《模糊PID控制在直流调速系统中的应用本科毕业论文.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《模糊PID控制在直流调速系统中的应用本科毕业论文.docx（34页珍藏版）》请在taowenge.com淘文阁网|工程机械CAD图纸|机械工程制图|CAD装配图下载|SolidWorks_CaTia_CAD_UG_PROE_设计图分享下载上搜索。
1、模糊PID控制在直流调速系统中的应用独创性声明本人声明所呈交的毕业设计（论文）是本人在指导教师指导下进行的研究工作和取得的研究成果，除了文中特别加以引用标注之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，没有伪造数据的行为。毕业设计（论文）作者签名：签字日期：年月日毕业设计（论文）版权使用授权书本毕业设计（论文）作者完全了解学校有关保留、使用论文的规定。同意学校保留并向有关管理部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权天津城建大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本论文。（保密的毕业设计（论文）在解密后适
2、用本授权说明）毕业设计（论文）作者签名：指导教师签名：签字日期：年月日签字日期：年月日摘要本设计将PID控制和模糊控制相结合，解决了直流调速系统中的一些问题。首先对直流电动机的PID控制进行仿真，通过调整PID参数，可以获得预期的控制效果。然后分析了直流电动机的模糊自整定控制，仿真结果表明该控制器性能好，不仅具有良好的动、静品质，且具有较强的抗干扰能力。针对工程上通常采用的直流调速系统，本设计详细地分析了双闭环直流调速系统的PID控制，分别对系统的电流环、转速环的动态性能、抗干扰性能进行仿真。PID控制器虽然结构简单，但在克服较大扰动影响，提高系统动态品质等方面并非最优，光靠调整PID参数难以
3、获得满意的控制效果。因此，设计了模糊控制器并对双闭环直流调速系统进行仿真。通过与传统PID控制进行比较，发现模糊控制可以大大提高控制效果，具有抗扰性能强，系统响应速度快，动态性能好等优点。关键词：PID控制；模糊控制；模糊自整定PID控制ABSTRACTThis design solved some problems in DC speed regulation system by the combination of PID control and fuzzy control. First, PID control of DC motor was simulated by adjusting
4、 the PID parameters and can obtain the desired control effect. Then this design analyzed fuzzy self-tuning control of DC motor. The simulation result shows that the controller is better characterized not only by its qualities of better dynamical and situational but also anti-disturbance ability and
5、adaptability to the changing parameters. For the ordinary DC speed regulation in engineer, the design illustrated in detail the PID control of the double close loop DC speed regulation system.The characteristics of the dynamics and anti-disturbance of circle and speed loops were simulated respective
