（农业机械化工程专业论文）模糊自适应控制技术在变频调速系统中的应用研究.pdf

摘要 随着现代控制理论和电力电子器件、传感技术的发展，尤其是交流电机调速理 论取得了实破性的进展，使得目前电气传动系统中智能控制策略的研究引起了人们 广泛的兴趣。在目i i 交流调速技术中，变频调速是现代电力传动的一个主要发展方 向。它在节电、减少维修、提高产品产量和质量、实现自动化方面作用很大。然而， 与直流电机不同的是，三相异步电机是一个非线性、多变量、高阶、强耦合的复杂 被控对象，很难建立它的精确数学模型。近年来，解决这类问题的有效途径之一就 是采用模糊控制。实践也表明模糊控制用于交流调速系统中有着良好的效果。有关 专家也指出：交流传动在近期的发展趋势之一就是智能控制的引入 本文以蛋品无损自动检测分级课题为背景，为了使系统具有良好的调速性能， 且抗干扰能力强，本论文延续前期的研究成果，根据异步电动机的调速规则，采用 一种自适应模糊控制器，以满足调速性能和调速系统的抗干扰性。 本论文共分5 章；第一章是绪论，简介课题研究背景、技术方法及研究意义： 第二章采用m a t l a b 仿真软件对交流变频调速系统进行仿真，比较了模糊控制器与自 适应模糊控制器在不同条件下的响应特性，得到仿真结果，同时也介绍交流变频调 速系统的硬件实现：第三章中交流变频调速系统中软件部分：编写串口通讯程序，自 适应模糊控制算法程序，控制系统的实时显示程序等：第四章进行试验验证。 本论文得出的实验结果表明，系统软件设计能实现异步电动机转速的实时检测 与控制，参数检测精度达1 个脉冲。设计的自适应模糊控制器i f 确，能有效改善 传统模糊控制器的振荡和稳态误差，超调量小，响应时间短，能有效抑制扰动的影 响，提高系统的稳定性，该系统是一种良好的控制系统。 关键词：自适应模糊控制变频调速仿真 a b s l i i a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fm o d e r nc o n t r o lt h e o r y , e l e c t r i c a lf a c i l i t i e s , c o n d u c t o r t e c h n o l o g y , e s p e c i a l l yt h eg r e a tp r o g r e s so fi n d u c t o rm o t o rt i m i n gt h e o r y a n dn o wt h e r e s e a r c ho fi n t e l l i g e n tc o n t r o ls t r a t e g yi nt r a n s m i ts y s t e mi n d u c e st h eg r e a ti n t e r e s t s f r e q u e n c yc o n v e r tt i m i n gs y s t e mi s o f l eo ft h em a j o rd e v e l o p m e n t si nm o d e r ne l e c t r i c s y s t e m , w h i c hc a nd og o o dt or e d u c ee l e c t r i c ，r e m a i nl e s sr e p a i r , i m p r o v et h eq u a l i t ya n d q u a n t i t yo fp r o d u c t , a n da l s or e a l i z et h ea u t o m a t i o n t h ed i f f e r e n c eb e t w e e na cm o t o r a n dd cm o t o ri st h a tt h ef o r m e ri sh i i g ho r d e r s ，s t r o n gc o m p l e xc o u p l i n g ，n o n l i n e a ra n d m u l t i v a r a b l e ，i ti sd i f f i c u l tt ob u i l di t sa c c u r a t em a t hm o d e l i nr e c e n ty e a r s ，t h ee f f e c t i v e w a yt or e s o l v et h i sp r o b l e mi sa d o p t i n gf u z z yc o n t r 0 1 m a n ye x p e r t si n d i c a t et h