双闭环模糊控制系统的设计与仿真

《运动控制系统》课程设计学院：物联网工程学院
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双闭环模糊控制系统的设计与仿真
（江南大学物联网工程学院，江苏省无锡邮编214122）
摘要：直流电机具有良好的起动、制动性能，因此其在电力拖动自动控制系统中应用广泛。

众所周知，直流电机的闭环系统静特性要比开环系统的机械特写硬的多，而转速、电流双闭环控制直流调速系统是性能好、应用最广泛的直流调速系统，但该系统依赖精确的数学模型，在增加解决环节的同时，系统模型趋于复杂，还可能会影响系统的可靠性。

因此我们在总结了以前经验的同时，提出了双闭环模糊控制系统的的设计与仿真。

关键词：直流电机；双闭环系统；模糊控制
中图分类号：文献标识码：A
Double Closed Loop Fuzzy Control System Design and Simulation
Author name
(Jiangnan University, Wuxi 214122, 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 knows, 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 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 simulation.
Key words：DC Motor; Double Closed Loop System; Fuzzy Control
1 引言
2 双闭环直流调速系统的设计
直流电动机具有启动转矩大、调速范围宽等优势，在轧钢机、电力机车等方面仍广泛采用。

直流调速系统在理论上和实践上都比较成热，从控制技术的角度来看，它又是交流调速系统的基础；电力电子技术、计算机控制技术、智能控制理论的发展,，更为直流调速系统继续发展和应用提供了契机。

进入21世纪后国外一些公司仍在不断推出高性能直
流调速系统。

因此,对直流调速系统的研究仍具有重要意义。

直流调速系统中最典型的控制方式就是速度、电流双闭环调速。

由于受参数时变和不确定性等因素的影响，传统的控制方法常受到很大的局限。

另外，PID 控制方法往往在系统快速性与稳定性之间不能两者兼顾。

模糊控制不依赖于被控对象的精确数学模型，既能克服非线性因素的影响，又具有较强的鲁棒性。

因此，给直流电动机双闭环调速系统引入模糊控制器，可以改善系统性能。

2.1 双闭环可逆直流调速系统的原理结构
为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用,
可在系统中设置两个调节器,分别调节转速和电流,即分别引入转速负反馈和电流负反馈。

二者之间实行串级联接。

把转速调节器的输出当作电流调节器的输入,再用电流调节器的输出去控制电力电子变
换器UPE。

从闭环结构上看,电流环在里面,称作内环;转速环在外面,称作外环。

这样就形成了转速、电流双闭环调速系统。

如图1所示。

图1直流双闭环调速系统结构
双闭环直流调速系统目前应用广泛、技术成熟，常采用PID控制方式，它具有结构简单、可靠等优点,取得了较好的控制效果。

但是,在实际生产现场,由于条件限制,使得PID控制器参数的整定往往难以达到最优状态,另外,PID 控制方法必须在系统快速性与稳定性程度之间做出折衷,往往不能两者兼顾,而模糊控制能利用其非线性特性,突破PID方法的局限,使调速系统既有快速的动态响应,又有较高的稳定程度。

除此之外,模糊控制又进一步提高了调速系统的鲁棒性。

调速系统的模糊控制模型在异步电动机闭环调
速系统的结构中,转速环是决定控制系统的根本原因,而电流环则主要是改变电机运行特性以利于外
环控制。

本文在建立仿真模型时,转速环采用模糊控制器而电流环仍采用传统的PID控制器。

考虑电动机的实际运行,在电流环PID的设计中,积分作用项加上了内限幅环节,而电流调节器的输出则加上外
限幅环节。

2.2 模糊集和模糊论域及隶属函数的确立
二维模糊控制器的输入变量基本上选用受控变量值和输入给定值的偏差e和偏差变化ec,由于它们能够严格地反映受控过程中输出量的动态特性,
因此,在控制效果上要比一维控制器好的多,也是目前采用较广泛的一类模糊控制器。

