulconclusionswereobtained,andareferenceisofferedofimprovingthiskindofsystemscontrolcharacteristics.Keywords:Greatinertia;Variablerotationalspeedpump-control-motor;Speedgoverningsystem;Fuzzycontrol0引言大慣量變轉(zhuǎn)速泵控馬達(dá)調(diào)速系統(tǒng)由于大的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和液壓系統(tǒng)的調(diào)節(jié)死區(qū),使得控制系統(tǒng)存在較大的時(shí)滯,控制系統(tǒng)響應(yīng)慢,動(dòng)、靜態(tài)性能均較差。針對(duì)這一問(wèn)題,本文對(duì)大慣量負(fù)載的變轉(zhuǎn)速泵控馬達(dá)調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行

4、了模糊控制及模糊PID控制的實(shí)驗(yàn)研究,并與常規(guī)PID控制的實(shí)驗(yàn)結(jié)果作了對(duì)比。1變轉(zhuǎn)速泵控馬達(dá)調(diào)速實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)變轉(zhuǎn)速泵控馬達(dá)調(diào)速實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖1所示。電機(jī)2(55kW)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)由改變變頻器1的控制電壓實(shí)現(xiàn),而變頻器的控制電壓由計(jì)算機(jī)19加以控制。泵3為定量泵,當(dāng)轉(zhuǎn)速變化時(shí)泵輸出不同的流量,從而對(duì)執(zhí)行元件馬達(dá)進(jìn)行調(diào)速。模擬負(fù)載為液壓加載,加載大小由比例溢流閥16控制。圖中9為模擬負(fù)載慣量(814kgm2),10是轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器,23是與轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器配套的轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速儀。在系統(tǒng)中還分布有多個(gè)壓力傳感器,以測(cè)得不同部位的壓力。11變頻器21電機(jī)31主泵41濾油器51單向閥615個(gè)壓力傳感器71電磁換向閥或比

5、例伺服閥81圖2模糊控制系統(tǒng)框圖馬達(dá)91慣性輪101轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器111加載泵121安全閥131加載低壓回路溢流閥141液動(dòng)換向閥151單向閥161比例溢流閥171循環(huán)補(bǔ)油泵源181I/O及A/D轉(zhuǎn)換器191計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)201I/O及D/A轉(zhuǎn)換器211安全閥或溢流閥221電磁換向閥231轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速儀圖1實(shí)驗(yàn)裝置原理圖2模糊控制實(shí)驗(yàn)研究模糊控制系統(tǒng)框圖如圖2所示,圖中被控對(duì)象為變轉(zhuǎn)速泵控馬達(dá)調(diào)速實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。馬達(dá)轉(zhuǎn)速誤差e和誤差變化ec為二維模糊控制器的輸入量,給變頻器的控制電壓u為模糊控制器的輸出量。圖中KX、KY、KZ為量化因子,E、EC、U為模糊變量。為了提高模糊控制器的執(zhí)行速度,預(yù)先離線計(jì)算

6、出模糊控制查詢表(FC查詢表),實(shí)際運(yùn)行時(shí)只要根據(jù)誤差e和誤基金項(xiàng)目:安徽省教育廳自然科學(xué)基金項(xiàng)目(NO:2004KJ129)78差變化ec進(jìn)行查表就可以。211模糊控制器的設(shè)計(jì)定義模糊變量E、EC、U的模糊子集:“負(fù)大”(NB),“負(fù)中”(NS),“負(fù)小”(NM),“零”(ZE),“正小”(PS),“正中”(PM),“正大”(PB),各模糊子集取三角形隸屬度函數(shù);模糊變量E、EC的離散論域?yàn)镋=EC=-6,-5,-4,-3,-2,-1,0,1,2,3,4,5,6,模糊變量U的離散論域?yàn)閁=-7,-6,-5,-4,-3,-2,-1,0,1,2,3,4,5,6,7。設(shè)誤差e的論域?yàn)閑=-x,x,

