直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)模糊控制的仿真

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1、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)的非線性和結(jié)構(gòu)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)行了仿真研究，并將仿真結(jié)果與常規(guī)PID控制進(jìn)行比較。結(jié)果表明，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)大多采用結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能穩(wěn)定的常規(guī)PID控制技術(shù)，由于在實(shí)際

2、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，在某些應(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)器難以滿足高精度、快響應(yīng)的控制要求，常常不能有效克服負(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)

3、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)驗(yàn)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)象的精確數(shù)學(xué)模型，能夠克服非線性因素的影響，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)果表明，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，充分體現(xiàn)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

4、直流電動(dòng)機(jī)雙閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，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。考慮實(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

5、基本結(jié)構(gòu)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)言變量值取相同，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)驗(yàn)，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)

6、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)行了仿真；為了比較模糊控制器在電機(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

7、突變時(shí)的響應(yīng)特性進(jìn)行了仿真研究，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)行了比較。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