6、ly.Although it has simply constructure, PID controller is not the best to get better control performance only by regulating parameters, such as to overcome larger disturbance to improve dynamic quality. Accordingly, the design illustrated the application of fuzzy control in the double close loop DC
7、speed regulation system. Compared with traditional PID control, it is found that control effects have been greatly improved by fuzzy control, with characterized by its stronger anti-disturbance, quick response and good dynamics.Key words：PID control；fuzzy control；fuzzy/PID self control目录第一章 绪 论11.1
8、选题的背景及目的11.2 直流调速系统发展过程11.3 模糊控制的发展概况21.3.1 模糊控制的发展过程21.3.2 模糊控制所要解决的问题31.4 本设计的主要内容4第二章 模糊控制的基本理论52.1 模糊控制的基本思想52.2 模糊控制系统的基本原理以及结构组成52.2.1 模糊控制系统的基本原理52.2.2 模糊控制器的结构组成62.3 模糊控制器的设计方法7第三章直流电动机的模糊PID控制93.1直流电动机的数学模型93.2直流电动机的PID控制11第四章直流调速系统的模糊PID控制144.1直流双闭环调速系统的PID控制144.1.1转速环的MATLAB仿真154.2 模糊控制在直
9、流双闭环调速系统中应用214.2.1转速环模糊控制器的设计264.2.2仿真模型的建立264.2.3仿真实验26结 论27致 谢28参考文献29第一章 绪论第一章 绪论1.1 选题的背景及目的从工作生产机械的功能实现来看，直流电机工作时是直流电能和机械能的相互转换，它的重要特点是调速范围广，易于平滑调速；易于控制可靠性较高等优点。启动制动和过载转矩大。电力拖动自动控制系统有调速系统、位置随动系统、张力控制系统等多种类型，而每种系统大多数都是通过控制转速来实现的，因此调速系统是最基本的拖动控制系统。相对于交流调速系统，直流调速系统在理论上和工作中都相对成熟。现代电力拖动自动控制系统中直流调速系统
10、是发展较早的技术。在20世纪60年代发展起来的电力电子技术，使电能可以变换和控制，产生了现代各种高效、节能的新型电源和交直流调速装置，为工业生产，交通运输，楼宇、办公、家庭自动化提供了现代化的高新技术，提高了生产效率和人们的生活质量，使人类社会生产、生活发生了巨大的变化。随着新型电力电子器件的研究和开发以及先进控制技术的发展，电力电子和电力拖动控制装置的性能也不断优化和提高，这种变化的影响将越来越大。由于近些年在各个领域得到应用，科技的不断发展，它的各方面指标都广泛的受外界关注。它的主要特点是结构简单，易于操作，易于维护，安全可靠。现在各种调速驱动场合都有它的身影。主要还是应用于各种条件差的地
11、方，诸如工作环境差，对价格要求和性价比要求高的地方，所以在当今社会得到了大量应用。1.2直流调速系统发展过程直流调速系统是从简单发展到复杂、从开环发展到闭环、从单环发展到多环、从单向调速发展到可逆调速，其间不断的完善整个过程。其中由运算放大器等电子模拟电路所组成的调节器是关键所在。它在对误差进行控制的时候，一直是电机保持在一个恒定值。从单一调速方式向多种调速方式的发展过程，每一种调速系统本身也都在发展完善之中。如开环闭环、单闭环、双闭环、三环、有环流可逆调速系统和无环流可逆调速系统这些都在统一完善发展中。晶闸管的出现更是促进了电力传动控制技术的发展。虽然交流系统也在逐步发展，但是直流电动机一直
