直流電機模糊控制系統(tǒng)設(shè)計

1、1緒論直流電動機經(jīng)常被當(dāng)做限制元件來使用,離生活越來越近.PID限制法是限制直流電機常用的方法.在有些情況下,限制器都是在對象有精確數(shù)學(xué)模型的根底上建立起來的1.如今研究的限制系統(tǒng)中將會經(jīng)常涉及到多變量、非線性、時變的系統(tǒng),在這種情況下,要建立數(shù)學(xué)模型也是非常困難的,或者根本不能建立模型.傳統(tǒng)的限制理論迎來了新的挑戰(zhàn).一種可以處理語言信息水平的模糊限制理論的提出克服了上面的問題.在模糊限制理論的根底上設(shè)計出了模糊限制器,而且它能夠模仿操作員工的手動限制.這種模糊限制器對受控對象的數(shù)學(xué)模型無明確的要求,但需注意：模糊限制器對被控對象的數(shù)學(xué)模型無明確的要求,并不是在對受控對象無了解的情況下提出的2

2、o恰恰相反,它仍然需要對受控對象有一定的了解,只不過它們是以知識的模型的形式而并不是用數(shù)學(xué)模型表達(dá)的.所以,在直流電動機中應(yīng)用模糊限制對現(xiàn)代生活有著重大的意義,也是一個里程碑.2前言隨著時代的開展,交流和直流調(diào)速不斷沖擊著,但是我國在這個直流調(diào)速領(lǐng)域中的研究不斷深入,專家們研制出了全數(shù)字直流調(diào)速系統(tǒng)3.這個調(diào)速系統(tǒng)有著較高的精度,而且很實用.直流調(diào)速系統(tǒng)有穩(wěn)速、調(diào)速和加減速這個三種限制要求.在目前的限制過程中,對于調(diào)速和加減速已經(jīng)得到了良好的實現(xiàn),但是在生產(chǎn)過程中穩(wěn)速的效果不是很理想.穩(wěn)速需要的是電機在一定的精度以所規(guī)定的的轉(zhuǎn)速穩(wěn)定運行,在某些干擾下,轉(zhuǎn)速波動也不會有大的變化.在某些情況下,受

3、控對象和負(fù)載參數(shù)的變化很快,使得PID調(diào)節(jié)器沒方法及時適應(yīng),因此穩(wěn)速的要求很難到達(dá)標(biāo)準(zhǔn).直流電動機本身是一個非線性的被限制對象,有許多的間隙性和彈性的擾動存在,如果有很多的變化量,PID調(diào)節(jié)器將無法顧及.以致最終的設(shè)計結(jié)果不能到達(dá)設(shè)計時所需的要求,將會得到魯棒性較差的限制系統(tǒng).在這樣的系統(tǒng)中常規(guī)的PID常常不能有效地克服負(fù)載、非線性因素和模型參數(shù)的變化因而無法到達(dá)高精度和快響應(yīng)的要求.所以在生產(chǎn)過程中這種限制器很難滿足生產(chǎn)要求.模糊限制對被控對象的模型沒有明確的要求,而且它的適應(yīng)性強,通過和PID調(diào)節(jié)器的結(jié)合,組成模糊PID的限制方案能有效地克服常規(guī)數(shù)字直流電動機調(diào)速裝置的缺點,進而設(shè)計出能在

4、各種情況下,均可以使得直流電動機能到達(dá)穩(wěn)定轉(zhuǎn)速精度的要求.3模糊限制系統(tǒng)概述隨著科學(xué)技術(shù)的不斷開展,專家對模糊限制理論的研究越來越深入.專家為了滿足生產(chǎn)過程的需要,設(shè)計出了模糊限制系統(tǒng).下面介紹模糊限制系統(tǒng).3.1 模糊限制系統(tǒng)組成模糊限制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖3.1所示.圖3.1模糊限制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖它由組成模糊限制器、A/D、D/A轉(zhuǎn)換、執(zhí)行機構(gòu)、被控對象、傳感器組成3.2 模糊限制系統(tǒng)的工作原理模糊限制系統(tǒng)的工作原理結(jié)構(gòu)圖如圖3.2所示.給定值+圖3.2模糊限制系統(tǒng)的工作原理圖模糊限制系統(tǒng)組成局部為模糊限制器.輸入量模糊化、模糊推理和去模糊化是它的三個主要的組成局部.模糊限制具體過程可以分為以下六個

