2022年模糊PID控制在直流调速系统中的应用 .pdf

模糊PID控制在直流调速系统中的应用摘要：本论文将 PID 控制和模糊控制相结合， 解决了直流调速系统中转速响应速度慢的问题。 在论文中主要针对了电压对传统PID 控制时双闭环直流调速系统性能下降的问题, 提出了模糊 PID 控制的方法。这种控制方法主要是根据根据调速系统的偏差e和偏差变化率ec, 经过模糊逻辑推理 , 然后对直流电机系统进行调节控制后，系统的动态特性有明显的提高。论文主要针对双闭环直流调速系统进行了仿真分析。为了对直流电机的控制选择出更好的控制方法，本设计中对转速环进行PI控制，由于在直流调速系统中转速环起主导作用，电流环只是调节电流，所以在设计中将转速环中的PI调节器用模糊控制器代替， 在这两种情况下进行仿真实验。虽然传统 PID 控制结构简单，但是转速环PI控制的情况下，系统到达稳定状态的时间较长而在转速环模糊控制的情况下, 能使系统更快恢复到平衡状态, 且具有更小的转速降。因此 , 本控制方法能够保证系统具有较好的动态性能。关键词直流调速 , PID 控制, 模糊 PID 控制, 双闭环ABSTRACTThis paper combines PID control and fuzzy control,to solved DC speed-regulating system for speed in slow response problem. Thesis when main voltage to the traditional control in double closed-loop DC speed system performance issues, proposed fuzzy control method. This control method is based mainly on according to the deviation and deviation of rate of change of speed regulating system, through fuzzy logic inference, then adjust the DC motor 精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 1 页，共 30 页systems control, dynamic characteristics of the systems has significantly improved. Thesis focused on double closed-loop DC speed-regulating system for the simulation. In order to select better control for DC motor control method, designed to control the speed ring, because of the speed loop in DC speed regulating system play a leading role, current loop is regulating current, so design your speed controller using a fuzzy controller in place of the ring, in both cases conducted simulation experiments. While traditional control structure is simple, the speed control of cases, however, the system reaches a steady state for a long time, and in the case of speed-loop fuzzy control, can make your system faster return to equilibrium, and has a smaller rpm drop. Therefore, the control method to ensure the system has good dynamic performance.矚慫润厲钐瘗睞枥庑赖。