雙閉環(huán)模糊控制系統(tǒng)的設(shè)計與仿真

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上運動控制系統(tǒng)課程設(shè)計學(xué) 院： 物聯(lián)網(wǎng)工程學(xué)院 班 級： 姓 名： 學(xué) 號： 日 期： 成 績: 文章編號：雙閉環(huán)模糊控制系統(tǒng)的設(shè)計與仿真（江南大學(xué) 物聯(lián)網(wǎng)工程學(xué)院，江蘇省 無錫 郵編）摘 要：直流電機具有良好的起動、制動性能，因此其在電力拖動自動控制系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛。眾所周知，直流電機的閉環(huán)系統(tǒng)靜特性要比開環(huán)系統(tǒng)的機械特寫硬的多，而轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)控制直流調(diào)速系統(tǒng)是性能好、應(yīng)用最廣泛的直流調(diào)速系統(tǒng)，但該系統(tǒng)依賴精確的數(shù)學(xué)模型，在增加解決環(huán)節(jié)的同時，系統(tǒng)模型趨于復(fù)雜，還可能會影響系統(tǒng)的可靠性。因此我們在總結(jié)了以前經(jīng)驗的同時，提出了雙閉環(huán)模糊控制系統(tǒng)的的設(shè)計與仿真。關(guān)鍵詞：

2、直流電機；雙閉環(huán)系統(tǒng)；模糊控制中圖分類號： 文獻標識碼：ADouble Closed Loop Fuzzy Control System Design and SimulationAuthor name(Jiangnan University, Wuxi , China)Abstract：DC motor has good starting, braking performance, therefore in the electric drive automatic control system is widely applied in the field of. As everyone kn

3、ows, the closed-loop DC motor system static characteristics than the open loop system of mechanical feature of more than hardware, and speed, electric current double closed loop DC motor control system is of good performance, the most widely used DC speed regulating system, but the system depend on

4、the accurate mathematical model, increase solve link at the same time, the system model tends to be complex, also may influence the reliability of the system. Therefore we are summing up the previous experience at the same time, put forward a double closed loop fuzzy control system design and simula

5、tion.Key words：DC Motor; Double Closed Loop System; Fuzzy Control專心-專注-專業(yè)1 引言2 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計直流電動機具有啟動轉(zhuǎn)矩大、調(diào)速范圍寬等優(yōu)勢，在軋鋼機、電力機車等方面仍廣泛采用。直流調(diào)速系統(tǒng)在理論上和實踐上都比較成熱，從控制技術(shù)的角度來看，它又是交流調(diào)速系統(tǒng)的基礎(chǔ)；電力電子技術(shù)、計算機控制技術(shù)、智能控制理論的發(fā)展,，更為直流調(diào)速系統(tǒng)繼續(xù)發(fā)展和應(yīng)用提供了契機。進入21世紀后國外一些公司仍在不斷推出高性能直流調(diào)速系統(tǒng)。因此,對直流調(diào)速系統(tǒng)的研究仍具有重要意義。直流調(diào)速系統(tǒng)中最典型的控制方式就是速度、電流雙閉環(huán)調(diào)速。

6、由于受參數(shù)時變和不確定性等因素的影響， 傳統(tǒng)的控制方法常受到很大的局限。另外，PID 控制方法往往在系統(tǒng)快速性與穩(wěn)定性之間不能兩者兼顧。模糊控制不依賴于被控對象的精確數(shù)學(xué)模型，既能克服非線性因素的影響，又具有較強的魯棒性。因此，給直流電動機雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)引入模糊控制器，可以改善系統(tǒng)性能。2.1 雙閉環(huán)可逆直流調(diào)速系統(tǒng)的原理結(jié)構(gòu)為了實現(xiàn)轉(zhuǎn)速和電流兩種負反饋分別起作用,可在系統(tǒng)中設(shè)置兩個調(diào)節(jié)器,分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流,即分別引入轉(zhuǎn)速負反饋和電流負反饋。二者之間實行串級聯(lián)接。把轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出當(dāng)作電流調(diào)節(jié)器的輸入,再用電流調(diào)節(jié)器的輸出去控制電力電子變換器UPE。從閉環(huán)結(jié)構(gòu)上看,電流環(huán)在里面,稱作內(nèi)環(huán);轉(zhuǎn)

7、速環(huán)在外面,稱作外環(huán)。這樣就形成了轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。如圖1所示。圖1 直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)目前應(yīng)用廣泛、技術(shù)成熟，常采用PID控制方式，它具有結(jié)構(gòu)簡單、可靠等優(yōu)點,取得了較好的控制效果。但是,在實際生產(chǎn)現(xiàn)場,由于條件限制,使得PID 控制器參數(shù)的整定往往難以達到最優(yōu)狀態(tài),另外,PID 控制方法必須在系統(tǒng)快速性與穩(wěn)定性程度之間做出折衷,往往不能兩者兼顧,而模糊控制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。調(diào)速系統(tǒng)的模糊控制模型在異步電動機閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)中,轉(zhuǎn)速環(huán)是決

