（控制理论与控制工程专业论文）基于dsp的直流脉宽调速系统研究.pdf

基于dsp 的直流脉宽训速系统i 卅究 摘要 随着现代控制理论、电力电子技术和微电子技术的不断发展，现有的运动控制系统正朝 着高精度、高性能的方向不断前进。以m c s 一5 1 为代表的单片机已难以满足系统要求。而电机 控制是一个很复杂的控制问题，它需要大量的计算才能实现，因d s p 既有高性能的d s p 内核，又 有丰富的功能外设电路，且很快的计算速度正好可以解决电机在控制算法方面的复杂性。 为适应时代的发展，直流电动机的控制策略也发生了深刻的变化，脉宽调制技术成为直 流电动机控制的主流技术。智能控制的研究与应用给电气传动的控制策略带来新思路新方 法，以智能控制为核心的全数字直流p w m 调速装置，正处在理论和实验仿真的研究并逐步成 熟阶段中。 本论文在传统的双闭环控制方案基础上，先后研究了p i 控制、模糊控制以及单神经元自 适应控制算法，并进行相互的比较，通过仿真、实验提出一种基丁：数字信号处理器( d s p ) 的 全数字商流p w m 调速系统。充分利用d s p 周边接口丰富、运算速度快的特点，采用模糊控制+ 单神经元白适应控制策略对系统进行控制。仿真与实验结果表明，该系统对于对象参数火范 嗣变化具有根强的鲁棒性和自适应能力，系统的动、静态性能良好。 关键词：模糊控制；单神经元；白适应控制；鲁棒性：数字信号处理器。 基于dsp 的直流脉宽调速系统研究 s u m m a r y b yt h ed e v e l o p m e n to ft h et h e o r yo fm o d e r nc o n t r o l ，p o w e re l e c t r o n i c s a n dm i r o c r o e l e c r o n i c st e c h n o l o g i c s ，i no r d e rt os a t i s f yt h ed e m a n d so ft h em o d e r nt e c h n o l o g i e s ， t h ed e m a n d so fe l e c t r i cd r i v es y s t e ma r em o r ea d a p t i v ec a p a b i l i t ya n dm o r e s t a b il i t yt h ed r i v i n gs y s t e mb a s e do nd s pi sr e p l a c i n gt h es y s t e mb a s e do nm c s 一5 1 b yd s p a d v a n t a g e ss u c ha sh i g h s p e e dc a l c u l a t i o n ，w e a lt h yp e r i p h e r a sa n ds oo i l n o w ，t h ec o n t r o lt a c t i co fd cd r i v i n gs y s t e mh a sb e e ng r e a tc h a n g e s t h ep w md c d r iv i r l gs y s t e mi st h e m a i nd cd r i v i n gm e t h o r d a n dt h ei n t e l l i g e n tc o n t r o ls t r a t e g y i sp r o p o s e di nr e g a r dt ot h ec h a r a c t e r i s t i c so fd cp w md r i v e r i n gs y s t e m i nt h i sa r t i c l e ，f i r s t l yis e tu pt h ee x p e r i m e n t a ls y s t e mo ft h ed o u b l el o o pd c m o t o rc o n t r 0 1s y s t e m ，t h r o u g hc o m p a r e dp ic o n t r o lf u z z yc o n t r o la n ds i n g l eneuron m a t i c s ，【p r e s