图2 是模糊控制器的结构图。

图2 模糊控制器结构图
双闭环直流调速系统的电流环仍采用PID控制,而速度环采用模糊控制,在模糊控制器中,偏差e采用负大(NB),负中(NM),负小(NS),零(ZO),正小(PS),正中(PM),正大(PB)7个模糊状态来描述,相应的论域:e={-6,-5,-4,-3,-2,-1,-0,+0,+1,+2,+3,+4,+5 ,+6}偏差变化ec采用NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB7 个模糊状态来描述,其论域
为: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个模糊状态来描述,其论域
为:{-6,-5,-4,-3,-2,-1,0,1,2,3,4,5,6}误差e、误差变化ec及控制量u的模糊集和论域确定后,需对模糊变量确定隶属函数,即对模糊变量赋值,确定论域内元素对模糊变量的隶属度。

选择输入变量的隶属度函数为三角型函数,输出变量的隶属度函数也为三角型函数。

得到的E、EC 和U的隶属函数如图3 所示。

图3 变量隶属度函数图
2.3 模糊控制规则的建立
输入模糊变量通过模糊规则与输出模糊变量建立关系,在考虑模糊控制规则时,选取控制量变化得原则为:当误差大或较大时,选择控制量以尽快消除误差为主;当误差较小时,选择控制量要注意防止超调,以系统得稳定性为主要出发点。

控制规则表如表1 所示。

表1模糊控制规则
3 系统仿真
我们最后应用MATLAB语言中的SIMULINK 工具,对模糊控制器在直流调速系统中的控制效果
进行仿真,在仿真过程中,分别将外环的转速调节器置为模糊控制器,用于仿真的数据如下:直流电动机:220Ｖ,136Ａ,1460ｒ/ｍｉｎ,Ｃｅ=0 132Ｖｍ
ｉｎ/ｒ,过载倍数λ=1 5,Ｋｓ=40,Ｒ=0 5Ω,Ｔ1=0 03ｓ,Ｔｍ=0 18ｓ,Ｔｏｉ=0 002ｓ,Ｔｏｎ=0 01ｓ,反馈系数:α=0 007Ｖｍｉｎ/ｒ,β=0 05Ｖ/Ａ。

直流电机:220V,136A,1460r/min,Ce=0.132V·min/r;晶闸管装置放大系数Ks=40;电枢回路总电阻R=0.5Ω;时间常数Tl=0.03s,Tm=0.18s;电流反馈系数β=0.05V/A;三相桥式电路的平均失控时间
Ts=0.0017s。

给定的输入阶跃角速度为150rad/s,得到响应的转速曲线如图4。

图4 模糊-PI转速响应曲线
为与传统的双闭环控制相比,建立常规的双闭
环控制仿真模型,得到的仿真曲线如图5所示,从图中可以看出,系统的超调量较大,调节时间较长。

由图4 模糊-PI 可知,系统响应的超调量减小了,系统的稳态时间缩短了,并且有效抑制了振荡,控制精度较高。

图5 双PI 调节器转速响应曲线4结语
( 1) 严格工程设计下的常规直流双闭环系统动、静态性能较好, 适用性强, 其理论体系为其它调速技术的基础;
( 2) 借助Matlab的模糊逻辑工具箱不但能实现Simulink的无缝连接, 而且通过
Real2timeWorkshop能生成ANSIC源代码, 从而易于实现模糊系统的实时应用;
( 3) 比较而言, 引入模糊控制的新双闭环调速系统响应速度提高、过渡稳定、系统超调得到改善,为直流双闭环调速系统的又一可选策略。

参考文献(References)
[1]陈伯时.电力拖动自动控制系统—运动控制系统.
[2]章卫国,杨向忠.模糊控制理论与应用.
[3]刘金琨.先进PID控制MATLAB仿真
[4]章丽红,臧小惠.基于 FUZZY- PID直流调速系统的
仿真与分析
[5]蔡自兴.智能控制—基础与应用
[6]何志琴.基于MATLAB 软件的直流调速系统辅助设计。