a tt h e u s i n go fi n t e l l i g e n tc o n t r o li ni n t r o d u c et r a n s m i ts y s t e mi sad e v e l o pf i e n d t h i sp a p e ru n d e rt h eg r o u n do fn o n d e s t r u c t i v ea u t ot e s ta n dc l a s s i f yp r o c e s s i n g , i n o r d e rt oa c q u i r eg o o ds p e e d a d j u s t e dc h a r a c t e ra n dh i g h p o w e ro fa n t i - i n t e r r u p t t h e t h e s i sb a s e do nt h ep r o a c h i e v e m e n t sa d o p t e dak i n do fs e l f - a d a p t i v ef u z z yc o n t r o l s t r a t e g yt om e e tt h ed e m a n d so fs p e e d a o j u s t e ds y s t e m t h i st h e s i sc o n t a i no ff i v ec h a p t e r s ：f i r s tc h a p t e ri n t r o d u c et h eb a c k g r o u n d s ，t h e t e c h n o l o g ya n dm e a n i n go fs t u d y ；t h es e c o n dc h a p t e ra d o p tm a t l a bs o f t w a r et os i m u l a t e t h es y s t e m ，c o m p a r et h er e s p o n s ec h a r a c t e rb e t w e e nf u z z yc o n t r o la n ds e l f - a d a p t i v ef u z z y c o n t r o li nd i f f e r e n tc o n d i t i o n sa n do b t a i n e dt h es i m u l a t i o nr e s u l t ；t h et h i r dc h a p t e rs h o w e d t h eh a r d w a r eo ft h es y s t e m ；t h ef o r t hc h a p t e ri st h es o f tp a r to ft h es y s t e m ，i n c l u d i n gt h e p r o g r a mo fs e r i a l p o r tc o m m u n i c a t i o n ，t h ea r i t h m e t i co fs e l f - a d a p t i v ef u z z yc o n t r o la n d t h ec o n t r o ls y s t e md i s p l a y i n gp r o g r a mi nr e a l - t i m e ；t h ef i f t hc h a p t e rt e s t e dt h ec o n t r o l s y s t e m t h ee x p e r i m e n ts h o w e dt h a tt h ed e s i g n e ds o f t w a r ec a nr e a l i z et e s t i n ga n d c o n t r o l l i n g t h em o t o rs p e e di nr e a lt i m e ，t h ea c c u r a c yo fp a r a m e t e rt e s ti s 1p u l s e t h ed e s i g n e d s e l f - a d a p t i v ef u z z yc o n t r o l l e ri sc o l l e c t , c a ni m p r o v et h ec o n c u s s i o na n de r r o ro fs t a b i l i t y o fc o n v e n t i o n a lf u z