e n t sd i r e c tc u r r e n tp u l s ew i d t hm o d eo fc o n t r o ls y s t e mb a s e do nd s p ，t h e w e t “t h yp e r i p h e r a sa n dh i g h s p e e dc a l c u l a t o no fd s p ，a n dt h ea p p l i c a t i o no ff u z z y l o g i cc o n t r o l a n dt h eneurons e l f a d a p t i v ec o n t r o lt a c t i c sa r ef u l l yu s e dt oc o n t r o l s y s t e m s l m u l i n ka n de x p e r i e n c er e s u t ss h o wt h a tt h es y s t e mh a sh i g hr o b u s t n e s sa n d s e l f a d a p t a b l i l i t yt op l a n tp a r a m e t e r sv a r i a t i o n sw i t hi n aw i d er a n g e c a nb e o p e r a t e dw i t hg o o dd y n a m i ca n ds t a t i cc h a r a c t e r s k e yw o r d s ：f u z z yl o g i cc o n t r o ls i n g l en e u r o ns e l f a d a p t i r ec o n t r o lr o b u s t n e s s d i g i t a ls i g n a tp r o c e s s o r 基于dsp 的直流脉宽调速系统研究 第一章概述 第一章概述 1 1 电气传动中直流拖动系统的发展概况 电力拖动主要分为直流拖动和交流拖动两大类，直流电动机具有良好的起、制动性能， 宜1 r 在火范飘内平滑调速，直流调速技术的发展已有百余年的历史，并且直流电动机系统在 理论l - ；f 1 实践中比较成熟，从双闭环控制的角度上看，又是交流传动的基础，所以在许多需 要调速或快速正反向的电力拖动领域中得到了，“泛的应用。如：轧钢机、矿井卷扬机、挖掘 机、造纸机、海洋钻机、高层电梯、机器人、数控机床等需要高性能可控电力拖动的领域中 得到庸川。 近一i 十年来，我国的电力拖动控制系统得到迅猛发展，直流拖动控制技术经历了交磁电 机扩人机系统、磁放大器控制、晶体管控制、集成电路控制、计算机控制的发展过程，至今 已进入了一个全新的时期，其主要标志为智能功率集成电路和数字信号处理器的出现，使得 控制系统模块化和全数字化容易实现，长期以来建立在现代控制理论或其它一些复杂控制算 法基础上的控制原理得以快速在线计算及进行对系统的优化处理。究其原因： ( 1 ) 控制理论的发展，出现了最优控制，自适应控制、智能控制等，相应的拖动系统 也在逐步形成。 ( 2 ) 电力电子技术的发展带动拖动系统组成结构的重大变化。经过了第一代、p 控删器 件( 以品闸管为代表) 、第二代全控型器件( g t o 、g t r 等) ，目前己进入第三代和第四代阶段。 第二代功率器, f q 以复合型为标志，如绝缘栅极晶体管0 0 b t ) 、m o s 控制晶闸管( m c t ) 铬， i g b t 兼具m o s f e t 高速、驱动简单的开关特性和g t r 容量大的通态特性。目前1 g b t 己 发展到了第四代，这使得i g b t 在1 m w 以下的功率变换装置中成为首选器件。微电子：1 ：艺 辛电力电子技术的结合使得新一代的功率器件( 第四代) 正朝着模块化、智能化的方向发展( 如 智能功率模块板 p r a ) ，功率器件与驱动、检测、保护电路、甚至连整流电路都集成在一起， 不仅降低了器件的成本，减小了体积，而且安全可靠性得到了大幅度地更高。 ( 3 ) 随着微电子技术的进步，微处理器的运算速度不断提高，其位数也不断增加，随 着各类高性能、高速微处理器和微控制器的出现，各类电气传动装置的控制器已由模拟控制 转向数字控制。