12、占领着主市场。虽然现在科技都是数字化的，但是基本控制原理是有共性的。单闭环不仅是转速闭环一种，根据应用要求不同可以采用电压负反馈、电流补偿等替代措施。有环流可逆调速系统目前有两种，无环流可逆调速系统目前有三种，它们都在不断完善和发展之中。1.3模糊控制的发展概况1.3.1 模糊控制的发展过程1965年美国加利福尼亚大学著名的控制论专家L.A.Zadeh在探索和研究大系统、模糊性、计算机和人脑思维间的各种关系时，发现GCantor所创的著作实质上是提出了模糊性的数学概念，是把人类的思维过程变得绝对化，从而达到人们想要实现的的目的1。为了实现模糊性和数学统一起来，1965年他Information
13、 and Control杂志上发表了一篇具有开创性的经典论文“Fuzzy sets”，这个论文发表标志着模糊数学的正式诞生3。1974年，英国学者E.H.Mamdani首次通过模糊控制器来实现对蒸汽机的控制，并且还获得了比传统控制器更好的效果，从而模糊数学在工业控制中的具体应用取得了非常大的进展3。日本对模糊控制技术尤其重视，于1984年成立了国际模糊系统学会，并投入了很多的人力和财力对模糊数学进行了大量的和细致的研究3。特别是1987年，模糊控制技术在地铁中成功的得到应用，使启动和制动都很平稳，而且车的停靠地点能精确到10cm以内，在科技界取得了轰动性的效果，从而模糊控制的研究更加狂热3。1
14、990年日本松下电器公司制出了采用模糊技术的吸尘器和全自动洗衣机。从商业角度，日本公司光销售模糊控制芯片这一项就收获了一年6亿美元，1995年一年光模糊家电产品的产值就达到近8亿美元，为模糊控制的发展增添了浓墨重彩的一笔。仅以彩色电视的模糊控制器来说，跟传统的电视控制系统相比较，这种电视是一种依靠模糊逻辑算法、模糊识别和模糊判决为主要构成的智能化系统。它通过采集其周围环境的各种参数，经模糊控制器迅速处理后，对彩色图像的各种参数进行自动控制，使观众获得最佳的欣赏效果。模糊控制的发展根据其结构特点可大致分为3个阶段：第一阶段（19651974）为诞生阶段，主要是模糊数学的发展和成形时期。第二阶段（
15、19741979）为开始制作模糊控制器阶段，这时候模糊控制器的核心是利用实践经验形成一定的模糊控制规律表，由于还不够完善，所以控制规则表一旦形成就不能改动。这类控制器具有针对性，不能灵活多变，不具有自学习、自组织能力。第三阶段（1979至今）高性能控制器阶段，此阶段为模糊控制不断完善的阶段，特别是1979年美国的俩位科学家共同提出的使模糊控制器具有学习功能，更加完善了模糊控制器，从而使它在控制的同时不断的学习，并对控制的规则不断的进行调整，使其性能大幅提高。如今的模糊控制技术已经广泛应用于各个领域。例如，家用电器设备，诸如智能洗衣机、家用微波炉、各式空调机、家用吸尘器、单反照相机、摄录机等都在
16、一定程度上应用了模糊控制；工业控制系统中有水的净化装置、发酵过程、水泥炼制等都在一定程度上应用了模糊控制；在其他方面的应用有地铁的行进控制、电梯升降、自动扶梯、各种直升机以及智能机器人等都在一定程度上应用了模糊控制。我国的模糊技术的起步较晚，但发展非常迅速。模糊数学在20世纪70年代后期传入我国，之后我国取得了很多成就。成立了中国模糊数学与模糊系统学会，80年代中期，我国在模糊理论研究的同时开始了模糊控制技术的研究开发工作。1988年北京师范大学汪培庄教授等成功研制“模糊推理机分离元件样机”。在模糊技术应用领域，我国最早在地震和气象预报中应用模糊理论，而且1988年研制出世界上第二台模糊推理机