z yc o n t r o l l e ra n di m p r o v et h es y s t e m ss t a b i l i t yw i t hl i t t l e o v e r t o p ， s h o r tr e s p o n dt i m ea n dr e s t r a i nt h ed i s t u r b a n c a k e yw o r d s ：s e l f - a d a p t i v ef u z z yc o n t r o l l e r , s p e e d a d j u s t a b l e ，s i m u l a t i o n 华中农业大学学位论文独创性声明及使用授权书 学位论文题目：模糊自适应控制技术在变频调速学位级别硕士 所在学院工程技术学 系统中的应用研究 ( 系)院 农业机械化工 学科专业导师姓名文友先学生姓名许克风 程 学位论文 是否保密 否如需保密，解密时间年 月 日 ， 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华中农业大学或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料，指导教师对此进行了审定与我一同1 - 作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中做了明确的说明，并表示了谢意 研究生签名：许乞风 时间：矿一侔p l , z e j 学位论文使用授权书 本入完全了解。华中农业大学关于保存，使用学位论文的规定”，即学生必须按 照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本；学校有权保存提交论文的印刷版和电 子版，并提供目录检索和阅览服务，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存，汇 编学位论文本人同意华中农业大学可以用不同方式在不同媒体上发表，传播学位论 文的全部或部分内容。 注：保密学位论文在解密后适用于本授权书 学位论文作者签名：啤蕾风 导师签名：专己文0 签名日期：朋6 年月幻日签名日期： 年石月即日 华中农业大学2 0 0 6 届硕七毕业论文 第一章绪论 1 1 课题背景及意义 随着现代控制理论和电力电子器件、传感技术的发展，尤其是交流电机调速理 论取得了突破性的进展及目前电气传动系统中智能控制策略的研究引起了人们广泛 的兴趣，人们希望借助于对它的研究，使电气控制的性能跃上一个新台阶。 本文以禽蛋自动检测分级系统中的传动部分研究为背景。其中被检对象均是由 输送带传送至检测室，在实际生产过程中为适应不同生产率的需要，完成被检对象 等间隔定向传送，且保证c c d 摄像头能实时采集到准确、清晰的图像( 陈红，2 0 0 4 ) 。 而目前检测系统中转速控制仍是以手动操作为主，增加了操作劳动强度。本系统建 立基于p c 机的闭环控制系统来实现速度控制，即对电动机的转速进行监测、调节， 以保证整个检测系统的检测分级精度。本文研究和开发计算机控制技术，采用变频 器串口通讯控制方法，引入自适应模糊控制算法，对于提高生产自动化水平，降低 技术人员劳动强度方面有重要的现实意义，同时在工业节能和能源有效利用方面也 有着重要的现实意义。 1 1 1 国内外研究现状分析及研究目标， ， 交流调速电气传动之所以能够大举进入电气传动调速控制的各个领域，并得到 迅速的发展，主要是由于几个原因： 1 直流电动机的结构限制了电机重量的进一步减小，同时使得要制造大容量、 ￥ 高转速及高电压直流电机比较困难。 2 电刷在旋转中易产生机械磨损和火花，使直流电机故障多，可靠性差，寿命 短，保养维护困难，同时其应用场合也受到限制，如不能适用于易燃易爆等环境恶 劣场合。 交流伺服电机由于本身结构简单，坚固耐用，体积小，重量轻，没有机械换向， 无需多少维护，可用于恶劣环境等优点，特别是7 0 年代以来伴随电力电子器件和控 制技术的发展，使得交流电机正好可以克服直流电机的上述缺点，且随着近二十年 来异步电动机交频调速技术的快速发展与成熟，异步电动机的变频调速技术得到了 迅速的普及，交流调速逐步替代直流调速( 丁幼春，2 0 0 3 ) 。 1 1 1 1 国内外交流变频调速系统常用调速方式 电动机根据禽蛋分级检测系统工艺要求调节速度，往往要求在不同条件下电动 机都要保持匀速转动，这就要求在不同情况下，电动机能相应调整工作速度，以保 绪论 持恒定的速度。要实现这一功能，最常用的方法是对电动机的转速进行调节，使电 动机拖动系统具备调节速度的功能。为了满足调速要求，一般采用下列调速方法。 