全数字控制方式以微处理器作为整个系统的核心，将复杂的控制电路用软件 实现，在较少的硬件支持下，既可以快速的计算出结果，将结果进行综合比较、分析、判断， 最后输出最优选择：又可以对结果进行诊断，发现故障时能及时报警显示，使得人机界面更 为友好，操作更加简易。数字化控制的实现使得调速系统的动静态性能更加趋 i 完善，系统 的可靠性、可操作性、可维护性，即r a s 功能也得以大幅度提高。早期较为流行的方案采 埘单片机米丰句成全数字控制器，这种方案在低成本的调速系统中仍然采用，但随着现代控制 1 基于dsp 的直流脉宽调速系统研究 第一章概述 策略的日益复杂，系统白诊断维护功能的日益强劲，和各种附加的装置的采用( 如有源滤波 装置等) ，一般的单片机已较难实时性的完成如此复杂的算法。目前在高性能的直流调速装 备上，己由最初的8 位、1 6 位单片机发展到了1 6 位、3 2 位的数字信号处理器( d s p ) 与精 简指令级处理器( p o s c ) 。高性能的微处理器的应用是各种先进复杂的控制策略得以实现的 基础。计算机技术莆j 通信技术的发展，开创了拖动控制系统蓬勃发展的新时代。过去采用旋 转变流机组来实现直流电动机的调速，6 0 年代，出现了晶闸管整流装置( 、l - m 系统) ，而 全控璀电力器件的问世，出现直流脉宽调速系统。直流脉宽调速系统与v _ m 系统比较，p w m 系统在很多方面有较大的优越性，如： ( 1 ) 电路线路简单，需用的功率器件少； ( 2 ) 开关频率高，电流容易连续，谐波少，电机损耗及发热都较小； ( 3 ) 低述性能好，稳速精度高，调速范围宽，可达1 ：1 0 0 0 0 左右： ( 4 ) 若与快速响应的电动机配合，则系统频带宽，动态响应快，动态抗扰能力强； ( 5 ) 功率开关器件工作在开关状态，导通损耗小，当开关频率适当时，开关损耗也不 大，因而装置效率较高； ( 6 ) 直流电源采用不控整流时，电网功率因数比相控整流器高。 由于上述优点，直流p w m 调速系统的应用日益广泛，特别是在中、小容量的高动态性能系 统中，已经完全取代了v m 系统。 1 2 智能控制在电气传动系统中的应用 智能控制是一门新兴的理论和技术，它的发展得益于许多学科，其中包括人： 智能、现 代臼适应控制、最优控制、神经元网络、模糊逻辑、学习理论、生物控制和再励学习等。以 上每一个学科均从不同侧面部分地反映了智能控制的理论和方法。同时，智能控制又是一个 尚不成熟的学科。 智能控制技术在科学和工程技术中越来越厂泛地得到应用。专家系统知识、逻辑人工神 经网络和遗传算法技术都属于即将到米的人工智能领域。人工智能技术在家用电器、电力系 统、r 业和交通系统及医疗设备等方面的应用越来越多。人工智能技术通过提供更友好的用 户界面，有效地提高系统的动态性能，已经得到了广泛的应用。 人二 智能从根本上讲是把人的智力嵌入到机器中，这样机器就可以像人一样思考。人脑 是世界上最复杂的机器，我们很难理解它对复杂问题的思维、学习和推理中所表现出的行为。 尽管人工智能技术远远不如自然界的智能，但是它可以帮助人们解决科学和技术中碰到的一 些复杂的问题。而且人工智能在某些方面优于人类的智能。融合了人一r 智能技术的计算机在 处理问题时速度楚极快，同时它可以连续不停地工作，而且它解决问题的能力不会受情绪及 其它人类缺点的影响。 基丁人1 智能技术的高级控制称为智能控制。智能控制不需要精确的数学模型。它可以 2 基于dsp 的直流脉宽调速系统珂究 第一章概述 形象化的被看成自适应控制的一种。在此，对模糊控制和神经网络各自的特点进行描述。 1 2 1 模糊控制 1 9 6 4 年美国的l a z a d e r 教授创立了模糊集合理论，1 9 7 4 年英国的e h m a m d a n i 研制出 第一个模糊控制器。模糊控制不需要了解对象的精确数学模型，根据专家知识进行控制。 由于模糊控制主要是模仿人的控制经验而不是依赖控制对象的模型，因此模糊控制器实 现了人的某些智能。它也是智能控制的一个重要分支。，模糊系统可以看成是一种不依赖于 模型的估计器，给定一个输入，便可以得到一个合适的输出。它主要依赖模糊规则和模糊变 姑的隶属度函数，而无需知道输入与输出之间的数学依存关系。模糊系统也是一种可以训1 练 的f | ：线性动力学系统，因而在最近十多年来发展十分迅速，这主要归结于模糊控制器的一些 【岿盟的特点： ( i ) 无需知道被控对象的数学模型，它是以人的控制经验为依据而设计的控制器，故无 需知道对象的数学模艰。 ( 2 ) 是一种反映人类智慧思维的智能控制，采用人类思维中的模糊量，如“高“呻“f 氐” 等，控制量由模糊推理导出。这些模糊量和模糊推理是人类智能活动的体现。 ( 3 ) 控制规则易于接受。 ( 4 ) 构造容易，模糊控制算法用软件易于实现。 ( 5 ) 鲁棒性好，模糊控制系统无论被控对象是线性的还是非线性的，都能执行有效的控 制具有良好的鲁棒性和适应性。 1 2 2 神经网络控制 近年来，神经网络研究越来越受到重视，它在控制中的应用就是其中一个主要方面。神 经劂络在许多方面试图模拟人脑功能，并不依赖于精确的数学模型，因而显示出具有自适应 利白学习功能，因此适合用作智能控制的研究_ 【：具。从本质上看，神经网络是一种不依赖模 型的a 适应函数估计器，即不需知道输出和输入之间存在什么数学关系，而通常的函数估计 器则依赖于数学模型。当给定的输入并不是原来训练的样本时，神经网络也能给出台适的输 出，即它具有泛化功能。 将神经网络应用于控制领域，是因为与传统的控制技术相比，它有以下重要的特征和性 质： ( 1 ) 非线性。神经网络在理论上能够以任意精度充分逼近任意复杂的非线性映射，这 就给控制理论中的斟难的非线性问题带米了希望； ( 2 ) 分布式存储信息。所有定量或定性的信息都等势分布存储于网络内的各神经元， 各神经元之间j “泛连接，这样，即使网络中部分单元损坏，也不影响整体的性能，故有很强 的鲁棒性 i j 容错性； ( 3 ) 采州并行分布处理方法，使得快速进行人餐运算成为可能： ( 4 ) 可学习利自适应性，利用系统过去的记录，可对网络进行训练，受适当训练的网 3 基于dsp 的直流脉宽调速系统研究 第一章概述 络有能力泛化，即当输入出现训练中未提供的数据时，网络也有能力进行辨识。 ( 5 ) 能够同时处理定量和定性知识。 神经网络用于控制领域的时间虽然不长，但却建立了许多有效的控制方法，其中比较典 型的神经网络控制系统有：神经元自适应控制系统、白学习神经控制系统、神经内模控制系 统利神经非线性预测控制系统等。从理论上讲，由于神经网络具有很强的信息综合能力，在 计算机速度能够保证的条件下，可以解决任意复杂的控制问题。遗憾的是，由于缺乏相应的 神经网络计算机硬件的支持，试图利用串行方法来模拟神经网络机理以解决实时控制问题， 显然还很难满足实际需要。近年米，单神经元构成的控制器引起了控制界的广泛兴趣。针对 电气传动系统的控制特点，采用单个神经元实现的白适应控制，己足以解决它对非线性控制 和提高鲁林性的要求。 “_ _ 1 w o x 1 一h i x 2 h 图卜1单神经元结构图 神经元的输出y 为： y2 f ( 。+ w f t ) 式l l 上图是简化的神经元结构，它是一个多输入、单输出的非线性元件，神经元的激励输出 是一组连续输入信号x i ( i = l ，2 ，n ) 决定，y 为神经元的连续输出状态值，在离散情况下，y 取。或多或少来表示神经元的兴奋或抑制。w i 为权系数( w o = e ) ，0 为阀值，f ( x ) 表神经元的激励 函数阀值型非线性激励函数表示。 常用的几种学习规则： ( 1 ) 无监督h e b b 学习规则 神经心理学家h e b b 提出，其基本思想是：如果两个神经元同时被激活，则它们之间的联 结强度的增强与它们激励的乘积成比例，以w i 表神经元i 的激活值，w j 表神经元i 的激活值， w i j 表神经元t i j 的联结权值，即可表示 a w 。( k ) = t l w ，( k ) m ( k ) 式卜2 式中，n 为学习速率。 ( 2 ) 监督a g d e l t a 学习规则 4 p 一 一 一 一 ， 一 一 一 基于dsp 的直流脉宽调速系统研究 第一章概述 在 e b b 学习规则中，引入教师信号，即将w j 换成蒂望输出d j 与实际输出。j 之差，就构 成有监督的d e l t a 学习规则 a w 。( k ) = w ( k ) ( d j ( k ) 一o ，( k ) ) 式1 2 3 ( 3 ) 有监督的h e b b 学习规则 将无监督h e b b 学习规则和有监督的d e l t a 学习两者结合起来就构成有监督的h e b b 学习 规则 w ，( k ) = q w ( k ) ( d ( k ) 一o ，( k ) ) w ( k ) 式卜4 1 3 论文研究的内容及主要工作 则传动控制系统而肓，总希望设计一个具有良好性能( 稳定、快速、无静差等) 的系统， d 并利r 扰动r ( 如负载扰动、系统参数变化等) 能基本保持性能不变，这就是电气传动 系统的鲁粹性。