17、。90年代初，北京模糊工程中心的陈永义教授等先后研制开发了玻璃拉管线模糊逻辑控制器，电冰箱模糊控制器，可编程模糊逻辑控制器BFEC-89系列产品，水泥厂矿石破碎机的模糊控制系统。现如今我国在模糊控制研究开发领域又取得了很大的发展，主要反映在模糊控制理论的研究和模糊逻辑控制产品的开发方面，特别是模糊逻辑在智能计算与智能控制的应用与开发上。以往的控制方法难以解决现在所面临问题的需要，需要不断提高控制方法的复杂程度。精确的数学模型很难解决现实问题。人们需要设计开发出更加灵活实用的控制器，其中需要工作人员的经验，需要学习，需要不断的自我完善。如能模拟人的思维方法，把自然语言植入计算机内核，使计算机具有
18、活性和智能。模糊罗辑控制就是使计算机具有活性和智能的一种新颖的智能控制方法2。1.3.2 模糊控制所要解决的问题模糊控制是在人工经验基础上建立的。把这些实践经验总结描述出来，就可以成为一种定性的、不确定的控制规则。用模糊数学将其定量化就转化为模糊控制算法，从而形成了模糊控制理论。它在短期迅速发展主要有以下几个特点：(1) 不需要知道被控对象的数学模型模糊控制是以人对被控系统的控制经验为依据而设计的控制器(2) 一种结合人类智慧思维的智能控制模糊控制采用人类思维中的模糊是如“胖”、“瘦”、“强”、“弱”控制量由模糊推理导出。(3) 好理解且容易被人们所接受(4) 容易被处理其中的规则接近人类思维
19、，是人们的经验所致，所以容易掌控模糊控制规则。(5) 鲁棒性好模糊控制系统无需要求被控对象是线性的还是非线性的，都能非常有效的控制，具有良好的鲁棒性、适应性。典型的缺点是模糊控制通过语言描述受控系统，控制品质存在粗糙和精度不高的弊病。 模糊控制技术的发展离不开它所需要解决的具体问题的发展，模糊控制技术需要解决的具体问题有：(1) 模糊控制器的构造有三种技术：A.采用传统的方法作为物理基础编制其所需的程序实现模糊推理和控制。B.用集成电路芯片或模糊单片机构造模糊控制器，利用人们的经验制作出数据来 完成模糊控制器的设计。 C.模糊控制器的主要核心是构造控制表，需要预先脱机处理。只有正确使用了规则表
20、才能更好的使用控制器。(2) 模糊与精确信息的相互转化。模糊与精确信息的相互转化的问题目前基本上采用的是A/D，D/A转换技术。(3) 模糊控制器对外界环境的适应性及适应技术对外界环境的适应问题目前还没有一种专门的良好技术。大多还是采用传统的技术或依赖于工艺水平。(4) 实现模糊控制系统的软技术。软技术主要包括系统的仿真和实际工作软件等，目前世界上已有多种仿真软件出现，如matlab。(5) 模糊控制器和被控对象的匹配技术。(6) 模糊控制器和被控对象的匹配技术仍然依赖于人们的经验。这些模糊控制技术随着大规模集乘电路技术，计算机技术，工艺技术的发展而不断成熟起来。但是，模糊控制毕竟还是一门新兴
21、学科，仍有许多问题有待解决。目前，模糊控制理论还存在需要解决的系统方法有：人的知识和经验的表达；知识推理的法则； 人的知识的获取和总结；模糊控制系统稳定性判据；.模糊控制系统的学习；模糊控制系统的分析设计；模糊控制系统的设计方法。用模糊控制更能容忍干扰和元器件的变化，使系统适应性更好。应用领域更加广泛，应用前景更加开阔4。1.4本设计的主要内容本设计先对直流调速系统和模糊控制进行了介绍，主要设计了转速环，应用matlab进行仿真。首先对电动机的PID控制，先使用pi调节器，再设置参数，进行调试，最后仿真，控制过程大大简化。PID控制的优点非常鲜明，具有结构简单、可靠、稳定等优点，但由于其有局限
22、性，不能有效克服负载，由于范围小和非线性的局限，不能满足高性能，高精度场合的要求，模糊控制则非常好的解决了这些问题。对调节对象的参数变化具有较强鲁棒性，所以本设计介绍了模糊自整定PID控制在直流电动机调速中的应用，该方法具有非常强的自适能力，最后进行比较得出结论。30第二章 模糊控制的基本理论第二章 模糊控制的基本理论2.1 模糊控制的基本思想模糊控制是非常重要的模糊集合理论，是建立在模糊集合化、模糊语言变量和模糊逻辑推理的一种控制理论方法，模糊控制是一种非线性控制而且是智能控制。模糊控制是处理一些不精确的和不确定的系统，是建立在人类思维上的一种模糊性的控制方式。模糊控制是在人工经验基础上建立