最初是1 9 7 1 年德国学者f b l a s h k e 提出了交流电动机的磁场定向控制( 即矢量 变换控制) 的原理，为高性能的交流传动控制奠定了理论基础。开创了用交流调速 系统取代直流调速系统的时代，激发了人们研究高性能交流调速系统的兴趣和热情。 随后一些新的控制策略和方法相继提出并被采用。如1 9 8 5 年另一位德国学者 d e p e n b r o c k 教授首先提出直接转矩控制理论( d i r e c tt o r q u ec o n t r o l 简称d t c ) ， 直接转矩控制的原理是：直接转矩控制强调的是转矩的直接控制与效果。它包含有 两层意思：直接控制转矩；对转矩的直接控制。周东峰( 周东峰，1 9 9 9 ) 研究通 过定子电阻的辨识校正定子磁链观测值来改进系统的低速性能。得出对于转矩和磁 链的调节控制，提出应该也能用模糊控制的方法，使得控制更精确。张春( 张春， 2 0 0 3 ) 在直接转矩控制中引入模糊控制技术，用模糊理论构造在线观测器的方法对 r s 进行观测，并用模糊控制技术构建磁链转矩控制器。但是存在如何优化模糊电阻 观测器的各变量的论域和控制规则，如何进行磁链、转矩和电压矢量各变量的论域 和控制规则进行优化等问题。直接转矩控制具有最快的转矩响应，但却带来了转矩 脉动大、噪音大等问题( 郭敏杰，2 0 0 2 ) 。还有p w m 脉宽调制控制，不少学者也对它展 开了研究，如高俊山，罗中明等( 高俊山等，1 9 9 4 ) 在系统中采用矢量控制和脚m 控制，在配合以快速的开关功率器件。系统控制电路采用8 0 9 8 单片机为核心，通过 h e f 4 7 5 2 v 产生p w v i 控制信号。沈健( 沈健，2 0 0 4 ) 利用8 0 c 1 9 6 单片机为下位机， 计算机为上位机的分布式控制系统，得到的结果是：调速范围d = l ：3 0 0 0 ：净差率 s = 1 7 。刘永顺等( 刘永顺等，2 0 0 3 ) 将变频器和电动机整体考虑来决定逆变器 开关元件的p w m 信号，会比以往单纯追求变频器输出电压或电流波形时获得更好的 调速性能，双p w m 控制技术打破了过去变频器的单一结构，得出采用p w m 整流器和 p w m 逆变器可实现高功率因数、低谐波污染，能量双向流动等性能特点。目前实际 应用中因为使用速度传感器既增加了成本，又降低了系统的可靠性问题，因此采用 无速度传感器已是未来发展的必然趋势。曹宏伟，邓泽生等( 曹宏伟等，2 0 0 1 ) 研 究了d s p 用于直流无刷电机的控制，得出系统不仅降低了成本同时因其不受温度和 振动的影响而提高了系统的可靠性。李磊，胡育文( 李磊，2 0 0 1 ) 采用定予磁链闭 环观测器取代传统的纯积分器，应用于直接转矩控制系统中，取得较高的观测精度， 电机参数鲁棒性好。唐勇奇，王辉( 唐勇奇，2 0 0 4 ) 提出一种利用电机定子电压电流， 通过全状态观察器来辨识感应电机速度的方法。系统具有较好的动静态性能。 华中农业大学2 0 0 6 届硕士毕业论文 1 1 2 常用控制方式在交流变频调速系统中发展概述 交流电动机采用变频调速，不但能实现无级调速，而且根据负载的特性不同， 通过适当调节电压与频率之间的关系，可使电机始终运行在高效率区，并保证良好 的动态特性。交流电动机采用变频起动更能显著改善交流电动机的起动性能，大幅 度降低电机的起动电流，增加起动转矩，故而变频调速是交流电动机的理想调速方 法。由于控制理论上的突破及电力电子技术的迅猛发展，变频调速和交流调速系统 的发展也十分迅速，相应地也出现了多种控制策略 1p i d 控制目前，在工业过程控制中，9 0 以上的控制回路都是p i d 类型。但是 p i d 控制器也还有一些不尽人意的地方，其p i d 参数的整定大多是通过人工操作完 成的，费时费力。早期的z i e g l e r & n i c h o l s ，a s t r o m 等方法主要是通过纯比例控制器 或继电控制，使受控过程处于临界振荡状态来获得对象的振荡频率和增益。董红生， 杨智等( 董红生，2 0 0 1 ) 利用继电振荡整定法在线调整p i d 参数进行了初步研究， 就是先选定一设定值，在接近设定值点对控制对象施加一b a n g b a n g 控制信号，系 统产生一等幅振荡，研究此等幅振荡就可获褥整定p i d 参数信息，从而实现在线整 定。通过仿真得出的整定p i d 参数，能平稳达到设定值，满足控制要求。李利平， 王东风( 李利平等，2 0 0 1 ) 设计了s m i t h 预估器，设计p i d 调节器，从对象的输入 输出数据直接获取对象阶跃响应和对象等效模型，得出此方法克服了对象参数和时 滞的时变问题，且调节器参数的整定简单有效。 