直流電動機調(diào)速系統(tǒng)模糊控制的仿真

-z.直流電動機調(diào)速系統(tǒng)模糊控制的仿真摘要針對直流電動機調(diào)速系統(tǒng)的非線性和構(gòu)造參數(shù)易變化等特點，本文設(shè)計了模糊控制器，建立了轉(zhuǎn)速環(huán)為模糊控制的雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。為了驗證模糊控制器的控制效果，本文對直流電動機的參數(shù)變化、負載突變等不同情況進展了仿真研究，并將仿真結(jié)果與常規(guī)PID控制進展比擬。結(jié)果說明，模糊控制器在電機參數(shù)變化或負載突變時具有較好的控制性能。

關(guān)鍵詞直流電動機控制器仿真1引言

直流電動機具有良好的起、制動性能，在電力拖動自動控制系統(tǒng)，如軋鋼機及其輔助機械、礦井卷楊機等領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用。然而傳統(tǒng)直流電動機雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)大多采用構(gòu)造簡單、性能穩(wěn)定的常規(guī)PID控制技術(shù)，由于在實際的傳動系統(tǒng)中，電機本身的參數(shù)和拖動負載的參數(shù)(如轉(zhuǎn)動慣量)并不如模型那樣一成不變，在*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)計時的性能指標(biāo)，往往使得控制系統(tǒng)的魯棒性差，特別是對于模型參數(shù)大范圍變化且具有較強非線性環(huán)節(jié)的系統(tǒng)，常規(guī)PID調(diào)節(jié)器難以滿足高精度、快響應(yīng)的控制要求，常常不能有效克制負載、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)和社會科學(xué)的許多領(lǐng)域［1］，其最大的特點是將專家的經(jīng)歷和知識表示為語言控制規(guī)則，并用這些控制規(guī)則去控制系統(tǒng)，這樣它可以不依賴于被控制對象的準(zhǔn)確數(shù)學(xué)模型，能夠克制非線性因素的影響，對被控制對象的參數(shù)具有較強的魯棒性。

為了驗證模糊控制器具有對被控制對象參數(shù)變化適應(yīng)能力強的特點，本文以實際的直流電動機雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)為例，設(shè)計了相應(yīng)的模糊控制器，建立了直流電動機雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)模糊控制的仿真模型，仿真結(jié)果說明，模糊控制器在負載突變或電機參數(shù)變化時具有較好的控制性能，充分表達了其適應(yīng)于非線性時變、滯后系統(tǒng)的控制以及魯棒性強的特點。

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)典的直流電動機雙閉環(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)主要起改變電機運行特性以利于外環(huán)控制的作用，本文在建立直流電動機雙閉環(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。考慮實際電動機的運行，在電流環(huán)PI調(diào)節(jié)器的設(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

轉(zhuǎn)速環(huán)采用簡單的二維模糊控制器，其根本構(gòu)造如圖3所示，輸入量為直流電動機轉(zhuǎn)子角速度給定值和實際值的偏差e以及偏差的變化量de，其輸出為電流的給定值，進一步作為電流調(diào)節(jié)器的輸入。為了方便起見，在模糊控制器的設(shè)計中，其輸入輸出的語言變量值取一樣，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)以及直流電動機雙閉環(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)計的模糊控制器，考慮到實際控制系統(tǒng)的非線性，同樣在轉(zhuǎn)速環(huán)設(shè)計中增加了相應(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

本文以一臺實際的他勵直流電動機為被控制對象，直流電動機主要參數(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，勵磁電阻Rf=240Ω，勵磁電感Lf=120H，互感Laf=1.8H。

為了驗證轉(zhuǎn)速環(huán)模糊控制器的準(zhǔn)確性，本文對角速度的階躍響應(yīng)特性進展了仿真；為了比擬模糊控制器在電機參數(shù)變化或負載突變時的控制效果，本文分別對轉(zhuǎn)速的穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)、電樞電阻變化以及負載突變時的響應(yīng)特性進展了仿真研究，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1、標(biāo)識2分別表示轉(zhuǎn)速環(huán)采用常規(guī)PID控制和模糊控制時的仿真曲線(以下標(biāo)識的含義一樣)。

3.3電樞電阻變化時響應(yīng)特性

圖9和圖10為電樞電阻增加10時的轉(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，模糊控制器對電樞電阻增加時的控制效果影響不大，而采用常規(guī)PID控制時，動態(tài)控制效果差，過渡時間長。

3.4負載突變時的響應(yīng)特性

圖11和圖12是負載階躍為30N·m時的轉(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，模糊控制器對負載突變具有良好的適應(yīng)能力，電樞電流的過渡過程時間短，并最終到達給定值；而采用常規(guī)PID控制時，當(dāng)負載突變后電樞電流開場失調(diào)，導(dǎo)致輸出轉(zhuǎn)速很難跟隨給定值。4結(jié)論

針對直流電動機調(diào)速系統(tǒng)的非線性和構(gòu)造參數(shù)易變化等特點，本文設(shè)計了相應(yīng)的模糊控制器，同時建立轉(zhuǎn)速環(huán)為模糊控制的雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。通過仿真分析并與常規(guī)PID控制比擬說明，當(dāng)輸入階躍變化、電機參數(shù)突變、負載突變等情況下，模糊控制器能起到良好的控制性能；而常規(guī)的PID控制器盡管能到達一定的效果，但是當(dāng)電機參數(shù)變化、負載突變時，根本上不具備參數(shù)變化的適應(yīng)能力。另外，仿真研究進一步驗證了模糊控制可以不依賴于被控制對象的準(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一步應(yīng)用于交、直流電力拖動系統(tǒng)的控制中。參考文獻1周煉，謝運祥.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，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.基于MATLAB的系統(tǒng)分析與設(shè)計.**電子科技大學(xué)，2000.

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