23、的。把这些实践经验总结描述出来，就可以成为一种定性的、不确定的控制规则。用模糊数学将其定量化就转化为模糊控制算法，从而形成了模糊控制理论。2.2 模糊控制系统的基本原理以及结构组成2.2.1模糊控制系统的基本原理摸糊控制系统是一种数字模糊控制系统，它通过计算机控制技术构成，是一种具有反馈通道的闭环结构。模糊控制系统的核心是智能性的模糊控制器，一个模糊控制系统质量的好坏，主要模糊控制器的结构所决定，其中的模糊控制规则，合成推理算法和模糊决策的方法等也对其有影响。模糊控制系统组成原理框图如图2-1所示：图2-1模糊控制系统组成原理框图模糊控制系统是由执行机构、被控对象、传感器、检测装置、计算机、模
24、糊控制规则表等几部分组成。被控对象的数学模型可以随便选定，可以是已知的、精确的，也可以是未知的、模糊的。过程输入输出通道一般指模/数(A/D)、数/模(D/A)转换单元和接口部件，电平转换装置及多路开关等。该控制器可以控制人和不确定的部件，对被控对象的数学模型不依赖，易于对不确定性系统进行控制。模糊控制器抗影响能力强，反应速度快，系统参数的变化鲁棒性强。图2-2 模糊控制过程图2-3 常用FUZZY控制器结构框图2.2.2模糊控制器的结构组成一般常用FUZZY控制器结构框图如图2-3所示：由FUZZY控制器结构框图可以看见它有三个重要功能： (1)把变化率转换，从数字量转换为模糊量； (2)再
25、把模糊量从给定的规则变成模糊推理； (3)把模糊推理出的东西转化，使其变成实际系统接受的，较为精确的数字量或模拟量(精确化接口)。分析之后可以知道，模糊逻辑控制有三大模块库：第一步：模糊化过程。将模糊控制器确定的输入量转换，变成相应的模糊语言变量。模糊化就是，通过传感器的作用把受控的对象，相关物理量转换成电量。如果传感器的输出量，是连续的模拟量，还需要通过转换，把数字量转换成计算机默认的语言，再把值做标准化处理。就是把相应的数据放到论域里，再把它转换成相应的变量的术语，并创建出模糊集合，这样就把这些值转换，变成了函数标识的模糊量的值。第二步：模糊逻辑推理。根据以前已做好的由模糊条件语句形成的模
26、糊的控制规则，将已经有的控制以及变量，变得模糊化作为理论依据，成为新的模糊经验作为结论。对模糊控制进行推理，对每一系列进行评价，得出一个确定的量，这个量是语言描述的量就是模糊输出量。第三步：精确化计算。模糊输出量无法直接应用，无法直接调控执行部件，在这肯定的应用范围中，给定一个确定的能反映总体的值来当输出控制量。2.3模糊控制器的设计方法1 确定模糊控制器的输入变量，输出变量(控制量)使模糊控制器更精确，非常的困难，因为越要精确，变化量就要尽量小，控制规则就非常复杂，非常不容易实现，所以一般使用二维模糊控制器。2 模糊控制规则的设计(1) 选择语言变化值的词集。根据系统的各种要求不同，可以选择
27、的等级也不一样，可以分为3个档：大、中、小。模糊控制的规则其实是一些条件语句，这类语句的集合就是这些规则的集合。其中一类词集可以分为8个档，这8个档可以反映出偏差的大小，分别是NL、PL、NM、PM、NS、PS、NU、PV，偏差也是有变化率的，也可以用7个档来表示大小，分别是NL、PL、NM、PM、NS、PS、O，输入变量U分成7个档级，分别是:NL、PL、NM、PM、NS、PS、O。(2) 定义各模糊变量的模糊子集。在模糊集合的集合中，找出子集，画出其隶属函数的曲线，在其上找出隶属度，这些隶属度非常有限，将这个曲线离散化，这样就能形成想要的模糊子集。(3) 建立模糊控制器的控制规则。可以在人
28、类思维的基础上，通过人的智慧总结的东西，把手动的东西，用计算机体现出来，可以用模糊的语言及控制规则表实现人的作用，这个应用的过程就是模糊控制器的控制规则形成的过程。3 确定各元素的隶属度在隶属函数的曲线上找出各元素的隶属度。4 精确量与模糊量的相互转换(1) 模糊化方法。将确定的值转化为模糊语言的过程叫做模糊化。(2) 模糊量到精确量的转换方法。在模糊控制器中，输出的量，是一种模糊量，不能被执行机构认可，所以需要将其转换成一个确定的值，这个转换过程称为清晰化也称判决，判决方法有3种：1) 最大隶属度法。找出在隶属函数曲线上最大元素的隶属度作为控制量。2) 取中位数法。选取模糊子集的隶属函数曲线