Key words：DC speed governing Double closed loop PID control Fuzzy PID control聞創沟燴鐺險爱氇谴净。目录精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 2 页，共 30 页1 绪论 . 1残骛楼諍锩瀨濟溆塹籟。. 1酽锕极額閉镇桧猪訣锥。. 1彈贸摄尔霁毙攬砖卤庑。. 2謀荞抟箧飆鐸怼类蒋薔。. 4厦礴恳蹒骈時盡继價骚。2 模糊控制的基本理论. 4茕桢广鳓鯡选块网羈泪。. 4鹅娅尽損鹌惨歷茏鴛賴。模糊控制器. 5籟丛妈羥为贍偾蛏练淨。将模糊推理后得到的模糊集转换为用作控制的数字值. 7預頌圣鉉儐歲龈讶骅籴。2.3 模糊化的具体步骤. 7渗釤呛俨匀谔鱉调硯錦。2.4 精确化的过程. 8铙誅卧泻噦圣骋贶頂廡。. 9擁締凤袜备訊顎轮烂蔷。. 10贓熱俣阃歲匱阊邺镓騷。3 双闭环直流调速系统的仿真. 10坛摶乡囂忏蒌鍥铃氈淚。3.1 直流电机系统采用控制的主要原因. 10蜡變黲癟報伥铉锚鈰赘。3.2 系统采用控制主要解决的问题. 11買鲷鴯譖昙膚遙闫撷凄。3.3 电机参数的选取和计算. 12綾镝鯛駕櫬鹕踪韦辚糴。3.4 搭建模型 . 12驅踬髏彦浃绥譎饴憂锦。3.5 双环的设计 . 12猫虿驢绘燈鮒诛髅貺庑。3.6 双闭环直流调速系统的仿真结果. 16锹籁饗迳琐筆襖鸥娅薔。4 模糊PID在直流调速系统中的仿真 . 20構氽頑黉碩饨荠龈话骛。4.1 模糊PID控制器的设计 . 20輒峄陽檉簖疖網儂號泶。4.2 模糊规则表的建立. 21尧侧閆繭絳闕绚勵蜆贅。4.3 仿真模型的建立. 22识饒鎂錕缢灩筧嚌俨淒。4.4 仿真结果 . 24凍鈹鋨劳臘锴痫婦胫籴。4.5 小结 . 25恥諤銪灭萦欢煬鞏鹜錦。5 总结与展望 . 25鯊腎鑰诎褳鉀沩懼統庫。参考文献 . 27硕癘鄴颃诌攆檸攜驤蔹。致谢. 错误!未定义书签。阌擻輳嬪諫迁择楨秘騖。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 3 页，共 30 页1 绪论直流电机是直流电能和机械能相互转换的旋转电机。它的主要特点是调速范围广，易于平滑调速；起动、制动和过载转矩大；易于控制，可靠性较高等优点。因此，近几年来在各个领域中得到了广泛的应用。随着当今社会科学技术的迅猛发展与提高，它的产品质量、性能、精度、功能以及功耗、自动化程度等广泛受到世界的关注。直流电机在结构方面的特点主要是结构简单，线路容易检查，而且在设备出现问题是维护方便，运行可靠。现在直流电机已经被广泛应用于各种调速驱动场合。但是最主要是应用在工作环境较差温度较低或者比较潮湿的工作环境下、对控制器的价格、性能比要求较高的场合。在工程实践中，正是由于直流电动机具有稳定的工作性能和良好的调速性，所以在当今的工业生产中得到了认可和广泛的应用，由于被广泛应用，所以才会出现较多的问题，进而使直流电动机的控制成为了很多专家学者研究的重点问题。 直流电动机的控制主要采用PID控制技术。 其中智能PID控制器和仪表已经非常多， 这些产品已经在工程实际设计中得到了很广泛的应用， 市场上已经有了各种各样的PID控制器产品， 其中PID控制器参数的自动调整是通过智能化调整或自校正、自适应算法来实现。氬嚕躑竄贸恳彈瀘颔澩。4直流调速系统从开环发展到闭环，从有静差发展到无静差，其中的关键是由运算放大器等电子模拟电路所组成的调节器所起的作用。它把转速定量精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 4 页，共 30 页和反馈量进行比较后对误差进行控制，使电动机的转速保持在某一恒定值上；直流调速是现代电力拖动自动控制系统中发展较早的一门技术。在20世纪 60 年代，随着晶闸管的出现，电力电子技术和控制理论相结合结合促进了电力传动控制技术研究和应用发展。尽管目前交流调速发展很迅速，交流调速技术越来越成熟，交流电动机也有经济性和易维护等优点，使交流调速广泛被应用。 但是直流电动机调速系统一直利用其良好的调速性能占领着主市场，并且建立在反馈控制理论基础上的直流调速原理也是交流调速控制的基本原理。 在科技日益发展成熟的今天直流调速装置和交流调速装置都是数字化的，它们各自使用的芯片和软件都有其特殊的优点，但基本控制原理有其共性，本论文主要通过MATLAB 仿真研究证明直流调速的基本工作原理和调速性能。釷鹆資贏車贖孙滅獅赘。