2 模糊控制陈江林等( 陈江林等，2 0 0 3 ) 提出了一类非线性系统的自适应模糊控制系 统，利用模糊逻辑提出了一种鲁棒自适应控制方法，首先证明在一定的条件下，闭 环控制系统必能稳定，并证明这个条件必落入某一集中成立，同时考虑其控制性能， 选择鲁棒控制量，使跟踪误差达到要求的性能指标。杨治平( 杨治平，2 0 0 2 ) 一直 对动力系统柴油机类调速控制的寻优过程进行探索，设计了关于一种调速过程的模 糊自适应控制，即在柴油机电子调速器微机控制中，采用模糊自适应控制的优越算 法，成功地解决了这一类速度控制的问题。张绍德、李明( 张绍德，2 0 0 1 ) 研究了 一种基于模糊辨识的模糊自适应控制系统，采用模糊基函数表示的模糊逻辑系统作 为未知非线性对象的辨识器，以此为模糊自适应控制器提供参数自调整必需的梯度 信息。刘向东等( 刘向东等，2 0 0 3 ) 设计了一种自调整模糊控制器，根据模糊控制 器输入变量的大小调整模糊控制器的参数和输入变量的权重，从而自动地调整了模 糊控制器规则，采用在控制过程的不同阶段使用不同的修正因a 进行自调整模糊控 制，并把这种方法引入交流伺服系统，作为系统速度的调节器。 3 绪论 3 模糊自适应控制早在1 9 7 9 年，m a m d a n i 和他的学生t j p r o c y k 就把自组织的 功能引入模糊控制器的结构。在这之后，我国学者龙升照和汪培庄从另一个角度探 讨了模糊控制规则的白调整问题，他们在定义模糊输入变量和其变化率变量的一个 凸基础上，设计了一个只依赖于少量可调整参数的模糊规则集。此外人们还探讨了 模糊控制器中比例因子自调整对于改善控制系统作用，调整隶属函数对于提高模糊 控制适应过程和环境变化能力的作用，基于被控对象的规则模型自动生成控制器的 规则模型以及模糊模型的辨识和自学习等问题。王立新( 王立新等，2 0 0 3 ) 分别提 出了稳定的非线性模糊直接和间接自适应控制方法，为用模糊逻辑系统研究未知的 非线性系统的控制问题开辟了新的途经。可以在使用时根据实际工况，很方便地进 行微量修改，即能对提出的参数得到有效的控制。( 周晓兰等，2 0 0 3 ) ，( 章卫国等， 1 9 9 8 ) 均提出了一种参数在线自调整模糊控制器，分析了基本模糊控制器的量化因 子和比例因子对系统性能的影响，根据系统输出误差和误差变化率在线调整量化和 比例因子，使系统具有实时调整能力。 1 1 3 串口通讯在交流变频调速领域中研究与应用 变频器广泛用于工业控制现场的交流传动之中，通常变频器控制由操作面板来 完成，但也可通过输入外部的控制信号来实现。工业场合中，经常要用变频器去控 制交流电机的转速、转向等，针对这一需要，一些公司( 如德国西门子、日本东芝、 三菱等) 推出了带有r s 4 8 5 通信接口的变频器，使用户能方便灵活地选择变频器的 强大功能，设计各自的工业控制系统。当前，对变频器的串口通讯的研究例子颇多。 张海军，何闻，贾叔仕( 张海军等，2 0 0 3 ) 采用微机对变频器进行远程控制， 实现一对多点的监控，同时对电动机的运行情况进行监视、显示、存储和打印，提 高了系统自动化程度。他们的设计对工业现场中变频器的远程控制也有借鉴意义。 戴新民，肖玲等( 戴新民等，2 0 0 2 ) 利用p c 机，在w i n d o w 2 0 0 0 下运用v c 等软件编 制控制软件，进行实时数据采集和控制任务。如何实现p c 机与变频器之间的通信控 制一直是他们所要研究的课题。庞训安，王锋，邓先明( 庞训安等，2 0 0 3 ) 用v c 开 发w i n d o w s x p 环境下串行通信程序的方法。刘建芳( 刘建芳，2 0 0 3 ) 以三层电梯为 例，讨论了采用p l c 和变频器构成电梯控制系统的设计方法。采用w v f 拖动方式作 为电梯的控制系统，可使电梯运行平稳，舒适感好。赵向峰，边信黔，施小成( 赵 向峰等，2 0 0 3 ) 研究多线程在v c + + 串口通信程序中的应用。陈兴，张礼全，史旺 旺( 陈兴等，2 0 0 4 ) 主要介绍如何用v c + + 实现实时要求比较高的小型控制系统中p c 与多p l c 之问的串行通信，在一个多闸门控制系统中应用效果良好，另外使用事件 4 华中农业大学2 0 0 6 届硕士毕业论文 通信机制，大大提高了控制系统实时性的要求，具有可靠、稳定、速度快等优点。 陈晋玮，卢道华( 陈晋玮等，2 0 0 3 ) 介绍了一种在v c + + 6 0 环境下由p c 机串口直接 控制步进电机的方法，所设计的控制程序简单、易懂，工作可靠，且具有友好的人 机交互特性，适合相应工业控制的应用要求。张卫钢，陈文斌( 张卫钢等，2 0 0 3 ) 结合实际工程，在v c + + 环境下通过采用创建事件对象来保持线程同步，利用两个监 听函数提高数据接收效率和可靠性等措施实现了多线程串行通信，完成了工程前数 据采集器与后台计算机之间的数据传输。 