5、步驟：(1)求系統(tǒng)給定值與反應(yīng)值之間的誤差.計算機通過采樣,把所得到系統(tǒng)被控量的精確值與給定值進行比擬記錄兩者之間的差值.(2)計算在一個A/D采樣周期內(nèi)的誤差變化率.(3)輸入量的模糊化.前面兩個計算的結(jié)果中,兩個都是精確值,在接下來的過程中,把這兩個量模糊化,使其變?yōu)槟：?并把這兩個語言變量的值變成在適當(dāng)論域上的模糊子集.(4)限制規(guī)那么.是整個模糊限制器最為關(guān)鍵的一局部,表達(dá)了現(xiàn)場操作人員的多年的操作經(jīng)驗和專業(yè)人員的知識.(5)模糊推理.輸入量為模糊化之后的語言變量,再根據(jù)總的限制規(guī)那么,進行模糊推理得到模糊限制量.(6)模糊判決.由上述產(chǎn)生的限制量通過計算得出精確的輸出量,并根據(jù)精確

6、量執(zhí)行.3.3 模糊限制器的一般設(shè)計步驟如上所述,直流電機的模糊限制系統(tǒng)的核心器件是模糊限制器.其工作過程如下:第一步是將給定的轉(zhuǎn)速和實際的轉(zhuǎn)速兩者相減之后得到的值作為模糊限制器的輸入量.第二步是通過模糊算法把第一步的精確值轉(zhuǎn)化為模糊量,然后送至模糊邏輯決策器使用,并把限制系統(tǒng)中的模糊關(guān)系根據(jù)要求確定下來,隨后根據(jù)的算法算出它的輸出量.第三步把這個模糊值去模糊化,變成精確值,方便執(zhí)行機構(gòu)的執(zhí)行.所以,在完整的系統(tǒng)限制過程中,這三個步驟可簡稱為：模糊化過程、模糊邏輯推理和精確化計算40其詳細(xì)步驟如下：模糊化過程：把輸入的精確值轉(zhuǎn)化為模糊值,即將數(shù)字量的表現(xiàn)形式轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的模糊子集,這個過程通過隸

7、屬度函數(shù)實現(xiàn).對于任一個實際輸入量,至少有一個模糊子集的隸屬度函數(shù)大于0,所以每個實際輸入量都必有一個模糊子集與之對應(yīng).(2)模糊推理：根據(jù)在操作限制系統(tǒng)前制定的模糊條件,組成所需的模糊限制規(guī)那么.最后用這個規(guī)那么計算所需的模糊輸出量.精確化計算：經(jīng)過模糊推理就可以計算出一個模糊集合.精確化過程包含兩方面.第一個方面將模糊的限制量通過清楚化的變換,最后在論域上表示出來.第二方面是將表示在論域范圍的清楚量經(jīng)過尺度的變換,變成實際的限制量范圍的清楚量.在精確化計算的過程中,常用的方法有最大隸屬度函數(shù)法、重心法這兩種.4直流電機的PID限制及其仿真直在某些情況下,受控對象和負(fù)載參數(shù)的變化很快,使得P

8、ID調(diào)節(jié)器沒方法及時適應(yīng),因此穩(wěn)速的要求很難到達(dá)標(biāo)準(zhǔn).直流電動機本身是一個非線性的被限制對象,有許多的間隙性和彈性的擾動存在,如果有很多的變化量,PID調(diào)節(jié)器將無法顧及.以致最終的設(shè)計結(jié)果不能到達(dá)設(shè)計時所需的要求,將會得到魯棒性較差的限制系統(tǒng),在生產(chǎn)過程中這種限制器很難滿足生產(chǎn)要求.而模糊限制對被控對象的模型沒有明確的要求,而且它的適應(yīng)性強,通過和PID調(diào)節(jié)器想結(jié)合,可使直流電動機能到達(dá)穩(wěn)定轉(zhuǎn)速精度的要求54.1 直流電機雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及分析直流電機雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖,如圖4.1所示.圖4.1直流電機雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)有著很廣泛的應(yīng)用,它的結(jié)構(gòu)圖也是眾所周知.

9、它有一個負(fù)反應(yīng)的電流環(huán),稱為內(nèi)環(huán)；還有個轉(zhuǎn)速環(huán)也是負(fù)反應(yīng),稱為外環(huán).這兩個環(huán)組成了電流調(diào)節(jié)器(ACR)和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器(ASR),它們通過串聯(lián)而形成了整個調(diào)速系統(tǒng).如圖4.1所示.圖中的E是電樞反電動勢,它是在勵磁作用下形成的.轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出的結(jié)果進而轉(zhuǎn)化為電流調(diào)節(jié)器的輸入.然后在利用電流調(diào)節(jié)器的輸出值去激發(fā)晶閘管的觸發(fā)裝置.最后經(jīng)過轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的限幅裝置和反應(yīng)通道的增益,使得電動機在最短的時間到達(dá)啟動和停止的要求.4.2 直流調(diào)速系統(tǒng)的PID仿真及分析直流電動機的主要參數(shù)如下:電動機：額定電壓Unom=220V,額定電流Inom=136A,額定*$速nnom=1460r/min,電勢常數(shù)Ce=0