6在 21 世纪随着科学技术的迅速发展，越来越多的工业发展对自动控制系统的精度以及系统的稳定性、系统的自适应能力的要求也越来越高，在工业发展的过程中，所研究的系统也变得更加的复杂。然而在很多情况下被控对象的模型是很难建立，但是就算被控对象的模型能建立出来，也是高阶系统，处理起来更加麻烦，对象性能的分析更是不容易。还有工业系统中的模型相互之间有复杂多变的交叉耦合关系，使其模型变得更加复杂、难于求解和分析它的主要性能。在科技变得复杂，工业对象也变得复杂的时代，需要自动控制的设备和对象越来越多，传统的自适应控制有一定的局限性，因为精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 5 页，共 30 页它只能解决被控对象的数学模型确定的以及一些简单模型方面的问题，对于被控对象的数学模型无法建立的对象无法进行控制。因为人脑可以对模糊事物进行正确的识别与判断，然后对问题作出分析与解决，虽然这样的识别与判断的模糊手段看着似乎非常不确切，但是它就是可以到达精确控制的目的。而自适应控制技术不一定能到达这样的控制效果。操作人员是在通过不断的尝试之后，积累大量的经验，然后应用这些经验以及理论知识来确定对被控对象的策略及性能指标的判据。而这些操作人员的经验都是以自然语言的形式表达出来的， 自然语言是人们在传递信息的过程中最常用到的符号系统，尽管其中包含了不确定性和模糊性，利用清晰的经典逻辑很难解释，但它蕴含信息的能力是最强的。 由于种种控制问题的出现和发展迫切需要一种更先进的控制方法的出现。1965 年首先提出来模糊集合的概念，1973 年又提出了一种把逻辑规则的语言转换成相关控制量的思想处，为理客观世界中存在的一类模糊性问题提供了有力的工具。怂阐譜鯪迳導嘯畫長凉。6模糊控制是指模糊理论在控制技术上的应用。它用语言变量代替数学变量或他们两者结合应用； 模糊控制的函数关系是用模糊条件语句的形式表达出来的，模糊控制是和人类学习有相似的地方和具有自适应能力的控制系统6。模糊控制的优点是：谚辞調担鈧谄动禪泻類。无需预先知道被控对象的精确数学模型容易学习和掌握模糊逻辑控制方法规则由人的经验总结出来有利于系统知识的处理模糊控制系统中的控制逻辑更加接近于人类得思维。所以操作人员通过精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 6 页，共 30 页不断的尝试积累下的经验可以直接应用到控制系统中。与常规的控制系统相比较，很多复杂系统中的问题都可以依靠模糊控制来解决，并可以到达更好的控制效果。嘰觐詿缧铴嗫偽純铪锩。本设计主要是转速环和电流环的设计。利用MATLAB 中原有的Power System 模块搭建双闭环直流调速系统的模型，在转速环和电流环的设计中都使用PI调节器，再进行参数设置，通过不断的调试，得出仿真结果。然后根据制定的模糊规则设计出合适的模糊控制器，将原先搭建的模型中的转速环里的PI环节用模糊控制器代替，然后进行调试。最后将以上两种调试结果进行比照分析，得出对于直流电机的最优控制方法。熒绐譏钲鏌觶鷹緇機库。2 模糊控制的基本理论6模糊控制理论是是建立在模糊集合论、模糊语言以及模糊逻辑基础之上的一种电脑数字控制先进控制理论方法。模糊控制将该领域专家知识转化为某种数值运算，是处理控制系统中不精确性和不确定性的一种有效的手段。在这种控制方法中首先将技术人员的实践经验或专家的理论知识转换为模糊规则，然后把实时信号进行模糊化， 将模糊化的结果作为模糊规则的输入，完成模糊推理，最后再将推理后得到的输出量加到执行器上。其结构图如图鶼渍螻偉阅劍鲰腎邏蘞。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 7 页，共 30 页计算机控制变量A/D非模糊化处理模糊控制规则模糊量化处理D/A执行机构被控对象器感传模糊决策给定值-图 2.1 模糊控制过程图模糊控制器6在模糊控制中最重要的是模糊控制器的设计，人们根据大量的不精确的信息进行模糊逻辑推理， 将多次的控制经验进行总结后得出更加有利于控制的结论和控制规则。模糊控制系统的应用对那些测量数据不精确、需要处理的数据量过大以至于无法判断他们的兼容性、一些复杂、可变的被控对象的场合时有利的，利用模糊逼近去表示他们是非常合适的。一般来说，优化模糊规则便可以对模糊控制的性能进行改善。模糊控制器有如下特点 :纣忧蔣氳頑莶驅藥悯骛。1)设计简单。模糊控制主要是一种依靠模糊规则的控制。它直接采用了语言型控制规则，并且应用了现场技术人员的控制经验或相关专家的理论知识，使得控制机理和策略易于被多数人接受与理解，最重要的是它的模糊控制规则设计简单，便于利用。