1 2 课题研究目标 根据以上分析可得出以下两点：一是在计算机应用尤其是工业控制领域中，利 用计算机串行口与外部控制或数据采集设备进行信息交换和控制操作，这种利用串 行口进行通信具有结构简单，编程方便，成本低廉等特点。二是实验所用交流电机 本质上是一个非线性的被控对象，许多拖动负载含有弹性或间隙等非线性因素，控 制对象的参数变化与非线性特性，使得线性的带参数盼p i d 调节器常常顾此失彼， 不能使系统在各种工况下都保持设计时的性能指标，也就是说系统的鲁棒性不能尽 如人意。智能控制可以充分利用其非线性、变结构、自寻优等各种功能来克服电气 传动系统这些变参数与非线性因素，从而提高系统的鲁棒性。模糊控制是智能控制 的一个重要分支，主要针对解决异步电动机其高阶、非线性、强耦合的特性，难以 建立精确的数学模型问题。鉴于以上两点，因此本系统采用p c 机与变频器串口通讯 控制电动机的转速，采用的控制算法为自适应模糊控制，以达到改善系统的调速性 能和控制策略，从而改善电动机的运行条件，在负载变动时正确选择电动机的输出 功率和额定电压以充分发挥电动机的性能，使其处于最优运行工况并加强管理。 因此本课题研究目标如下： 1 传感器及脉冲信号产生电路的搭建； 2 根据p c l - 8 1 8 h 卡的功能特性与其公司提供的二次开发软件包设计参数数据 的采集和控制量输出程序。完成调速系统的输入输出部分程序设计； 3 引入变频调速技术，接好变频器与计算机的接口电路，并实现其与计算机的 模拟输入，串口通讯功能； 4 利用v c + + g 0 编写变频器串口通讯程序； 5 用c + + 编写自适应模糊控制算法程序： 6 用m i c r o s o f tv c + + 6 0 开发蛋品检测调速系统的工控软件，并将以上控制方 案用于交流电动机速度控制，通过实验反复验证其有效性和实用性 5 1 3 图1 1 研究任务及技术路线图 f i g 1 1 t h e t a s k o f r e s e a r c h a n d t h e m e t h o d o f t e c h n o l o g y 6 华中农业大学2 0 0 6 届硕士毕业论文 第二章系统总体设计 2 1 控制系统组成 最基本的电力传动自动控制系统是调速系统，即通过控制电机的转速来控制 生产机械的运动。在农产品检测分级系统中，被检对象均是由输送带传送至检测室， 在实际生产过程中为适应不同生产率的需要，完成被检对象等间隔定向传送，同时 实现对各种被控对象实时状态数据的采集及控制数据的输出。因此，希望电动机有 足够的调速范围、稳速精度和快、平、稳的启动和制动能力。系统控制的总体要求 是确保系统在要求的调速范围内调速平稳，速度尽量不受负载、电源电压、温度等 外界因素的影响。但是由于电机参数具有非恒定性，随时间、环境及自身温度的变 化而变化，对电机的动态非线性参数的控制始终难以获得较好的控制效果，而且控 制系统的参数整定也较困难。模糊逻辑与计算机结合形成的f u z z y 控制系统为计算 机模拟人实现复杂控制提供了一条新的途径，由于f u z z y 控制对控制对象要求的非 精确性及控制效果的高抗干扰性，通过借助人工经验或其它途径可对被控对象施行 有效的控制和调节，因此在工业控制中越来越得到广泛的应用。 图2 1 控制系统组成 f i g 2 1c o n s t r u c to ft h ec o n t r o ls y s t e m 2 2 控制系统的仿真分析 系统建模与仿真一直是各领域研究、分析和设计各种复杂系统的有力工具， 它是应用现代科学工具对传动系统进行科学研究的重要手段之一。建模可以超越理 想去模拟复杂的现实物理系统：而仿真则可以对照比较各种控制策略和方案，优化系 统参数。i 雌t l a b 语占是目前国际上流行的一种仿真工具语占。建模仿真可视化功能 s i m u l i n k 是m a t l a b 五大通用功能之一，它是基本m a t l a b 语言环境下实现动态系统 建模、仿真的一个集成环境，具有模块化、可重载、图形化编程、可视化及可封装 等特点，可提高系统仿真的效率和可靠性。s 函数是s i m u l i n k 运作的核心，在构造 非线性、强耦合的复杂多变量系统时具有表述方式接近数学形式、编程简洁、计算 速度快的优点( 薛定宇等，2 0 0 2 ) 。 7 系统总体设计 2 2 1 系统仿真分析的步骤 计算机仿真技术是利用计算机对研究对象的数学模型进行仿真研究，由于计算 机本身运行的安全性，无论仿真模型多么巨大、复杂，仿真的过程都会是安全的。 