29、和横坐标所围成区域的面积平分为二部分的数作为判决的效果。3) 加权平均法。第三章 直流电动机的模糊PID控制第三章 直流电动机的模糊PID控制3.1 直流电动机的数学模型直流电动机更具市场，更有优势。其可以大范围调速，启动比较快，更快达到峰值。缺点是构造复杂耗资比较大。在工业上很多方面都有应用。在一般情况下，直流调速系统中有一个默认的控制对象，就是直流电动机。以下是直流电动机的数学模型。其等效控制电路如图3-17：图3-l 直流电机等效控制电路其中输入的电压为电机电枢电压ud，该等效电路的输出量xc，电机的转速n。根据电压定律，由此我们可以确定回路的微分方程式：（3.1）其中ed:电动机电枢反
30、电动势；Rd:电动机电枢回路电阻；Ld:电动机电枢回路电感；id:电动机电枢回路电流；由于电机产生的反电动势为（3.2）其中:电动机电势常数，单位由式(3.1)(3.2)可以得到电机的动方程式： (3.3)此电动机还有第二个方程，其机械运动方程，这个方程是在无负载的理想状态下，此机械运动方程的微分型式为：(3-4)其中M:电动机的转矩；：电动机的飞轮惯量(3-5)其中Cm：电动机的转矩常数，消去中间变量M，id整理，通过计算，就能知道他的微分方程形式的数学模型，即：（3-6）进一步可以得到：（3-7）：电动机的电磁时间常数；：电动机的机电时间常数；将式(3.6)进行拉斯变换，其条件是零初始，通
31、过计算能知道励式直流电动机的传递函数型式的数学模型（3-8）图3-2 模拟PID控制系统原理框图3.2 直流电动机的PID控制PID控制器需要出控制量，它可以把偏差的比例(P)、积分(I)和微分(D)组合，对被控对象进行控制。模拟PID控制系统原理框图如图3-2所示，系统由模拟PID控制器，被控对象构成。PID控制器是一种线性控制器，它根据给定值r(t)与实际输出值y(t)构成控制偏差:error(t)=r(t)-y(t)。PID的控制规律为：(3-9)或写成传递函数形式: (3-10)其中：比例系数；：积分时间常数；：微分时问常数。PID控制器各校正环节的作用:1. 比例环节：系统中的信号有
32、偏差，其信号成比例的体现出来。error(t)，只要出现偏差，控制器就会马上出现控制作用，以减小偏差。2. 积分环节：可以消除静差，提高系统的无差度。时间常数决定积分作用的强弱，Ti，Ti越大，积分作用越弱，反之越强。3. 微分环节：这个环节在系统错误时，能有效修正，以免偏差信号变太大，很好的体现偏差信号的变化。从而加快系统的动作速度，减少调节时间，PID控制器有如下特点：(1) 原理简单，实现方便，大多数现实情况的基本控制器它都能满足。(2) 控制器在一些完全不同的对象中都适应，算法在结构上具有较强的鲁棒性情况下，其控制品质对一些数据不敏感，如被控对象的结构和参数波动。现以直流电动机为被控对
33、象进行模拟PID控制。已知直流电动机的参数:电动机：=150kw； =1000r/min；= 700A；=0.O5主回路:=0.08；=；负载及电动机转动惯量: 计算得到此直流电动机的相关参数如下:电势常数：转矩常数：电磁时间常数：机电时间常数：由以上参数可得直流电动机数学模型的传递函数表达式：在Simulink下进行仿真，rin=1000，如图3-3所示。图3-3模拟PID控制的仿真模型PID控制器采用子系统并封装，其内部结构如图3-4所示。图3-4 模拟PID控制器仿真结果如图3-5所示。图3-5模拟PID控制阶跃响应曲线这种传统PID控制器参数范围变化大，要调到想要控制结果工作量大，整定