颖刍莖蛺饽亿顿裊赔泷。2) 适用于数学模型难以获取、动态特性不易掌握或变化非常显著的对象。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 8 页，共 30 页3) 容易被人们所接受。依据专家或者是操作者的多年的经验来制定容易被人接受的模糊规则，然而这些规则便是控制的核心内容。所制定的规则会特别容易的就被人类接受和理解。例如“小明很饥饿，则小明要多吃一些饭。”4它反映出人类的思维。模糊控制运用模糊量，例如“长短”“高矮” “胖瘦” “轻重”“大小”反映人类的思维。2.2.2 模糊控制器的基本结构濫驂膽閉驟羥闈詔寢賻。在理论上讲，模糊控制器由N维关系R表示。 关系R可视作受制于11区间内N个变量的函数。r是几个N维关系的组合，每个ir代表一条规则ir：THENIF。控制器的输入x被模糊化为一维关系X，对于多输入多输出控制时，X为) 1(N维。模糊输出Y可以应用合成推理规则进行计算。当对Y进行解模糊，便可以得到一个精确的输出数值y。图便是具有输入输出的理论模糊控制器的原理框图。銚銻縵哜鳗鸿锓謎諏涼。模糊化Y=X。 R模糊判XYyx图理论模糊控制器的原理框图2.2.3 模糊控制器需要解决的三大问题61) 第一个问题是怎么样把确定量转化为与之相对应的模糊量。2) 第二个问题是模糊控制规则形成和推理。3) 第三个问题是怎么样把模糊量转换为与之相对应确实定量。从以上的三个问题可以知道， 模糊控制器的设计需要解决的问题就是模精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 9 页，共 30 页糊化过程、知识库、推理决策和精确化。2.2.4 模糊控制器的三大模块库模模化将模糊控制器输入量确实定值转换为相应模糊语言变量模糊推理将已有的控制经验和输入变量作为设计的理论依据，通过模糊变换得出新的模糊经验作为结论清晰化将模糊推理后得到的模糊集转换为用作控制的数字值2.3 模糊化的具体步骤121) 根据确定数1e及量化因子k求1e在基本论域上的量化等级in。2) 查找语言变量 E的赋值表，找出in在与最大隶属度对应的模糊集合，该模糊集合就代表确实数1e的模糊化结果。模糊化过程主要完成测量输入的变量值，并将数字表示形式的输入量转化为通常语言值表示形式的隶属度函数值。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 10 页，共 30 页图 2.3 模糊化对于一个测量值可以对应2 个以上的模糊子集，即可以隶属于“中” ，也可以隶属于“大”，知识隶属的程度不同而已。图给出了模糊化过程的结果，即测量值x隶属于“中”的程度为，隶属于“大”的程度为。为了使得任意物理量输入x都能够映射到模糊集系统中去，即在所有论域内的输入量都可以与某一模糊子集相对应，模糊子集的数目和范围必须普及整个论域。每一个物理输入量至少一个模糊子集的隶属度必须大于零。模糊化过程主要任务是定义域内所有的语言值的隶属度函数。挤貼綬电麥结鈺贖哓类。2.4 精确化的过程通过模糊推理可以得到一个模糊集合或者是一个隶属度函数，但是在控制系统中，只能是由确定值去控制驱动结构。在推理得到的模糊集合中取一个最正确代表的这个过程就被称为精确化过程。常用的精确化过程的方法主要有三种：赔荊紳谘侖驟辽輩袜錈。 1最大隶属度法 2重心法 3加权平均法精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 11 页，共 30 页其实精确化的算法还有左取大、右取大、去大平均等。根据隶属度函数的形状、推理方法选择合适的精确化计算方法。塤礙籟馐决穩賽釙冊庫。在模糊控制中最主要的是建立合适正确的模糊控制规则表。为了实现模糊控制的控制效果到达最正确状态，就必须研究不确定性推理的规律，而模糊逻辑推理就是主要研究不确定性推理的重要方法之一。扎德于1972-1974年间系统的建立了模糊逻辑理论，提出了模糊限定词、 语言变量、语言变量、语言真值和近似推理等概念，制定了模糊推理的规则，为模糊推理奠定了基础。模糊逻辑原则上是一种拟人思维，要用从0-1 之间确实切数值一个模糊命题的真假程度，有时候是很困难的，人们在日常生活中交流信息用的大多数是自然语言， 而这种自然语言是用充满了不确定性的描述来表达具有模糊性的现象和事物。 自然语言的模糊性是由于使用率大量的模糊化词来组成自言语言。