模糊pid控制在直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中的應(yīng)用

模糊pid控制在直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中的應(yīng)用

0模糊控制仿真目前，工業(yè)自動化水平是衡量全球工業(yè)水平的重要標(biāo)志。經(jīng)典的pid（比例分?jǐn)?shù)）控制器仍然是最廣泛使用的工業(yè)控制器。隨著現(xiàn)代控制技術(shù)的發(fā)展,傳統(tǒng)PID控制方法已難以滿足控制指標(biāo)的要求。主要表現(xiàn)為:采用離線調(diào)節(jié),難以在線調(diào)整控制參數(shù),動態(tài)特性不太理想;不具有自適應(yīng)控制能力;對時變、非線性系統(tǒng)控制效果不佳。而模糊控制是以模糊數(shù)學(xué)為理論基礎(chǔ),根據(jù)實測數(shù)據(jù)或工程經(jīng)驗概括抽象成一系列模糊規(guī)則,并借助計算機來完成控制的方法,由于模糊控制具有一系列的優(yōu)點,因此有著良好的應(yīng)用前景。本文將常規(guī)PID控制和模糊控制結(jié)合起來,設(shè)計了兩種模糊PID控制器并將其運用到雙閉環(huán)直流控制系統(tǒng)中,通過運用Matlab對其進行了仿真研究,得到了模糊PID控制在雙閉環(huán)直流控制應(yīng)用中具有響應(yīng)速度快、魯棒性強以及不依賴被控對象數(shù)學(xué)模型的優(yōu)點。同時,通過分析設(shè)計的兩種控制器的各自特點,給出了它們適合的應(yīng)用環(huán)境。1制的領(lǐng)域dp作為智能控制的一個重要分支,模糊控制是以模糊集合論、模糊語言變量和模糊邏輯推理為基礎(chǔ)的一種計算機控制方法,在控制領(lǐng)域獲得了廣泛應(yīng)用。常規(guī)模糊控制的輸入一般是系統(tǒng)的偏差以及偏差的導(dǎo)數(shù),與常規(guī)PID控制中的比例環(huán)節(jié)(P)和微分環(huán)節(jié)(D)的作用類似,根據(jù)經(jīng)典的控制理論知道,純粹的PD控制是有靜差的控制,解決的方法是增加積分環(huán)節(jié)(I)以減少系統(tǒng)穩(wěn)定時靜差。同理,可以將這種思想運用到改進常規(guī)模糊控制的問題上,這樣產(chǎn)生了兩種不同模糊PID控制方法。1.1傳統(tǒng)模糊控制與積分輸入環(huán)節(jié)i的控制在原有模糊控制中直接加入積分環(huán)節(jié),形成模糊-PID混合控制策略,給出混合控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖(1)所示。1.2模糊控制與pid控制相結(jié)合PID調(diào)節(jié)器的積分調(diào)節(jié)作用可使系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差為0,有很好的消除穩(wěn)態(tài)誤差的作用。因此也可以將模糊控制和PID控制相結(jié)合,即當(dāng)誤差在某一個閾值以外時,采用模糊控制,以獲得良好的瞬態(tài)性能;而當(dāng)誤差落到閾值以內(nèi)時,則采用PID控制,以獲得良好的穩(wěn)態(tài)性能。這種模糊與PID兩種控制模式相結(jié)合的控制方法又被稱之為Fuzzy-PID雙模控制,其結(jié)構(gòu)圖如圖(2)所示。2雙環(huán)流速度系統(tǒng)的模糊信號控制2.1雙閉環(huán)直流配裝系統(tǒng)模型轉(zhuǎn)速和電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)是典型的直流電動機調(diào)速系統(tǒng)。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理如圖3所示。圖中:ASR(S)為轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器傳遞函數(shù);ACR(s)為電流調(diào)節(jié)器傳遞函數(shù);Ton為轉(zhuǎn)速反饋時間常數(shù);Toi為電流反饋時間常數(shù);Ts為三相橋式電路平均失控時間;Tl為電磁時間常數(shù);Tm為機電時間常數(shù);Ce為電動機電動勢常數(shù);Ks為晶閘管裝置放大系數(shù);R為電樞回路總電阻;afa為轉(zhuǎn)速反饋系數(shù);beita為電流反饋系數(shù);TL為負載轉(zhuǎn)距;Un為給定轉(zhuǎn)速輸入;n為輸出反饋轉(zhuǎn)速;Ui為給定電流調(diào)節(jié)器輸入信號;Id為電樞電流。雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的特點是電動機的轉(zhuǎn)速和電流分別由兩個獨立的調(diào)節(jié)器控制,而且轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出Ui就是電流調(diào)節(jié)器的給定。電流環(huán)能夠隨轉(zhuǎn)速的偏差調(diào)節(jié)電動機電樞的電流Id。電流內(nèi)環(huán)的作用是使電樞電流Id服從其給定值Ui,Ui不變時,它表現(xiàn)為恒流調(diào)節(jié),否則表現(xiàn)為隨動調(diào)節(jié)。當(dāng)轉(zhuǎn)速低于給定轉(zhuǎn)速時,ASR的積分作用使輸出增加。電流給定上升,并通過電流環(huán)調(diào)節(jié)使電樞電流Id增加,電動機獲得加速轉(zhuǎn)矩,電動機轉(zhuǎn)速上升;當(dāng)實際轉(zhuǎn)速高于給定轉(zhuǎn)速時,ASR的輸出減小,即電流給定減小,并通過電流環(huán)調(diào)節(jié)使電樞電流下降,電動機的電磁轉(zhuǎn)矩減小,從而轉(zhuǎn)速下降。