10、.132*min/r.允許的過載倍數(shù)為1.5.晶閘管裝置的放大系數(shù)Ks=40.電樞回路總電阻R=0.5QO電磁時間常數(shù)：Ti=0.03so機電時間常數(shù)：Tm=0.18s.電流的反應(yīng)系數(shù)B=0.05V/A轉(zhuǎn)速的反應(yīng)系數(shù)a=0.007V*min/r要求設(shè)計時電流調(diào)節(jié)器時電流超調(diào)量小于或等于5%,設(shè)計轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器時轉(zhuǎn)速超調(diào)量小于或等于10%.(1)電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計WACR=Ki(TiS+1)根據(jù)超調(diào)量可得Ki=1.013,Ti=0.03所以TiSwacrJ.013003s+1)0.03S(2)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計Wasr=Kn(TnS+1),根據(jù)超調(diào)量可得Kn=11.7,Tn=0.087,TnS所以Was

11、rJ.7.087s+1)0.087S1.1 =7.58,=2.78CeTmMatlab仿真軟件下建立的傳統(tǒng)PID限制的仿真如圖4.2所示.當(dāng)給定電壓Un=10V,steptime=0s,加載負(fù)載電流I1=0A時,即為空載的情況下,系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速變化曲線如圖4.3所示.FimB,1!r1«fr：a1r'：,-B-；r,.=»J:.-iBA;：二：J/:J:1000»""r,r產(chǎn):睥:;1uJ:'：；50041F,»,?.,.>>>!>>>,""r-*r1'

12、71;'''"rprKr-.li-1-r.ri.i.-r.r-rBi:;?i:Ig-t-5ao.L1J.1-JIJU00.511.52Z533.5時間圖4.3傳統(tǒng)直流電機空載時的仿真曲線圖當(dāng)給定電壓Un=10V,steptime=0s當(dāng)轉(zhuǎn)速到達(dá)穩(wěn)定后,在2s時參加額定負(fù)載電流為Ii=136A,接近額定負(fù)載時系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速變化曲線如圖4.4所示LIU11)111-B!"_-2D00'ML-,-S-S-1-1,r,-i-r,-i-,P.g,F-：；,mJ:1:：1500I.:r；j1匚：1000'r.Bn»r,ri!>rir&

13、gt;B.,r.H.-.r.B|.r,Bi1r-.ri!.r«.-.rle.9r-.e.!.rnP.9r-.r.a；粹1:1:1；;：；：,.-8I:;:;:Enniii00,511.522.5335時間t圖4.4直流電機PID限制負(fù)載下的曲線仿真圖5直流電機模糊限制及其仿真模糊限制是新的一種限制方式,在直流電機中有著很重要的作用,下面詳細(xì)的介紹下直流電機的模糊限制系統(tǒng)5.1模糊限制器的編輯直流電機的模糊限制系統(tǒng)具體工作步驟如下：根據(jù)工業(yè)生產(chǎn)的要求給定一個額定的轉(zhuǎn)速值,然后測量真實的轉(zhuǎn)速,得到兩者之間的轉(zhuǎn)速差.繼而經(jīng)過模糊化變?yōu)槟：兞?經(jīng)過模糊推理,最后去模糊化得到真正地精確量.直

14、流電機調(diào)速模糊限制系統(tǒng)的核心是模糊限制器,所以本論文的重點就是模糊限制器的設(shè)計.本次仿真是采用MATLAB模糊推理系統(tǒng)工具箱來編輯模糊限制器,下面簡述編輯的過程：(1)模糊集合的編輯和運算.(2)確定個輸入出變化量的變化范圍及量化因子.(3)模糊規(guī)那么編輯.(4)模糊推理.(5)輸出預(yù)覽.1.2 直流調(diào)速系統(tǒng)中模糊限制器的設(shè)計根據(jù)一般步驟對模糊限制直流電機調(diào)速系統(tǒng)進行設(shè)計：(1)在設(shè)計的時候,根據(jù)需要限制的對象確定該用什么結(jié)構(gòu)的模糊限制器.(2)確定輸入變量和輸出變量的模糊子集和論域及其隸屬度.(3)確定模糊限制規(guī)那么.(4)模糊關(guān)系和模糊矩陣.1.3 模糊限制器的選擇模糊限制器有很多種模型,