因此，从理论上讲，一切具有模糊性的语言都可以称为模糊语言，在不同的条件下一种模糊概念可以代表不同的含义。裊樣祕廬廂颤谚鍘羋蔺。通常推理方法都是很严格的，而二值推理只需要有确定的小前提，则一定会得出确定的结果。例如，前提：如果A，则 B:如果 B,则 C。结论：如果A，则 C。可是，在生活中，人们得到的信息却不是精确的，反而大多数都是模糊的，或者事实本身就很模糊。仓嫗盤紲嘱珑詁鍬齊驁。（1）M amdani 模糊推理方法（2）Larsen 模糊推理的方法精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 12 页，共 30 页（3）Takagi-Sugeno 模糊推理算法（4）Tsukamoto 模糊推理算法在本次设计中，主要选择Mamdani模糊推理方法， Mamdani模糊推理是模糊控制中普遍使用的方法，它本质上是一种合成推理方法。绽萬璉轆娛閬蛏鬮绾瀧。根据系统控制精度的要求不同，误差、误差变化率和控制量的变化量，可以选择 3 个，7 个，8 个等级甚至更多。分为3 个等级：大、中、小。如果分为 7 个等级，则常选用正大、正中、正小、零、负小、负中、负大等7个语言变量值，在本论文中，用一下7 个变量NB、 NM 、NS、ZE、PB、PM 、PS来表示语言变量。骁顾燁鶚巯瀆蕪領鲡赙。3 双闭环直流调速系统的仿真3.1 直流电机系统采用控制的主要原因由于PID控制用途广泛、 使用灵活，PID系列的产品已经快要到成熟的地步。而且PID控制结构简单，所以PID控制器只需对比例、积分和微分3个参数的进行设定。有的时候在系统控制中也可以只有两个参数，但是不管怎么操作它的比例控制单元是不可或缺的，那么我们有以下三个主要原因使用PID控制来对电机进行控制。瑣钋濺暧惲锟缟馭篩凉。1)PID应用范围广虽然许多工业过程是时变的或非线性的，但是我们只需通过对它进行简化就可以改变成动态特性不随时间变化和基本线性的系统，这样就可以到达精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 13 页，共 30 页PID的可控制。鎦诗涇艳损楼紲鯗餳類。2) PID参数较易整定PID的参数pK，iT和dT可以根据控制过程的动态特性及时进行参数整定。如果在控制过程中动态特性变化，比方在电机运行过程中由负载的变化而引起系统动态特性变化，那么，PID参数就可以重新整定。栉缏歐锄棗鈕种鵑瑶锬。3)PID控制器在实践中也不断地得到改良在科技不断进步的同时，PID控制器也在不断地升级和完善。PID控制器也逐步发展为最简单、最实用的控制器。3.2 系统采用控制主要解决的问题41) 启动的快速性问题由于PI调节器具有非线性的特性，所以在电机性能容许的情况下，让电机起动的速度加快。在系统调节的过程中，比例环节在反映速度控制过程中的偏差的同时还可以自动按照比例进行调节，在最短的时间内减小偏差。虽然比例环节可以减小偏差但还会产生静差，此时可以加入积分环节来消除静差，而积分环节作用的强弱主要取决于积分时间常数T的大小，T越大积分作用越弱，反之积分作用就越弱。辔烨棟剛殓攬瑤丽阄应。2）提高系统的抗扰性能在设计中转速环和电流环的设计都应用PI调节器，如果系统中加入PI调节器，就可以提高系统的抗干扰性能，还可以对于电网电压以及负载转矩的波动产生的扰动进行抑制和调节，而且还可以加快调节时间。峴扬斕滾澗辐滠兴渙藺。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 14 页，共 30 页3.3 电机参数的选取和计算在本次设计中，设计指标定为电流的超调量为%5i，空载起动到额定转速时的转速的超调量为%10n。过载倍数5.1，取电流反馈滤波时间常数sToi002.0，转速反馈滤波时间常数sTon01. 0。取转速调节器和电流调节器的饱和值为V12，输出限幅值为V10，额定转速时转速给定VUn10。仿真观察系统的转速、 电流响应和设定参数变化对系统响应的影响11。詩叁撻訥烬忧毀厉鋨骜。3.4 搭建模型在本次设计中主要使用MATLAB 中 Power System 模块来搭建直流电机模型。主回路部分、交流电源、晶闸管整流器、触发器、移相控制环节和电动机等环节使用Power System 模型库的模块。控制回路的主体是转速和电流两个调节器，以及反馈滤波环节，将这几部分拼接起来，即组成了晶闸管-电动机转速电流双闭环控制直流调速系统的仿真模型11。