7、誤差變化ec的論域?yàn)閑c=-y,y,控制量u的論域?yàn)閡=-z,z,由此可初步確定各量化因子KX=6/x,KY=6/y,KZ=z/7?？偨Y(jié)手動(dòng)控制規(guī)則并結(jié)機(jī)床與液壓20041No110PID控制時(shí)的階躍響應(yīng)曲線。可以看出,基本模糊控,1則,經(jīng)過(guò)Mamdani1,最終便可確定FC制階躍響應(yīng)曲線無(wú)超調(diào),但不能完全消除穩(wěn)態(tài)誤差,常規(guī)PID控制有一定的超調(diào),要經(jīng)過(guò)一定的振蕩才能趨于穩(wěn)定,常規(guī)PID控制可以完全消除穩(wěn)態(tài)誤差。圖中還表明,啟動(dòng)時(shí)響應(yīng)曲線均有較大的時(shí)滯,主要原因是泵的排量(40mL/r)較小,液壓系統(tǒng)存在一定的內(nèi)泄漏,致使開(kāi)始幾秒鐘內(nèi)液壓系統(tǒng)未能建立起足夠大的壓力推動(dòng)馬達(dá)旋轉(zhuǎn)。但和常規(guī)PID控

8、制時(shí)比較,基本模糊控制啟動(dòng)時(shí)響應(yīng)曲線的時(shí)滯要小,這也說(shuō)明了基本模糊控制具有更快的響應(yīng)特性。圖5和圖6PID控制時(shí)的,基本模糊控制器輸出的PID控制器輸出的控制信,而且基本模糊控制器初始就可,而PID控制器初始只能從0開(kāi)始而后緩慢地變化,這就是為什么模糊控制器比常規(guī)PID控制器具有更快的響應(yīng)特性的原因。3模糊PID控制實(shí)驗(yàn)研究基本模糊控制器是一個(gè)二維模糊控制器,它是以誤差E和誤差變化EC為輸入語(yǔ)言變量,因此它具有類似于常規(guī)PID控制器的作用,能獲得良好的動(dòng)態(tài)特性,但難以消除穩(wěn)態(tài)誤差。對(duì)于常規(guī)PID控制器而言,積分控制作用能消除穩(wěn)態(tài)誤差,但動(dòng)態(tài)響應(yīng)慢,比例控制作用動(dòng)態(tài)響應(yīng)快,而比例積分控制作用既能

9、獲得較高的穩(wěn)態(tài)精度,又具有較高的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。因此,把PID控制與基本模糊控制相結(jié)合,構(gòu)成模糊PID復(fù)合控制,是改善模糊控制器穩(wěn)態(tài)性能的一種途徑2。311模糊PID復(fù)合控制器圖7是模糊PID復(fù)合控制器的結(jié)構(gòu)框圖,它由一個(gè)常規(guī)PID控制器和一個(gè)基本二維模糊控制器并聯(lián)而成。復(fù)合控制器的輸出由常規(guī)PID控制器輸出u2和基本模糊控制器輸出u1相疊加,即u=u1+u2,可使系統(tǒng)成為無(wú)差模糊控制系統(tǒng)。PID控制器的作用主要在于消除穩(wěn)態(tài)誤差,改善穩(wěn)態(tài)性能;而基本模糊控制器的作用主要在于提高響應(yīng)的快速性,獲得優(yōu)良的動(dòng)態(tài)特性及強(qiáng)的魯棒性。圖7模糊PID復(fù)合控制框圖212實(shí)驗(yàn)結(jié)果實(shí)驗(yàn)時(shí)給定馬達(dá)轉(zhuǎn)速400r/min。圖

10、3是基本模糊控制階躍響應(yīng)曲線,作為對(duì)比,圖4給出了常規(guī)312實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖8是模糊PID控制階躍響應(yīng)曲線。將圖8和圖3(基本模糊控制階躍響應(yīng)曲線)比較可以看出,前(下轉(zhuǎn)第201頁(yè))機(jī)床與液壓20041No110201本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)提供了學(xué)生采用計(jì)算機(jī)進(jìn)行檢測(cè)的場(chǎng)合,學(xué)生可針對(duì)檢測(cè)的任務(wù)選擇檢測(cè)元件以連接,并可模擬或?qū)嶋H輸入檢測(cè)數(shù)據(jù),以獲得檢測(cè)結(jié)果。2總結(jié)節(jié)流調(diào)速實(shí)驗(yàn)和基本回路實(shí)驗(yàn)的模擬均屬于程序性模擬,是按照真實(shí)實(shí)驗(yàn)的步驟和每個(gè)步驟的動(dòng)作順序進(jìn)行模擬的。模擬實(shí)驗(yàn)是利用計(jì)算機(jī)多媒體技術(shù)模擬真實(shí)的實(shí)驗(yàn)環(huán)境,在交互控制下將實(shí)驗(yàn)的每個(gè)過(guò)程進(jìn)行表現(xiàn)和展示來(lái)完成。好的計(jì)算機(jī)模擬實(shí)驗(yàn)軟件要做到以下三點(diǎn):(1);(2