34、方法过于繁锁。第四章 直流调速系统的模糊PID控制第四章 直流调速系统的模糊PID控制一般情况下直流调速系统需要控制电机和控制转速，从而得到人们理想状况的需要指标。随着具体情况的复杂，外部的干扰越来越大，其结构也会跟着一起变化，人们会把各种因素相结合，得到更好的控制效果。现实状况中，各个系统都是由许多环节组成的。经过实践得到SIMULINK动态结构图，通过SIMULINK动态结构图进行仿真。4.1 直流双闭环调速系统的PID控制直流双闭环调速系统是现在应用最广泛的一种，为了到达人们的预期效果，我们应用转速，电流双闭环负反馈调速系统，转速，电流双闭环直流调速系统原理图如图4-4所示。图4-4 转
35、速电流双闭环直流调速系统原理图其中ASR转速调节器；ACR电流调节器；TG测速发电机；TA电流互感器；GT触发器；Un* 转速给定电压；Un转速反馈电压；Ui* 电流给定电压；Ui电流反馈电压；V整流器。以便转速调节和电流调节均起作用，系统中曾加了电流调节器ACR，转速调节器ASR。ACR和电流检测反馈回路构成电流环，ASR和转速检测反馈环节构成转速环。在电路中，ASR和ACR串联，即把ASR的输出当作ACR的输入，再由ACR输出去控制晶闸管整流器的触发器，ASR、ACR均为比例积分调节器，其输入、输出均设限幅电路。ACR输出限幅值为Uctm，它限制了晶闸管整流器输出电压的最大值Uctm。AS
36、R输出限幅值为Uim*，它决定了主环中的最大允许电流Idn。启动时让转速外环饱和不起作用。电流内环起主要作用，调节启动电流保持最大值，使转速线性变化，迅速达到给定值。稳定运行时，转速负反馈外环起主要作用使转速随转速给定电压的变化而变化，电流内环跟随转速外环调节电机的电枢电流以平衡负载电流。动态结构图如图4-5所示。图4-5 直流双闭环调速系统动态结构图电动机参数如前所述，系统测速反馈系数K=0.067v/rpm，系统电流反馈系数Kf=0.072v/A，触发整流装置的放大系数Ks=30，三相桥平均失控时间Ts=0.00167s，电流环滤波时间常数To=0.02s，转速坏滤波时间常数Tom=0.0
37、1s。4.1.1 电流环的MATLAB仿真转速环的SIMULINK仿真模型如图4-6所示。图4-6 转速环的SIMULINK仿真模型由仿真可得系统的阶跃响应曲线如图所示。图4-7转速环的阶跃响应曲线由图可知转速很快上升，上升时间为7s。在ADD3前加一个阶跃扰动信号(如负载的变化)，仿真模型如图所示。得到曲线如图所示。图4-8 转速环的阶跃扰动响应曲线图4-9转速环抗扰动仿真模型在ADD4前加一个阶跃扰动信号(如电网电压波动)，仿真模型如图所示。得到曲线如图所示。图4-10 转速环的阶跃扰动响应曲线由仿真结果可以看见转速调节器ASR的作用： (1)转速随给定电压变化，稳态无静差。 (2)对负载
38、变化、电网电压波动起抗扰作用。综上所述由双闭环系统的仿真结果可以看出： (1)利用转速调节器的饱和特性，在尽可能短的时间内建立转速，在退饱和实现速度的调节和系统的无静差特性。 (2)由于构成了无静差系统，在负载变化和电网电压波动等扰动情况下，保持系统的恒定输出。 (3)转速电流双闭环系统可以很好的克服负载变化，特别是电网电压扰动点在电流环内，当电网电压波动时可以通过电流反馈及时得到抑制，而不会造成电机转速的波动。而在单环调速系统中，电网电压波动必须等到影响转速n后，才能通过转速负反馈来调节。所以，双闭环调速系统能有效提高系统对电网电压扰动的抗扰性能。图4-11转速环抗扰动仿真模型图4-12 仿
39、真图4.2 模糊控制在直流双闭环调速系统中应用图4-13 模糊调节器的结构图图4-14 模糊调节器的结构图双击编辑窗口的各图示模块即可对模糊准则等进行编辑和设定，至于参数的设定是怎么来的，一般模糊控制都不是精确计算来的，都是在历史数据的基础上来的，此次仿真中的参数也都是通过不断的调试才得到的较为理想的一组取值。模糊控制器的大体原理如下：第一步，模糊化 模糊控制里的模糊推理只能处理模糊量，所以要对输入值模糊化。输入值的语言为负大（NB)、负中(NM)、负小(NS)，零(ZO)，正小(PS)，正中(PM)，正大(PB)。输入值相应的论域为-6，-4，-2，0，2，4，6。 第二步，总结规则和模糊推