这是其它研究方法( 如实验试验、物理仿真等) 无法相比的；仿真时首先建立应用 系统的数学模型，然后利用计算机去求解，因而较其它方法容易、快捷、经济，其 具有应用的可重复性，针对不同的系统有时只需要更改个别环节或修改参数即可。 由于以上的优点，计算机仿真技术作为强有力的研究工具，正在控制领域获得广泛 的应用。仿真的步骤包括确定仿真目标，建立系统仿真模型，仿真运行，结果分析， 若达不到仿真目标，则对仿真模型进行修改，最后达到最优的仿真结果，从而初步 确定后续试验参数。 7 2 2 2 控制系统仿真数学模型的建立 系统仿真需要在建立系统数学模型之后进行，系统数学模型是对系统本质的描 述，是仿真的基础，建立合理的系统数学模型对取得正确的仿真结果有决定性的意 义。 变频调速系统中异步电动机本身是一个非线性、强耦合、高阶次的控制对象， 再加之在变频装置非正弦供电条件下运行，使经典的交流电机理论和传统的控制系 统分析方法不能完全适应于现代交流调速系统的分析。利用计算机仿真方法来研究 交流调速系统是解决这类问题的一种有效工具。 由参考文献 3 8 1 可知 ( 1 ) 变频器p w m 控制电路的简化模型表示为一阶环节来表示，其传递函数为 o - 南 其中1 ，平均控制滞后时间，等于0 6 百，f 为为加速时间( 即频率上升到5 0 h z 的时间) ( 2 ) 异步电动机的简化模型 研究异步电动机多变量数学模型，常作如下假设：忽略铁芯的损耗，不考虑频 率和温度的变化对绕组电阻的影响，忽略异步电动机旋转电势的影响，忽略励磁电 流的影响和假设气隙磁通幅值在动态中不变后，可以得到异步电动机的近似线性化 传递函数： 8 华中农业大学2 0 0 6 届硕士毕业论文 击 其中k w 为异步电动机的传递系数，7 k 为异步电动机的机电时间常数。 2 2 3 模糊控制算法与自适应模糊控制算法的仿真分析 在研究模糊控制时，我们知道模糊控制器的自身在很大程度上取决于模糊控 制规则，通常情况下的模糊控制器一旦完成，语言规则和合成推理往往是确定的， 不可调的。但在有些控制过程中，为使模糊控制器具有更强的通用性，以适应于不 同的控制对象，就要求控制规则具有自调节功能。对于一个二维模糊控制器，当输 入变量e 、e c 和输出量u 的论域等级划分相同时，引入描述控制规则的解析表达式： u _ 【矿e + ( 1 a ) + e c la ( o ，1 ) 通过调整a 值便可以调整控制规则，a 的大小直接反映对误差e 和误差变化 e c 的加权程度，这恰好体现了人们进行控制活动的思维特点，同时依此产生的控制 规则也体现了人脑推理过程的连续性和单值性等特点。对一个常规的二维模糊控制 器而言，在控制过程的初始阶段，系统的误差较大，控制系统的主要目的是消除误 差，这时希望误差值的加权系数大一些；反之，当控制过程趋向稳定时，系统误差较 小，控制系统的主要任务是减小超调量，使系统尽快稳定，这就需要增大误差变化7 率的加权系数，为此采用两个可调因子a l , a 2 的方法，如： u = - a l + e + ( 1 一a 1 ) + e c l当e m 2 时 其中a l a 2 ( 0 ，1 ) a l a 2 ，m 为输入量e 、e c 的论域最大值。 m a t l a b 中虽然有模糊控制工具箱，但它里面却没有这种控制规则可调整的模 糊控制器，因此我们可以利用s - f u n c t i o n 来构建。以下是在m 文件编辑器里编写的 控制规则可调整模糊控制器s f u n c t i o n 的主要代码( 见附录) ； 在仿真实验中，利用m a t i _ a b 的s i m u l i n k 工具箱建立仿真模型，将上述编写 好s - f u n c t i o n 函数以m 函数形式保存，然后在s i m u l i n k 的模型文件中加入s - f u n c t i o n 模块，在该模块的参数对话框里引用上面的m 函数文件名即可( 王景等，1 9 9 9 ) 。 设计的仿真模型如图所示： 9 系统总体设计 图2 2 系统的仿真模型 f i g 2 2s i m u l a t i o nm o d l eo ft h es y s t e m 前期课题组成员已经比较了传统p i d 控制算法和模糊控制算法在电机参数变化 和负载突变时的控制效果，得出的结论为：p i d 控制虽然可以达到一定的效果，但是 当电机参数变化负载变化时，参数变化的适应能力比模糊控制差，验证了模糊控 制不依赖被控对象的精确数学模型，能够克服非线性因素的影响，鲁棒性强。本系 统中进一步将模糊控制器与自适应模糊控制器代入上图控制系统部分，分别对转速 的阶跃响应、稳态调节、电动机参数变化、负载变化的响应特性进行仿真，来考察 自适应模糊控制的性能。 