则鯤愜韋瘓賈晖园栋泷。3.5 双环的设计4在本次设计中主要遵循转速外环，电流内环的原则。先设计电流环，再设计转速环。电流截止负反馈环节只能限制电流的冲击，防止出现过电流的现象。而在转速负反馈控制中，系统的被调节量是转速，所检测的误差也是转速。所以在直流电机的调速系统中只用一个调节器很难实现对转速和电流的控制，所以必须选用两个调节器，把转速环定为外环，电流环为内环。在设计时需要将电流调节器串接在转速调节器的后面，这样就可以形成以转速环作为外环、电流环作为内环的双闭环直流调速系统。胀鏝彈奥秘孫戶孪钇賻。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 15 页，共 30 页在电机起动和制动的过程中，刚开始电流环开始运行并保持系统的电流，在一定的范围内减小过渡过程的时间。当系统系统的转速到达给定转速时， 系统就会自动进入转速控制的方式，此时转速闭环控制开始起主导作用，而电流内环起跟随作用，使实际电流迅速跟随给定值，以保持转速的恒定。在设计中对于转速环和电流环的调节都选择采用PI调节器，这样就可以更鳃躋峽祷紉诵帮废掃減。好的改善系统的静、动态性能4。电流双闭环调速系统的原理如图3.1，系统动态结构如图 3.2。图转速、电流双闭环调速系统的原理图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；精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 16 页，共 30 页11sTon11sToiACR1ssTk11isTRSTRm01C1sToi1sTonASR+-+图转速、电流双闭环调速的系统动态结构图电流调节器的参数计算如下：电流反馈系数为05.01365.110nomimIU电动机转矩时间常数为161.0132.055. 937585.253. 337522memCCRGDTs 电动电磁时间常数为076.085.210)16200(31SRLTs 三相晶闸管整流电路平均失控时间为0017. 0Ts 电流环的小时间常数为0037.0002.00017.0oisiTTTs 精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 17 页，共 30 页根据设计要求以及选取的参数，电流环设计为I 型系统，其传递函数为ssKsKKSWiiiipiACR11)(1其中：076.01TiS 84.284.37272. 00037.0285.2076.02siiiKTRK0268.084.2076.01iiiKK3.5.2 转速环设计转速调节的参数计算如下：转速反馈系数为rVrVnUnomnommin00667. 0min150010为了加快电机转速的调节速度，转速环设计为型，并且选中频段5h，其传递函数为ssKsKKSWnnnnpnASR11)(1其中：ssTThhToninn087.0)01.00037.02(5)2(49.100174.085.200667. 052161.0132.0272.062)1(nmenRThTChK0083. 048.10087.01nnnKK精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 18 页，共 30 页3.6 双闭环直流调速系统的仿真结果根据以上的参数计算、设计原则以及原理框图，在simulink 系统可搭建如图的仿真模型。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 19 页，共 30 页10unuducubuatetContinuouspowerguinifiav+ -cav+ -bcv+-ab1v+ -abgABC+-UniversalBridge0.0070.01s+1TransferFcn30.050.002s+1TransferFcn21s+1TransferFcn110.01s+1TransferFcnaToWorkspacealpha_degABBCCABlockpulsesSynchronized6-PulseGeneratorSaturation2Saturation1SaturationRampnode10node10LD-K-Gain490-(9*u)FcnDemuxmA+F+A-F-dcwDCMachine0Constant1ClockIn1Out1ASRIn1Out1Out2ACR220v图 