目前在壹流凋速系统中，广为采_ ；h 的是传统的p i d 调节的双闭环模拟或数字 调速系统。p i d 控制具有结构简单、稳定性好、可靠性高等优点。经典反馈控制的首要目的 是在保证系统稳定的前提下，尽量增强控制系统的鲁棒性即经典控制方法只能提供相当小 范围的系统鲁棒性，但随着现代工业对调速系统的性能要求越来越高，再加上p i d 参数本身 很雉整定，自适应能力著，因此难以保证系统具有良好的控制性能。即系统的鲁棒性不能尽 如人意。而智能控制可利用其非线性、变结构、自寻优等各种功能来克服上述缺点。总的说， 在赢流调速系统中使用智能控制方法，并非象许多控制对象那样是出于建模的困难，而是希 望州一些新的方法来克服电气传动对象的变参数、非线性等不利因素，以提高系统的鲁棒性。 所以人工智能是直流传动的发展趋势，以智能控制为核心的全数字直流调速装置，正处 在理论和实验仿真的研究并逐步成熟阶段中，本论文在传统的烈闭环控制方案基础上，先后 i j f 究了改进p l 控制、模糊控制以及单神经元自适斑控制算法，并进行相互的比较，通过仿真、 实验让明三者的控制效果都优于常规p i 控制，系统的鲁捧性提高。 主要一j ：作： ( 1 ) 直流脉宽调速系统的设计，转速调节器分别设计为常规p i 、改进p i 、模糊控制+ 单神 经元白适应控制器： ( 2 ) 应用计算机仿真软c f m a t l a b 对不同调节器设计的系统进行鲁棒性能研究； ( 3 ) 对电机控制专用数字信号处理器t m s 3 2 0 f 2 4 0 进行研究，完成基于f 2 4 0 开发平台的 直流脉宽调速系统的硬、软件设计，并基于此系统用c 2 0 0 0d s p 汇编语言实现以上各种控制 算法，对1 5 k w 电机进行实验。 基于dsp 的直流脉宽调速系统研究 第二二章直流脉宽调速系统的控制方案 第二章直流脉宽调速系统的控制方案 2 1 他励直流电机调速方法 根据直流电动机转速方程： u 一腰 拈i 歹 式2 1 式中n 一转速( r m i n ) ； u 一电枢电压( v ) ； ，一电枢电流( a ) ； 只 一电枢同路总电阻( w ) ； 庐 一励磁磁通( w b ) ； 疋 一由电机结构决定的电动势常数。 由式2 1 可以看出，有三种方法调节电动机的转速： 1 ) 调节电枢供电电压u 。 2 ) 减弱励磁磁通庐。 3 ) 改变电枢回路电阻r 对丁要求在一定范围内无级平滑调速的系统来说，以调节电枢供电电压的方式为最好。 改变电阻只能有级调速：减弱磁通虽然能够平滑调速，但调速范围不大，往往只是配合调压 方案，在基速( 额定转速) 以上作小范围的弱磁升速。 冈此，白动控制的直流凋速系统往往以调压调速为主，常用的可控直流电源有以下三种： 1 ) 静i i 式可控整流器用静r 式的可控整流器获得可调的直流电压。 2 ) 旋转变流机组用交流电动机和直流发电机组成机组获得可调的直流电压。 3 ) 直流斩波器或脉宽调制变换器用恒定直流电源或不控整流电源供电，利用电力 电子开关器件斩波或进行脉宽调制，产生可变的平均电压。 2 2 直流脉宽调速系统简介 自从全控型电力电子器件问世以后，就出现了采用脉冲宽度调制( p w m ) 的高频开关 控制方式形成的脉宽调制变换器。直流电动机调速系统，简称直流脉宽调速系统，即直流 p w m 调速系统。p w m 变换器的作用是：利用p w m 调制的方法，把恒定的直流电源电压调 制成频率一定、宽度可变的脉冲电压系列，从而可以改变平均输出电压的大小，以调节电机 转速。 p w m 变换器电路有多种形式，主要分为不可逆与可逆两大类，f 面主要阐述桥式可逆 6 篁三童皇鲨堕童塑望茎竺塑笙型查壅一 p w m 变换器的工作原理。 可逆p w m 变换器主电路有多种结构形式，最常用的是桥式( 亦称h 形) 电路，如图2 1 所示，这时，电动机m 两端电压的极性随开关器件工作方式的变化而改变，其控制方式有双 极式、单极式、受限单极式等多种，本文采用了最常用的双极式控制的可逆p w m 变换器。 ， + u 。 