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-z.直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)模糊控制的仿真摘要針對(duì)直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的非線性和構(gòu)造參數(shù)易變化等特點(diǎn),本文設(shè)計(jì)了模糊控制器,建立了轉(zhuǎn)速環(huán)為模糊控制的雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。為了驗(yàn)證模糊控制器的控制效果,本文對(duì)直流電動(dòng)機(jī)的參數(shù)變化、負(fù)載突變等不同情況進(jìn)展了仿真研究,并將仿真結(jié)果與常規(guī)PID控制進(jìn)展比擬。結(jié)果說(shuō)明,模糊控制器在電機(jī)參數(shù)變化或負(fù)載突變時(shí)具有較好的控制性能。
關(guān)鍵詞直流電動(dòng)機(jī)控制器仿真1引言
直流電動(dòng)機(jī)具有良好的起、制動(dòng)性能,在電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng),如軋鋼機(jī)及其輔助機(jī)械、礦井卷?xiàng)顧C(jī)等領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用。然而傳統(tǒng)直流電動(dòng)機(jī)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)大多采用構(gòu)造簡(jiǎn)單、性能穩(wěn)定的常規(guī)PID控制技術(shù),由于在實(shí)際的傳動(dòng)系統(tǒng)中,電機(jī)本身的參數(shù)和拖動(dòng)負(fù)載的參數(shù)(如轉(zhuǎn)動(dòng)慣量)并不如模型那樣一成不變,在*些應(yīng)用場(chǎng)合會(huì)隨工況而變化;同時(shí),電機(jī)本身是一個(gè)非線性的被控對(duì)象,許多拖動(dòng)負(fù)載含有彈性或間隙等非線性因素。因此被控制對(duì)象的參數(shù)變化與非線性特性,使得線性的常參數(shù)的PID調(diào)節(jié)器常常顧此失彼,不能使系統(tǒng)在各種工況下都能保持設(shè)計(jì)時(shí)的性能指標(biāo),往往使得控制系統(tǒng)的魯棒性差,特別是對(duì)于模型參數(shù)大范圍變化且具有較強(qiáng)非線性環(huán)節(jié)的系統(tǒng),常規(guī)PID調(diào)節(jié)器難以滿(mǎn)足高精度、快響應(yīng)的控制要求,常常不能有效克制負(fù)載、模型參數(shù)的大范圍變化以及非線性因素的影響[1]。
模糊控制是一種典型的智能控制方法,廣泛地應(yīng)用于自然科學(xué)和社會(huì)科學(xué)的許多領(lǐng)域[1],其最大的特點(diǎn)是將專(zhuān)家的經(jīng)歷和知識(shí)表示為語(yǔ)言控制規(guī)則,并用這些控制規(guī)則去控制系統(tǒng),這樣它可以不依賴(lài)于被控制對(duì)象的準(zhǔn)確數(shù)學(xué)模型,能夠克制非線性因素的影響,對(duì)被控制對(duì)象的參數(shù)具有較強(qiáng)的魯棒性。
為了驗(yàn)證模糊控制器具有對(duì)被控制對(duì)象參數(shù)變化適應(yīng)能力強(qiáng)的特點(diǎn),本文以實(shí)際的直流電動(dòng)機(jī)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)為例,設(shè)計(jì)了相應(yīng)的模糊控制器,建立了直流電動(dòng)機(jī)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)模糊控制的仿真模型,仿真結(jié)果說(shuō)明,模糊控制器在負(fù)載突變或電機(jī)參數(shù)變化時(shí)具有較好的控制性能,充分表達(dá)了其適應(yīng)于非線性時(shí)變、滯后系統(tǒng)的控制以及魯棒性強(qiáng)的特點(diǎn)。
2雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的模糊控制
2.1調(diào)速系統(tǒng)的模糊控制模型
根據(jù)經(jīng)典的直流電動(dòng)機(jī)雙閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的構(gòu)造,考慮到外環(huán)轉(zhuǎn)速環(huán)是決定控制系統(tǒng)的根本因素,而內(nèi)環(huán)電流環(huán)主要起改變電機(jī)運(yùn)行特性以利于外環(huán)控制的作用,本文在建立直流電動(dòng)機(jī)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的模糊控制模型中,轉(zhuǎn)速環(huán)采用模糊控制器,而內(nèi)環(huán)仍然采用傳統(tǒng)的PI調(diào)節(jié)器??紤]實(shí)際電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行,在電流環(huán)PI調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)中積分作用項(xiàng)加上了內(nèi)限幅環(huán)節(jié),而電流調(diào)節(jié)器的輸出則加上了外限幅環(huán)節(jié)(在仿真中內(nèi)限幅值取±50,外限幅值取±500)。在仿真軟件MATLAB/SIMULINK環(huán)境下建立常規(guī)PI電流調(diào)節(jié)器模型如圖1所示。整個(gè)調(diào)速系統(tǒng)的模糊控制模型如圖2所示。2.2轉(zhuǎn)速環(huán)模糊控制器的設(shè)計(jì)