2.2模糊-pid混合控制器傳統(tǒng)的直流電動機雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中ASR和ACR多采用結(jié)構(gòu)簡單、性能穩(wěn)定的帶限幅的PI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;電機本身的參數(shù)和拖動負載的參數(shù)(如轉(zhuǎn)動慣量)并不如模型那樣不可變化,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PI控制器的參數(shù)往往難以達到最優(yōu)狀態(tài),而且控制參數(shù)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,因此可以運用模糊PID控制方法來改進控制方案。ASR環(huán)節(jié)分別采用上面介紹的模糊-PID混合控制器和分段模糊PID控制器,如下:E、EC和U的論域分別為:[-6,6]、[-400,400]、[-50,50];設(shè)置E、EC和U均服從高斯隸屬函數(shù)曲線分布。根據(jù)控制經(jīng)驗,可得針對E、EC、U三個參數(shù)的模糊控制規(guī)則表,如下表1所示。3模擬結(jié)果和分析3.1pid的動態(tài)響應(yīng)特性在MATLAB中將模糊PID控制器以及分段模糊PID控制器與常規(guī)PID控制器對比仿真。仿真中,在0.55s時加入了一個負載擾動,得雙閉環(huán)系統(tǒng)響應(yīng)結(jié)果如圖6所示:圖中曲線(1)為模糊PID混合控制的響應(yīng)曲線,曲線(2)為分段模糊PID的響應(yīng)曲線,曲線(3)為對比的常規(guī)PID的響應(yīng)曲線從仿真結(jié)果可知:在電樞電流響應(yīng)曲線的上升過程中,分段模糊PID控制的響應(yīng)速度最快;模糊PID混合控制次之;常規(guī)PID控制最慢。電樞電流的超調(diào)量最小的是模糊PID混合控制;分段模糊PID的超調(diào)量最大;常規(guī)PID居中。而在電樞電流的下降階段,則是常規(guī)PID控制的動態(tài)性能最差,上下波動很大。從轉(zhuǎn)速方面來看,分段模糊PID的轉(zhuǎn)速響應(yīng)上升最快;模糊PID混合控制的響應(yīng)速度次之;常規(guī)PID控制的響應(yīng)最慢。另外,采用了模糊PID混合控制時幾乎沒有轉(zhuǎn)速超調(diào),而分段模糊PID和常規(guī)PID控制都有超調(diào),且常規(guī)PID控制的超調(diào)量較大。在動態(tài)響應(yīng)的仿真過程中加入了轉(zhuǎn)距擾動,從圖6可知:三種控制器的轉(zhuǎn)速變化過程是一致的,而電樞電流的動態(tài)響應(yīng)過程則有所不同:常規(guī)PID控制的動態(tài)響應(yīng)的超調(diào)量非常明顯;而采用模糊PID和分段模糊PID混合控制的系統(tǒng)響應(yīng)過程則近似,都具有動態(tài)響應(yīng)時間短且無超調(diào)的優(yōu)點。3.2分段模糊pid控制器設(shè)計分析根據(jù)兩種模糊PID控制器的原理分析可知:兩種改進后的模糊控制器都能較好解決系統(tǒng)穩(wěn)定響應(yīng)有靜差問題。進一步通過對比仿真可知,兩種模糊控制器都各具特點:(1)從階躍響應(yīng)時的動態(tài)性能上:分段模糊PID控制由于結(jié)合了模糊控制器的響應(yīng)速度快和常規(guī)PID控制無靜差控制的優(yōu)點,因而動態(tài)性能優(yōu)于模糊-PID混合控制。(2)從兩種控制器的設(shè)計來看,模糊-PID混合控制器設(shè)計較分段模糊PID控制器簡單,原因主要有以下兩點:一是模糊-PID混合控制器結(jié)構(gòu)主要由模糊控制和積分環(huán)節(jié)兩部分組成,而分段模糊PID控制器則是由模糊控制、PID控制和閾值選擇開關(guān)三部分組成,控制環(huán)節(jié)的增多必然會導(dǎo)致設(shè)計上更加復(fù)雜,硬件上設(shè)備更加龐大;二是分段模糊PID控制器設(shè)計時需要調(diào)節(jié)的參數(shù)要多于模糊-PID混合控制器,除了模糊環(huán)節(jié)和積分環(huán)節(jié)參數(shù)同樣需要調(diào)節(jié)外,比例系數(shù),微分系數(shù)以及閾值都需要調(diào)節(jié),因而在參數(shù)調(diào)整上需要花費更多時間,使得分段模糊PID控制器設(shè)計更加復(fù)雜。(3)分段模糊PID控制器有閾值選擇開關(guān),在閾值開關(guān)轉(zhuǎn)換的過程中容易造成響應(yīng)的波動,在仿真響應(yīng)圖中就顯示出電樞電流在達到穩(wěn)定值前分段模糊PID控制器因為有控制策略的轉(zhuǎn)換而有一個較大的超調(diào)量,因而在設(shè)計時需特別注意,這樣也使得分段模糊PID控制器的設(shè)計更為復(fù)雜。通過以上的分析,可以得出兩種模糊PID控制的應(yīng)用環(huán)境。分段模糊PID控制適合運用于科研或者對控制性能要求高而對設(shè)計成本無嚴(yán)格要求的控制場合中;而在本例即應(yīng)用于直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中時,采用模糊PID混合控制則可以較好地改進常規(guī)PID控制,從而改進控制效果,并且能夠有效地控制設(shè)計時的成本。4模糊pid控制器的應(yīng)用環(huán)境通過將兩種模糊PID控制應(yīng)用到直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中的仿真研究,可以得出模糊PID控制具有響應(yīng)速度快、動態(tài)性能好、魯棒性強以及設(shè)計控制器時不依賴被控對象精確的數(shù)學(xué)模型的優(yōu)點,同