u 口 图2 1 桥式可逆p w m 变换器 烈极式控制方式的工作原理： 1 ) 正向运行第1 阶段：在0 f t o n 期间， u g l 、u 9 4 为正，v t l 、v t 4 导 通，u 2 2 、【k 3 为负v t 2 、v r 3 截t r ，电流i d 沿回路1 流通，电动机m 两 端电压u a b = + u s ： 第2 阶段：住f o n t z 期间，u 9 1 、u 9 4 兰j tv t l 、v 1 4 截止，v d 2 、v d 3 续流，前钳位使v t 2 、v t 3 ( l k ，电流i d 沿回路2 流通，电动机m 两端 电压u a b = 一u s ； 2 ) 反向运行第1 阶段：在0 f t o n 期间，【7 啦、3 为负，v t 2 、v t 3 截l r ， v d l 、v d 4 续流，并钳位使v t l 、v t 4 截止，电流- d 沿回路4 流通，电 动机m 两端电压u a b = + u s ： 第2 阶段：在f o n r t 期问，2 、【7 9 3 为正，v t 2 、v - r 3 导通，1 、u 9 4 为负，使v t l 、v t 4 保持截止，电流一i d 沿同路3 流通t 电动机m 两端电压 u a b = 一u s ： 输山i 波形如幽2 2 ： 7 基于dsp 的直流脉宽训速系统研究 第二章直流脉宽调速系统的控制方案 + u u d l ，一， 、i t t f 一【， ， u ，i o + u ， t t 上， ，一 e u ( 1 ) 正向电动运行波形( 2 ) 反向电动运行波形 图2 2 输出波形一 蛆j = = 述l 。作原理得，敬极式控制可逆p w m 变换器的输出平均电压为 u 广等卧t - - 丁t o n 卟( 争一城 越： 式中丁一晶闸管的开关周期： 垴n 一开通时间； ，一占空比，r = t o n ，t = t o n ，( 其牛i ，为开关频率) 改变f ( 0 r 1 ) 即可调节电机的转速，若令d = u d u s 为p 、m 电压系数，调速 时，r 的可调范围为0 ”11 = e t h e n y ( k ) = l l ( k - 1 ) + k i e ( k ) 舰j l ! l j ( 2 ) ：i fe ( k ) = 一e ，t h e ny ( k ) = u ( k - 1 ) + k i e ( k ) 规则( 3 ) ：i fa b s ( e ( k ) ) e ，t h e ny ( k ) = t l ( k - 1 ) + a e ( k ) 一b e ( k - 1 ) 式中e 是设定控制量，h 、b 、离散化后的运算系数是正数。 常规p i d 控制具有结构简单、稳定性好、易于： 程实现等优点，但该方法过分依赖于控 制对象的模型参数，鲁棒性较差，对于复杂系统的控制，直流调速系统，其负载、模型参数 的火范同变化以及非线性因素的影响，使得常规p i d 控制难以达到满意效果。 在高性能的调速系统中，仅仅靠调整p 1 参数难以同时满足各项静、动态性能指标。微机 数字控制系统具有根强的逻辑判断羽i 数值运算能力，我们应充分应用这些能力，再加上对直 流电机和控制规律的知识，以智能的方式衍生山多种改进算法，提高系统的控制性能。 为此，本文提出参数白适应模糊控制+ 单神经元p i d 的调节器设计，实验证明了该系统具 有较高的可靠性利鲁棒性。 2 4 2 参数自适应模糊控制+ 单神经元p i d 调节器设计 一、参数自适应模糊控制 近年来，模糊控制在控制领域中的研究已取得了很火进展。但模糊控制在电气传动控制 中的应用目前尚见不多，主要原因在于虽然电气传动控制中所采用的功率器件具有1 f 线性或 时变特性，但控制的响应速度要求较快，因此存在着如何在较短的采样周期( 一般是m s 到几十 基于dsp 的直流脉宽调速系统研究 第二章直流脉宽调速系统的控制方案 i l l s 级) 内完成复杂的模糊控制算法的问题：另外电气传动控制中给定变化频繁且变化幅度大， 冈此如何快速地跟踪给定，且在各种情况r 保证系统稳定。 实际应州中，模糊控制实现方法常采用查表法米提高响应速度，但一张较理想的模糊控 制表须反复精心调整，模糊化因子和精确化因子选择都会影响系统品质。当规则过多编程复 杂，- 过多时空资源，不宜实时控制。 1参数校正 图2 4 参数自适应模糊控制系统框图 近年来，模糊控制在控制领域中的研究己取得了很大进展。