8、定控制系統(tǒng)的根本原因,而電流環(huán)則主要是改變電機運行特性以利于外環(huán)控制。本文在建立仿真模型時,轉(zhuǎn)速環(huán)采用模糊控制器而電流環(huán)仍采用傳統(tǒng)的PID 控制器?？紤]電動機的實際運行,在電流環(huán)PID的設(shè)計中,積分作用項加上了內(nèi)限幅環(huán)節(jié),而電流調(diào)節(jié)器的輸出則加上外限幅環(huán)節(jié)。2.2 模糊集和模糊論域及隸屬函數(shù)的確立二維模糊控制器的輸入變量基本上選用受控變量值和輸入給定值的偏差e和偏差變化ec,由于它們能夠嚴格地反映受控過程中輸出量的動態(tài)特性,因此,在控制效果上要比一維控制器好的多,也是目前采用較廣泛的一類模糊控制器。圖2 是模糊控制器的結(jié)構(gòu)圖。圖2 模糊控制器結(jié)構(gòu)圖雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的電流環(huán)仍采用PID控制,而

9、速度環(huán)采用模糊控制,在模糊控制器中,偏差e采用負大(NB),負中(NM),負小(NS),零(ZO),正小(PS),正中(PM),正大(PB)7個模糊狀態(tài)來描述,相應(yīng)的論域:e=-6,-5,-4,-3,-2,-1,-0,+0,+1,+2,+3,+4,+5,+6偏差變化ec采用NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB7 個模糊狀態(tài)來描述,其論域為:ec=-6,-5,-4,-3,-2,-1,0,+1,+2,+3,+4,+5,+6控制量u 采用NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB7個模糊狀態(tài)來描述,其論域為:-6,-5,-4,-3,-2,-1,0,1,2,3,4,5,6誤差e、誤差變化ec及控制量

10、u的模糊集和論域確定后,需對模糊變量確定隸屬函數(shù),即對模糊變量賦值,確定論域內(nèi)元素對模糊變量的隸屬度。選擇輸入變量的隸屬度函數(shù)為三角型函數(shù),輸出變量的隸屬度函數(shù)也為三角型函數(shù)。得到的E、EC 和U的隸屬函數(shù)如圖3 所示。圖3 變量隸屬度函數(shù)圖2.3 模糊控制規(guī)則的建立輸入模糊變量通過模糊規(guī)則與輸出模糊變量建立關(guān)系,在考慮模糊控制規(guī)則時,選取控制量變化得原則為:當(dāng)誤差大或較大時,選擇控制量以盡快消除誤差為主;當(dāng)誤差較小時,選擇控制量要注意防止超調(diào),以系統(tǒng)得穩(wěn)定性為主要出發(fā)點?？刂埔?guī)則表如表1 所示。表1 模糊控制規(guī)則3 系統(tǒng)仿真我們最后應(yīng)用MATLAB語言中的SIMULINK工具,對模糊控制器在

11、直流調(diào)速系統(tǒng)中的控制效果進行仿真,在仿真過程中,分別將外環(huán)的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器置為模糊控制器,用于仿真的數(shù)據(jù)如下:直流電動機:220,136,1460/,=0 132/,過載倍數(shù)=1 5,=40,=0 5,1=0 03,=0 18,=0 002,=0 01,反饋系數(shù):=0 007/,=0 05/。直流電機:220V,136A,1460r/min,Ce=0.132V·min/r;晶閘管裝置放大系數(shù)Ks=40;電樞回路總電阻R=0.5;時間常數(shù)Tl=0.03s,Tm=0.18s;電流反饋系數(shù)=0.05V/A;三相橋式電路的平均失控時間Ts=0.0017s。給定的輸入階躍角速度為150rad/s,

12、得到響應(yīng)的轉(zhuǎn)速曲線如圖4。圖4 模糊-PI轉(zhuǎn)速響應(yīng)曲線為與傳統(tǒng)的雙閉環(huán)控制相比,建立常規(guī)的雙閉環(huán)控制仿真模型,得到的仿真曲線如圖5所示,從圖中可以看出,系統(tǒng)的超調(diào)量較大,調(diào)節(jié)時間較長。由圖4 模糊-PI 可知,系統(tǒng)響應(yīng)的超調(diào)量減小了,系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)時間縮短了,并且有效抑制了振蕩,控制精度較高。圖5 雙PI 調(diào)節(jié)器轉(zhuǎn)速響應(yīng)曲線4 結(jié) 語( 1) 嚴格工程設(shè)計下的常規(guī)直流雙閉環(huán)系統(tǒng)動、 靜態(tài)性能較好, 適用性強, 其理論體系為其它調(diào)速技術(shù)的基礎(chǔ);( 2) 借助 Matlab 的模糊邏輯工具箱不但能實現(xiàn) Simulink 的無縫連接, 而且通過Real2timeWorkshop 能生成ANSIC 源代碼, 從而易于實現(xiàn)模糊系統(tǒng)的實時應(yīng)用;( 3) 比較而言, 引入模糊控制的新雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)響應(yīng)速