轉(zhuǎn)速環(huán)采用簡(jiǎn)單的二維模糊控制器,其根本構(gòu)造如圖3所示,輸入量為直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子角速度給定值和實(shí)際值的偏差e以及偏差的變化量de,其輸出為電流的給定值,進(jìn)一步作為電流調(diào)節(jié)器的輸入。為了方便起見(jiàn),在模糊控制器的設(shè)計(jì)中,其輸入輸出的語(yǔ)言變量值取一樣,其相應(yīng)的隸屬度函數(shù)如表1所示。
考慮輸入設(shè)定值的大小將影響到模糊控制器論域的設(shè)定,假定輸入給定值(轉(zhuǎn)子角速度給定)的范圍為[0,80],而模糊控制器的輸入、輸出變量的論域分別取為:e=[-150,150],de=[-30,30],u=[-100,100]。根據(jù)表1的隸屬度函數(shù)以及直流電動(dòng)機(jī)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的控制經(jīng)歷,得到如表2所示的模糊控制規(guī)則表。根據(jù)設(shè)計(jì)的模糊控制器,考慮到實(shí)際控制系統(tǒng)的非線性,同樣在轉(zhuǎn)速環(huán)設(shè)計(jì)中增加了相應(yīng)的限幅環(huán)節(jié),建立其轉(zhuǎn)速環(huán)的模糊控制器模型如圖4所示。3仿真結(jié)果分析
本文以一臺(tái)實(shí)際的他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)為被控制對(duì)象,直流電動(dòng)機(jī)主要參數(shù)為:額定功率PN=5hp,額定電壓UN=240V,額定電樞電流IN=16.2A,額定轉(zhuǎn)速nr=1220r/min,電樞電阻Ra=0.6Ω,電感La=0.012H,勵(lì)磁電阻Rf=240Ω,勵(lì)磁電感Lf=120H,互感Laf=1.8H。
為了驗(yàn)證轉(zhuǎn)速環(huán)模糊控制器的準(zhǔn)確性,本文對(duì)角速度的階躍響應(yīng)特性進(jìn)展了仿真;為了比擬模糊控制器在電機(jī)參數(shù)變化或負(fù)載突變時(shí)的控制效果,本文分別對(duì)轉(zhuǎn)速的穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)、電樞電阻變化以及負(fù)載突變時(shí)的響應(yīng)特性進(jìn)展了仿真研究,并將仿真結(jié)果與轉(zhuǎn)速環(huán)采用常規(guī)PID控制器的情況進(jìn)展了比擬。
3.1角速度的階躍響應(yīng)特性
給定系統(tǒng)的階躍輸入角速度80rad/s,通過(guò)調(diào)節(jié)比例因子(Ke=10,Kec=0.1,Ku=100),得到相應(yīng)的轉(zhuǎn)速階躍響應(yīng)曲線如圖5所示,此時(shí)的電樞電流響應(yīng)曲線如圖6所示。從仿真曲線中可以看出,雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的模糊控制效果令人滿(mǎn)意。3.2轉(zhuǎn)速的穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)特性
圖7和圖8為轉(zhuǎn)子角速度給定值從40rad/s變化到80rad/s的轉(zhuǎn)速響應(yīng)曲線和電樞電流響應(yīng)曲線,其中標(biāo)識(shí)1、標(biāo)識(shí)2分別表示轉(zhuǎn)速環(huán)采用常規(guī)PID控制和模糊控制時(shí)的仿真曲線(以下標(biāo)識(shí)的含義一樣)。
3.3電樞電阻變化時(shí)響應(yīng)特性
圖9和圖10為電樞電阻增加10時(shí)的轉(zhuǎn)速響應(yīng)曲線和電樞電流響應(yīng)曲線。從仿真曲線可以看出,模糊控制器對(duì)電樞電阻增加時(shí)的控制效果影響不大,而采用常規(guī)PID控制時(shí),動(dòng)態(tài)控制效果差,過(guò)渡時(shí)間長(zhǎng)。
3.4負(fù)載突變時(shí)的響應(yīng)特性
圖11和圖12是負(fù)載階躍為30N·m時(shí)的轉(zhuǎn)速響應(yīng)曲線和電樞電流響應(yīng)曲線。從仿真曲線可以看出,模糊控制器對(duì)負(fù)載突變具有良好的適應(yīng)能力,電樞電流的過(guò)渡過(guò)程時(shí)間短,并最終到達(dá)給定值;而采用常規(guī)PID控制時(shí),當(dāng)負(fù)載突變后電樞電流開(kāi)場(chǎng)失調(diào),導(dǎo)致輸出轉(zhuǎn)速很難跟隨給定值。4結(jié)論
針對(duì)直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的非線性和構(gòu)造參數(shù)易變化等特點(diǎn),本文設(shè)計(jì)了相應(yīng)的模糊控制器,同時(shí)建立轉(zhuǎn)速環(huán)為模糊控制的雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。通過(guò)仿真分析并與常規(guī)PID控制比擬說(shuō)明,當(dāng)輸入階躍變化、電機(jī)參數(shù)突變、負(fù)載突變等情況下,模糊控制器能起到良好的控制性能;而常規(guī)的PID控制器盡管能到達(dá)一定的效果,但是當(dāng)電機(jī)參數(shù)變化、負(fù)載突變時(shí),根本上不具備參數(shù)變化的適應(yīng)能力。另外,仿真研究進(jìn)一步驗(yàn)證了模糊控制可以不依賴(lài)于被控制對(duì)象的準(zhǔn)確數(shù)學(xué)模型,能夠克制非線性因素的影響,可以將模糊控制器進(jìn)一步應(yīng)用于交、直流電力拖動(dòng)系統(tǒng)的控制中。參考文獻(xiàn)1周煉,謝運(yùn)祥.模糊控制器在交流調(diào)速中的應(yīng)用現(xiàn)狀及前景.微電機(jī),2000(2).
2李士勇.模糊控制神經(jīng)控制和智能控制論.**工業(yè)大學(xué),1998.
3樓順天,施陽(yáng).基于MATLAB的系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì).**電子科技大學(xué),2000.
4Ria
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