但模糊控制在电气传动控制 中的麻用目前尚见不多，主要原因在于虽然电气传动控制中所采用的功率器件具有非线性或 叫变特性，但控制的响应速度要求较快，因此存在着如何在较短的采样周期( 一般是m s 至l j ) l 十 m s 级) 内完成复杂的模糊控制算法的问题：另外电气传动控制中给定变化频繁且变化幅度大， 冈此如佃快速地跟踪给定，且在各种情况下保证系统稳定。 实际应用中，模糊控制实现方法常用查表法来提高响应速度，但一张较理想的模糊控制 表须反复精心调整，模糊化因子和精确化因子选择都会影响系统品质。当规则过多编程复杂， - 过多时空资源，不宜实时控制。 模糊控制器的设计包括三部分：模糊控制器输入输出量的选取和模糊化：控制规则的选 取；输出控制茸的决策。 在此模糊控制器选用典型的双输入单输出模糊控制器，误差信号e 及误差变化率信号e c 经模糊化得到模糊量e 及e c ，调用规则推理分析得到模糊控制量u ，经决策清晰化得到精确控 制姒- 。往控制器中引入参数白校正机制，根据偏差e 分别对量化因子k 。、k 。k 。进行在线调 怡。如图2 1 所示。 系统中，e 、e c 、u 的模糊语言值分别取为p b ( 止大) 、p m ( 正中) 、p s ( 正小) 、z ( 零) 、 n s ( 负小) 、n m ( 负中) 、n b ( 负大) 对误差e ，误差变化e c 和控制量u 的模糊集及其论域定义如一f ： e ，e c ，u 的模糊子集为 n b ，n m ，n s ，0 ，p s ，p m ，p b 。 e ，e c ，u 的论域为 一6 ，一5 ，一4 ，一3 ，一2 ，一1 ，0 ，l ，2 ，3 ，4 ，5 ，6 。 控制推理规则见表2 1 ，它们之间是与的关系，控制规则采川 基于dsp 的直流脉宽调速系统研究 第二章直流脉宽调速系统的控制方案 “i f ( c o n d i t i o n ) t h e n ( a c t i o n ) ”的形式，例如第i 条规则为i fei se ia n de ci se c it h e n ui s u i 表2 1模糊控制推理规则 惑 b i bn m n s zp sp mp 1 3 n bn b n b n m n szzz n mn bn bb i nn szzp s n sn bn k lh i mzp sp sp s z n m n m n szp sp sp m p sn sn szzp mp mp b p mn szzp sp mp bp b p bz zzp sp mp bp b 选择二角形幽数为它们的隶属函数，通过系统地研究变量隶属函数的分布对模糊控制系 统7 肚能的影响，有如r 结论：e 的隶属函数呈不对称集中分布有利于增加系统速度响应的 快述。n ：和缩短在负载扰动f 的速度恢复时间，但过于集中分布可能会产生速度超调；e n 隶 属函数 不对称发散分布时系统响应速度变慢；e c 的隶属函数呈不对称发散分布有利于加 快系统响应的快速性和缩短在负载扰动下的速度恢复时间；u 的隶属函数分布对系统性能 影响不大，只是u 的隶属函数呈不对称发散分布时的系统的抗扰动能力稍有增强。 e 的隶属函数应呈超集中分布，n b ：卜。，一6 ，一2 3 4 ) ；n m ：卜6 ，一2 3 4 ，一o 3 ； n s 卜2 ，3 4 ，一0 3 ，0 ) ；z - 一0 3 ，0 ，0 3 ；p s ： 0 ，0 3 ，2 3 4 ) ；p m ( 0 3 ，2 3 4 ，6 】：p b 2 3 4 ，6 ，+ o 。) ： e c 的隶属函数应呈微集中分布，n b ： 一，一6 ，一3 5 4 ；n m ：( 一6 ，一3 5 4 ，一1 ，5 ) ： n s 卜35 4 ，一1 5 ，0 ) ；z - 卜1 5 ，0 ，1 5 ；p s ：( 0 ，1 5 ，3 5 4 ；p m 1 5 ，3 5 4 ，6 ) ：p g 3 5 4 ，6 ，+ o 。) ； u n 隶属函数应呈发散分布，n b ：卜。，一6 ，一4 7 4 ) ：n m ： 一6 ，一4 7 4 ，一18 ) ： n s i _ 4 7 4 ，一1 8 ，0 ) ；z ： 一l _ 8 ，0 ，1 8 ) ；p s ： 0 ，1 8 ，4 7 4 ) ；p m 1 8 ，4 7 4 ，6 ：p b 4 7 4 ，6 ，+ 。o 由专家经验知：随着给定r 的变化，也即随着r 的减小，模糊化因子k e 、k e c 应增大，解 模糊因子k u 逐步减少，即可使系统在给定大幅度变化时均保持稳定且性能较好。 