3.3 仿真模型精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 20 页，共 30 页转速环的子系统如下列图1Out11sIntegratorLimited-K-Gain1-K-Gain1In1图转速环子系统电流环的子系统如下列图：2Out21Out11sIntegratorLimited1-K-Gain3-K-Gain21In1图 3.5 电流环的子系统仿真结果如图精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 21 页，共 30 页图直流电机调速系统仿真结果结果分析：从上图可以看出，加入PI之后，系统稳定时间较长，控制效果不是最正确的，但最终转速可以稳定在额定转速。其中比例环节是一种简单的调节作用，由于控制输出作用力的大小与系统的偏差有很大的关系，并且是正比例关系。比例调节的作用不仅与偏差的产生有关系，而且更主要的是取决于比例增益的大小。但是比例增益太大时，会引起自然振荡。比例调节的缺点就是不能消除静态误差，影响控制的精确度，而消除静态偏差有效的方法就是加入积分环节。在系统运行过程中如果出现静态偏差，那我们就可以对输入的偏差进行积分，使调节器的输出不断的变化，直至到达新的稳定值消除静态偏差为止。加入积分环节后可以改善系统的静态性能。稟虛嬪赈维哜妝扩踴粜。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 22 页，共 30 页4 模糊PID在直流调速系统中的仿真4.1 模糊PID控制器的设计要设计一个模糊控制器最重要的是要将输入输出的变量进行模糊化，在论文中我将误差和误差变化率作为模糊逻辑控制器的输入，输出量为系统控制量pk、ik。首先将输入量进行模糊化， 再根据模糊规则得出模糊控制决策输出控制量，最终将模糊化计算后得到精确的控制值来控制被控对象。陽簍埡鲑罷規呜旧岿錟。现在的工业过程越来越复杂，许多被控对象会随着外界干扰的增加，它的结构会发生一定的变化，为了使控制效果到达最正确状态，人们把自己的经验、理论知识以及 PID 相结合改善了系统的控制效果。模糊 PID 控制也是以误差和误差变化率为输入量，以此满足 PID 参数子整定的要求。沩氣嘮戇苌鑿鑿槠谔應。模糊 PID 控制同样是以误差和误差变化率作为输入的其结构图模糊化模糊控制算法模糊判决被控过程d/dtREECUuyee模糊控制器+_图4.1 模糊PID控制结构图在图中，R为系统的设定值，y为系统输出， eu和e分别是系统的误差精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 23 页，共 30 页和误差的变化率，同时eu和e也是作为模糊控制器的输入，而u为控制器输出的控制信号， E、EU、EC为模糊化后的模糊量。由系统框图可以知道模糊控制系统属于双闭环控制系统，模糊控制器主要包括3 个功能环节：模糊化环节用于输入信号处理 ，模糊控制算法功能单元，以及模糊判决环节用于输出解模糊化 。钡嵐縣緱虜荣产涛團蔺。4.2 模糊规则表的建立4.2.1 模糊规则库的建立方法（1）对模糊模型的控制（2）专家经验法（3）观察法（4）自组织法4.2.2 模糊规则库建立过程模糊规则是根据人的直觉思维进行推理判断，然后通过对系统输出的误差及误差的变化率的调节来消除系统误差的模糊控制规则。模糊控制器通常由电脑或单片机构成，控制过程为先由电脑采集被测参数的精确值，并同时将精确值值与结定值相比较后得出误差e，再将误差的变化率ec作为模糊控制器的输入变量。将e、ec经过模糊化后得到模糊量E 和EC。再利用E和EC得出模糊规则表。为了简化设计，先设定输入输出的语言变量值相同，分别为NB、NM、NS、ZE、PB、PM、PS，经过以上的步骤就可以得出相应的隶属度函数表。 。如表所示懨俠劑鈍触乐鹇烬觶騮。