15、如圖5.1所示,本文采用的是二維的模糊限制器,它包含了兩個輸入量和一個輸出量.在實際的限制系統(tǒng)中,兩個輸入量一般為系統(tǒng)偏差和偏差的變化率.由于二維模糊限制器同時考慮了偏差和偏差的變化的影響,所以它的性能優(yōu)于一維的模糊限制器.這也是二維的模糊限制器比擬常用的原因.模糊限制器模糊限制器二維模糊限制黯圖5.1模糊限制器模型1.4 模糊限制的MATLA的真及其分析MATLAB模糊邏輯工具箱是數(shù)字計算機環(huán)境下的函數(shù)集成體.它的功能應(yīng)有盡有,本次使用的是MATLAB的仿真功能.它里面有模糊邏輯系統(tǒng)的命令行和圖形用戶界GUI面兩種仿真方式,本次使用的是GUI這種方式.它可以直觀、簡潔的設(shè)計仿真和分析模糊限制

16、器6.下面為編輯模糊限制器的步驟,編輯過程如下.圖5.2輸入輸出量設(shè)置對于誤差e,論域是離散的,其論域取-10,+10,設(shè)置7個隸屬度函數(shù),分別為NB負(fù)大、NM負(fù)中、NS負(fù)小、O零、PS正小、PM正中、PB正大,即隸屬函數(shù)有7條,隸屬形狀為三角形trimf.如圖5.3所示.圖5.3e的隸屬度函數(shù)編輯圖對于變化率ec,論域是離散的,其論域取0,1,設(shè)置5個隸屬度函數(shù),分別為NB、NS、O、PS、PB,即隸屬函數(shù)有5條,隸屬形狀為三角形trimf.如圖5.4所示.對于輸出u,論域是離散的,其論域均取0,10,設(shè)置7個隸屬度函數(shù),分別為NB、NM、NS、O、PS、PM、PB,即隸屬函數(shù)有7條,隸屬形

17、狀為三角形trimf如圖5.5所示.圖5.5u的隸屬度函數(shù)編輯圖點擊Edit菜單中的Rules選項翻開模糊限制編輯器Ruleedit,將需要建立的模糊限制規(guī)那么表添加到規(guī)那么庫中.其模糊限制規(guī)那么見表5.1.表5.1模糊限制規(guī)那么表ueNBNMNSOPSPMPBecNBPBPBPBPBPMOONSPMPMPMPMONSNSOPMPMPSONSNMNMPSPSPSONMNMNMNMPBOONMNBNBNBNB規(guī)那么編輯結(jié)果如圖5.6所示圖5.6模糊規(guī)那么輸入界面點擊View菜單中的Rules選項可以翻開模糊規(guī)那么觀察器如圖5.7所示,觀察模糊推理系統(tǒng)的輸入,輸出情況,為點擊View菜單中的Sur

18、fview選項可以翻開模糊推理輸入輸出特性曲面如圖5.8所示,以圖形形式顯示模糊系統(tǒng)的輸入,輸出情況.最后使用File菜單中的Export選項將做好的模糊推理系統(tǒng)保存到磁盤disk和工作區(qū)(toworkspace),取名為mhkz.fis.圖5.8輸出特性曲面圖建立上述模糊限制器之后,根據(jù)下列圖5.9建立模糊限制系統(tǒng)的仿真,本次設(shè)計系統(tǒng)采用的是二維的模糊限制器結(jié)構(gòu),在這個模糊限制器的設(shè)計過程中,還要合理的選擇模糊限制器輸入變量Ke、Kc,輸出限制量的系數(shù)Ku.Ke、Kc、Ku的計算方法如下:(5.(1)(5.(2)nKe=Xen為誤差變量模糊子集的最大值,xe為誤差論域的幅值,通過計算得Ke=

19、20omKc="Xcm為誤差變化率變量模糊子集的最大值,xc為誤差變化率論域的幅值,由于模糊論域的取值為非對稱的,xc在取值時為模糊限制的變化范圍.通過計算得Kc=0.001u,、Ku=(5.3)bKu=2u為限制量論域的幅值,b為限制量模糊子集的最大值,由于模糊論域的取值為非對稱的,b在取值時為模糊限制的變化范圍.通過計算得模糊限制系統(tǒng)仿真如圖5.9所示圖5.9模糊限制系統(tǒng)仿真圖其中stepl負(fù)載的參數(shù)設(shè)置,如圖5.10所示.圖5.10step的參數(shù)設(shè)置圖建成仿真模型之后雙擊FuzzyLogicController選擇LookUnderMask,輸入mhkz建立聯(lián)系.當(dāng)成功建立聯(lián)系后,中間會顯示FIS,如圖5.11所示.圖5.11FIS與Simulink的連接通過圖4.4和圖5.12兩次實驗可以發(fā)現(xiàn),采用傳統(tǒng)PID限制得到的輸出波形在快速響應(yīng)方面做得較好,能較快的到達(dá)穩(wěn)態(tài)值.但是從圖中可