40、理 模糊规则是模糊控制的核心，它需要人的经验和知识的总结，设置方法如下。比例Kp能够反映误差e，出现误差后立即反应，来减少偏差；若其值过大，反而会造成系统振荡。所以，如果误差e较大，为了快速抑制，Kp的值也要变大；反之如果误差较小，为防止超调太大使系统振荡，Kp的值要变小。 综合考虑误差变化率ec时，当ec和e同号时，输出值会偏离稳定值，此时要加大Kp；反之，要减小Kp。Kp的模糊控制规则如下表所示。表2 Kp的模糊规则控制表eecNBNMNSZOPSPMPBNBPBPBPMPMPSZOZONMPBPBPMPSPSZONSNSPMPMPMPSZONSNSZOPMPMPSZONSNMNMPSPS
41、PSZONSNSNMNMPMPSZONSNMNMNMNBPBZOZONMNMNMNBNB表3 Ki的模糊规则控制表eecNB NMPSPMPBNBNBNBNMNMNSZOZONMNBNBNMNSNSZOZONBNMNSNSZOPSPSZONMNMNSZOPSPMPMPSNMNSZOPSPSPMPBPMZOZOPSPSPMPBPBPBZOZOPSPMPMPBPB积分Ki的作用是减少静态误差。若其值过大会引起系统超调增大。为防止积分饱和，如果误差较大，Ki为零；若较小，让Ki作用，并令其随的变小而变大，来减少稳态误差。Ki的控制规则如下所示。第三步，去模糊化 在模糊推理之后，输出值进行去模糊化，变
42、换成精确值，再输出Kp、Ki。一般模糊控制系统通常采用二维模糊控制结构如图4-15所示。控制对象 + E EC U 二维模糊控制器y 图4-15二维模糊控制器结结构这类控制器采用误差E、误差变化EC作为输入语言变量，其控制作用类似于PD控制器，它能确保系统的简单性、快速性，且有可能获得良好的动态性能。+ A/D 计算 控制 变量 计算 控制 变量 模糊 控制 规则 模糊 量化 处理 模糊 推理 (决策) 去模 糊处 理 D/A 模糊控制器（微处理机） 传感器 被控对象 执行机构 图4-16 模糊控制原理框图模糊控制器通常由计算机或单片机构成，控制原理如图，控制过程:计算机采集被测参数的精确值，
43、并将该值与结定值作比较，得出误差e，误差变化率ec作为模糊控制器的输入语言变量。将e、ec经模糊化得到模糊量E和EC再由E、EC和模糊控制规则。根据推理的合成规则得到模糊控制量U经模糊决策，清晰化得到精确控制量U。为方便起见，设输入输出的语言变量值相同，分别为NB、NM、NS、ZE、PB、PM、PS，相应的隶属度函数表，如表4-l所示。表4-1语言变量值的隶属度函数-5-4-3-2-1012345PB0000000.10.10.40.71PM000000.10.40.710.70.4PS0000.10.40.710.70.40.10ZE000.10.40.710.70.40.100NS00.1
44、0.40.710.70.40.1000NM0.40.710.70.40.700000NB10.70.40.10000000速度的给定值n=0,1000，模糊控制器的输入、输出论域分别取e=-150,150，ec=-30，30，Ke=0.03，Kec=0.17，Ku=20。根据隶属度函数及直流电动机双闭环调速系统的控制经验得到模糊控制表4-2。表4-2模糊控制规则表DENBNMNSZEPSPNPBENBNBNBNBNMNMNSZENMNBNBNBNMNSZEPSNSNBNMNMNSZEPSPMZENBNSNSZEPSPMPBPSNMNSZEPSPMPBPBPMNSZEPSPMPBPBPBPSZEPSPNPMPBPNPB4.3.1 仿真实验由隶属度函数及模糊控制规则表编制模糊控制器的程序，先运行模糊控制器的程序，再运行主程序图得到曲线如图所示。图4-17 模糊控制转速响应曲线图4-18 PID控制转速响应曲线和PID控制的双闭环直流调速系统转速响应曲线相比，上升时间缩短为3s。 通过比较看出PID控制的特点是：稳态无静差，转速稳定所经历的时间较长，模糊控制器的特点是无静差，超调量很小式或无超调。 图4-20