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 24 页，共 30 页表iK模糊控制规则表pkNB NM NS ZO PS PM PB NB PB PB PM PM PS ZO ZO NM PB PB PM PS PS ZE ZE NS PM PM PM PM ZO NS NS ZO PM PM PS ZO NS NM NM PS PS PS ZO NS NS NM NM PM PS PE NS NM NM NB NB PB ZO ZO NM NM NM NB NB 表pK模糊控制规则表ikNB NS NM ZO PS PM PB NB BB NM NM PM NM ZO ZO NM NB NB NM NS NS ZO ZO NS NB NM NS NS ZO PS PS ZO NM NM NS ZO PS PM PM PS NM NS ZO PS PS PM PB PM ZO ZO PS PS PM PB PB PB ZO ZO PM PM NM PB PB 4.3 仿真模型的建立在整个直流调速系统中，转速环起主导作用，而电流环只是调节电流，所以在设计过程中转速环选择采用模糊控制器，可以建立如下的仿真控制模型。謾饱兗争詣繚鮐癞别瀘。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 25 页，共 30 页10unuducubuatetContinuouspowerguiIn1In2Out1Out2pinifiaIn1Out1fuzzyv+ -cav+ -bcv+-ab1v+ -abgABC+-UniversalBridge0.0070.01s+1TransferFcn30.050.002s+1TransferFcn21s+1TransferFcn110.01s+1TransferFcni1ToWorkspace2n1ToWorkspace1yToWorkspacealpha_degABBCCABlockpul sesSynchronized6-PulseGeneratorIn1Out1Out2Subsystem1Saturation2Saturation1SaturationRampnode10node10LD-K-Gain4-K-Gain190-(9*u)FcnmA+F+A-F-dcwDCMachine0Constant1ClockAdd220v图 4.2 仿真控制模型将模糊控制器的部分封装为子系统，仿真模型如图所示精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 26 页，共 30 页1Out1Saturation4Saturation3-K-Gain2-K-GainFuzzy Logic Controller3du/dtDerivative1In1图 4.3 FUZZY 控制器子系统图4.4 仿真结果图 4.4 模糊 PID 仿真结果图仿真结果分析：从图可以看出，在加入模糊控制器后，电机起动速度很快，系统的响应也速度快, 调节精度高 , 稳态性能好 , 而且超调量较小。呙铉們欤谦鸪饺竞荡赚。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 27 页，共 30 页4.5 小结通过以上两种方法仿真结果的比照，从图 4.4 方案仿真结果比照图中可以明显的看出，模糊PID 控制效果优于PI 调节器的控制效果。从下面两个图的比照中可以得出：在PI 调节器的控制下，电机的转速稳定大概在0.8秒之后，调节时间较长，而且有较大的超调量，抗干扰能力比较差，震荡也很大。而在模糊控制器的控制下，电机的转速稳定是在0.2 秒之后，调节时间快。莹谐龌蕲賞组靄绉嚴减。图 4.5 方案仿真结果比照图5 总结与展望在拿到设计题目之后，先从字面意思大概设想了论文的总体方向，之后我开始查阅大量的书籍和相关资料对直流调速和模糊控制以及PID有个精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 28 页，共 30 页全面的了解！在明确了课题的背景、目的以及意义之后，在老师的指导下制定了课题研究的方向和实施方案。实施方案主要为：整体采用双闭环直流调速，其中转速环和电流环的设计都采用PI调节器，仿真结果可以看出调节时间较长，而且有较大的超调量，震荡也很大。所以PI控制器并非为最优控制方法，提高系统动态品质等方面，光靠调整PI参数难以获得满意的控制效果。然后对直流电动机的模糊PID 控制进行仿真。最后将两种控制方法进行比照分析后可以发现模糊控制器具有系统响应速度快，动态性能好等优点。麸肃鹏镟轿騍镣缚縟糶。在本次论文设计中主要的收获就是使用MATLAB 里原有的模块进行模型的搭建，由于直流电机的发展已经很成熟，如果只是应用一个二阶的传递函数代替电机的模型，那仿真结果就不够真实，所以我选用MATLAB 里的电机模型来进行