11、),主要反映在使用;3)計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)的,力爭(zhēng)使視、動(dòng)畫(huà)、聲音、圖片、圖形和文本多種媒體相輔相成,生動(dòng)形象地表現(xiàn)教學(xué)內(nèi)容,調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)積極性。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、通訊技術(shù)、多媒體技術(shù)以及人工智能技術(shù)的不斷發(fā)展,計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)正朝著網(wǎng)絡(luò)化和智能化的方向發(fā)展。最后使液壓缸運(yùn)動(dòng)起來(lái)并進(jìn)行測(cè)量。這一部分的重點(diǎn)在于油路的連接和后面的調(diào)試部分,油路的連接可采用VB的鼠標(biāo)定位,然后自動(dòng)繪出管路。511213,采用計(jì)算機(jī)檢測(cè)已成為實(shí)驗(yàn)教學(xué)的一個(gè)重要手段,它提高了檢測(cè)精度、檢測(cè)效率,同時(shí)完成了過(guò)去儀表檢測(cè)所不能完成的任務(wù),如溢流閥啟閉特性的檢測(cè)等。計(jì)算機(jī)檢測(cè)分析系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)模轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)處理、結(jié)果輸出等幾部分

12、,系統(tǒng)框圖如圖6示。參考文獻(xiàn)【1】章宏甲等1液壓傳動(dòng)M1北京:機(jī)械工業(yè)出版社,19921【2】關(guān)浩等1基于虛擬儀器技術(shù)的液壓傳動(dòng)CAT系統(tǒng)J1組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù),2001(12)1【3】駱艷潔等1液壓傳動(dòng)多媒體輔助實(shí)驗(yàn)探討J1液壓與氣動(dòng),2002(8)1【4】梁曼1“液壓傳動(dòng)”課程實(shí)驗(yàn)CAI的研制J1機(jī)床與液壓,2002(3)1圖6系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖(上接第78頁(yè))者能消除穩(wěn)態(tài)誤差,控制系統(tǒng)的靜態(tài)性能得到改善;在動(dòng)態(tài)性能方面,兩者都可以實(shí)現(xiàn)無(wú)超調(diào),啟動(dòng)時(shí)模糊PID復(fù)合控制響應(yīng)曲線的時(shí)滯要大于基本模糊控制時(shí)響應(yīng)曲線的時(shí)滯,這是因?yàn)椴捎媚：齈ID復(fù)合控制以后模糊控制的作用圖8模糊PID控制有所削弱

13、導(dǎo)致初始輸出的階躍響應(yīng)曲線控制量不如僅采用基本模糊控制時(shí)的大。將圖8和圖4(常規(guī)PID控制階躍響應(yīng)曲線)相比較知,在靜態(tài)性能方面,兩者都無(wú)穩(wěn)態(tài)誤差;但在動(dòng)態(tài)性能方面,采用模糊PID復(fù)合控制器的馬達(dá)轉(zhuǎn)速階躍響應(yīng)曲線無(wú)超調(diào),而采用常規(guī)PID控制時(shí)有一定的超調(diào),動(dòng)態(tài)響應(yīng)的調(diào)節(jié)時(shí)間要長(zhǎng),啟動(dòng)時(shí)響應(yīng)曲線的時(shí)滯也要大于模糊PID復(fù)合控制時(shí)響應(yīng)曲線的時(shí)滯。4結(jié)束語(yǔ)本文對(duì)大慣量負(fù)載的變轉(zhuǎn)速泵控馬達(dá)調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行了模糊控制及模糊PID控制的實(shí)驗(yàn)研究,并與常規(guī)PID控制的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比。對(duì)比實(shí)驗(yàn)表明:基本模糊控制與常規(guī)PID控制相比,響應(yīng)快、動(dòng)態(tài)特性好,但難以消除穩(wěn)態(tài)誤差;模糊PID復(fù)合控制兼有基本模糊控制響應(yīng)快、動(dòng)態(tài)特性好和PID控制能消除穩(wěn)態(tài)誤差的雙重優(yōu)點(diǎn),比常規(guī)PID控