k e 对系统的稳态误差、控制精度和动态响应速度均有影响。k e 增大能减小稳态误差从而 提高控制精度，适当的k e 能加快系统的响应速度，k e 太大会使基本论域过于缩小从而使过渡 过群产生较大的超调，甚至导致系统不稳定。k e e 增大，有利于加快系统响应速度，减少超 凋，冈为此时相当于缩小了误差变化的基本论域，增加了误差变化量的控制作用，从而可在 误差变化较小时即施以控制作剧，遏制了误差进一步变化趋势。k u 增大，相当于加大了控制 鼙值，将导致系统上升时间减小超调加大，k u 过大甚至导致系统振荡，而过小的k u 使系统 动态响应过程变长：一般而言，k u 对系统的稳态误差无影响。 根据以上思路，本论文提出依据偏差分别对三个量化k e 、k e c 、k u 进行在线调整。调整 基于dsp 的直流脉宽训速系统研究 第二章直流脉宽调速系统的控制方案 规则是保证系统快速无超调的启动制动，在模糊控制器中引入参数自校正机制，实际是扩大 r 模糊推理规则。通过仿真结果发现，当误差较人时，控制系统任务是消除误差，此时应增 人误著系数k u ；相反，当误差较小时，系统已接近稳态，控制系统的任务是使系统尽快稳定， 为此必须减小超调，应增大k c 作用，应用修正因子法建立的模糊控制便具有这样的特点。 经反复研究，本文提出一种带自调整因子的模糊控制器，它根据误差的大小，对误差e 和误著变化e c 进行不同的加权。对二维模糊控制系统，当误差较大时，控制系统的主要任务 是消除误差，这时对误差在控制规则中的加权应大一些；相反，当误差较小时，此时系统已 接近稳态，控制系统的主要任务是使系统尽快稳定，为此必须减小超调，这就要求在控制规 则中误差变化起的作用大些，即对误差变化的加权大一些，应用修正因子法建立的模糊控制 便具有这样的特点。则模糊模型结构可用一f 3 0 解析表达式来表示，即 u = 式2 5 其中a 取 o ，1 ：运算符 表示一个与x 同号，绝对值等于lxi 四舍五人取整的整数。 根据速度误差e 的当前值采用不同的a 值自调整如f ： u 0 。由式2 1 0 、2 - 1 1 得： 眺叫器叫啦+ 1 ) 鬻 一o e ( k + 1 ，盟铲邓”d 等器 将式2 8 t - l ：x 式2 1 2 得 w m l ) - 町。k e ( k m 等 a w ：( 七+ 1 ) = 叮： z ( k + 1 ) e ( 七) 一e ( 七一1 ) 】i 号并 w m l ) - 啦( n 娜m _ 1 ) + 俨2 ) 】等 上述经规范化后的学习算法可归纳如下式2 一1 3 “( t ) 。“( k - 1 ) + t h ( ) 埘 ) 州) - w + 螂制) 鬻 h ( t ) ：掣 著k 蚓 式2 1 2 在常规p i d 控制中，误差信号e ( t ) 为p i d 控制器输入，u ( t ) 为p i d 控制器输出，有下式 1 7 基于dsp 的直流脉宽调速系统研究 第二章直流脉宽调速系统的控制方案 叱) 音r t + 警】船- t 利用差分方程对式2 - 1 4 离散化，可得式2 1 5 ，p 等扣+ 净睁啦d 】 叫m 卅，降m 啡卜 1 ) + 挚铲2 舻即岬】 式2 - 1 5 m 式2 1 0 得神经元白适应控制规则为： “ ) ：“( t 一1 ) 十七 性 ) e ) + w 2 ) e ) 一e 0 一1 ) + m ) e ) 一2 e ( k 一1 ) + e 一2 ) 式2 - 1 6 比较式2 1 5 、式2 ：1 6 可知，k w l ( k ) 、k w 2 ( k ) 、k w 3 ( k ) 分别相当于常规p i d 控制的积分、比 例、微分系数，但由式2 1 3 可知这三个参数均具有自调整能力，因此该神经元控制器具有自 适应p i d 控制的能力。 四、参数自适应模糊控制+ 单神经元p i d 调节器设计 当控制对象参数未知或变化大时，采用模糊单神经元自适应智能控制，在大误差范围内 采川模糊控制，在小误差范围内采用单神经元自适应控制。控制系统的框例如图2 8 所示。 在小误差范嗣内采硝单神经元自适应控制可以消除模糊控制存在的稳态精度不足的问 题。同时，由上式2 1 3 可知，在误差较大时，单神经元自适应控制的权值调整量很大，使单 神经元控制的超凋增人调整时间加长。而在人误差范围内采用鲁棒性很强的模糊控