设定参数值k ：1 0 0 ，正：1 8 ，：2 9 ，= o 2 1 ，k e ：8 ，k e c = 0 5 ，k u ：1 ： k p = 0 9 5 ，k i = 1 - 0 3 ，k d = 0 2 6 。下面各图中横坐标代表时间，纵坐标代表输入 脉冲。 ( 1 ) 速度阶跃响应特性给定系统的1 0 个单位转速阶跃输入信号，在不同控制器作 用下得到相应的转速阶跃响应曲线如图2 3 ，其中( a ) ，( b ) 分别为系统在自适应模糊 控制器，p i d 的响应曲线。 图2 3 输入速度阶跃响应曲线 f i g 2 3s i m u l a t i o nr e s p o n s eo fi n p u ts t e pw a v e 华中农业大学2 0 0 6 届硕士毕业论文 ( 2 ) 转速的稳态调节特性给定转速输入阶跃，在系统输出稳定后，把转速信号从1 0 个单位变化到1 5 个单位，速度调节特性仿真曲线如图2 4 所示。 图2 4 转速调节特性曲线 ，f i g 2 4t h e c a r v eo fs p e e dr e g u l a t i n gc h a r a c t e r i s t i c ( 1 ) 负载扰动时的响应特性在系统输出稳定时，在第5 秒钟突加o 5 个单位的负载 扰动阶跃信号，对应的系统响应曲线如图2 5 所示。 图2 。5 负载扰动响应曲线 f i g 2 5s i m u l a t i o nr e s p o n s eo f d i s t u r b a n c ew a v e ( 4 ) 系统参数变化时的响应特性在控制器参数不变，异步电动机传递函数参数 k 。= 1 0 ，z = 0 5 时的阶跃响应曲线如图2 6 图2 6 速度阶跃响应曲线 f i g 2 6s i m u l a t i o nr e s p o n s eo fi n p u ts t e pw a v e 1 1 系统总体设计 结论： 通过上面的仿真结果，我们可以看出，对于这个进行仿真的二阶对象，我们 在设计自适应模糊控制器时，只要选择合适的控制器参数j 自适应模糊控制方法能 收到与常规p i d 控制相接近的控制效果。同时可见，自适应控制方法也有不错的跟 随能力和稳定性。 2 3 系统硬件选择 根据调速系统的总体设计思想，系统硬件采用研华i p c 6 1 0t 控机和p c l - 8 1 8 数据采集卡，p c l 8 1 8 数据采集卡含有a d 、d a 、d o 、d i 和8 2 5 4 计数器。转速的 测量采用光电转速传感器，每圈产生1 0 0 个脉冲，脉冲经整形电路后由8 2 5 4 计数器 计数来求得转速。 2 3 1 转速的测量 在工业过程实时控制中，转速的检测与控制一般占有很大的比重，它对系统的 稳态误差和及动态响应性能都有至关重要的影响。对于此类应用来讲，一个在较大 速度范围内具有高分辨率的快捷而准确的测速系统是必不可少的。在本文所研究的 调速系统中，选用目前调速系统速度反馈控制中应用较多的旋转编码器，它不仅可 以检测电机转速，而且还可以测定电机的转向及转子相对于定子的位置。转速输出 信号可以是数字量或模拟量，可满足各种调速系统的需要。 编码器与检测装置组成数字测速单元，具有低惯量、低噪声、高分辨率、高精 度的特点，脉冲发生器连接在被测轴上，随着被测轴的转动产生系列的脉冲，通 过检测装置对脉冲进行比较，从而获得被测轴的速度。 增量式旋转编码器的工作原理：编码器随电机旋转，产生与转速成正比的两相 ( a 相、b 相) 相差9 0 。相位角的正交编码脉冲，如果a 相脉冲比b 相脉冲超f i 则 为正转，否则为反转。a 线用来测量脉冲个数，b 线与a 线配合可测量转动方向。由 此可测出电机转速与转向。本系统中由计数器对产生的脉冲信号进行计数，通过测 量时间t 和在时间t 内计数器对被测脉冲信号的计数值m d ，计算后就可以确定电机 的转速。速度给定数据由计算机送来，与实测的转速数据相比较，控制系统根据比 较结果输出控制参数，完成速度在线的闭环控制。 增量式编码器的特点： 1 ) 只是在旋转期间才输出和旋转相对应的脉冲，在静止状态下不输出，从 而要另用计数器计数输出脉冲数，根据计数来检测旋转量。 华中农业大学2 0 0 6 届硕士毕业论文 2 ) 增量式的脉冲信号不能逐个识别，所以要从某个输入轴知道其位置的旋 转时，则用计数器累积加算出其位置输出的脉冲数，从而能任意选择基准位置， 并能无限计旋转量。 3 ) 可以把回路加以扩展，提高发生频率2 4 倍，提高电气分辨率。 数字测速方法：常用编码器的测速方法有三种：m 法、t 法和m r r 法。本系统 采作m 法来测速。 测量在设定的时间间隔t g 内旋转编码器所产生的脉冲数来获得被测速度值，这 种方法称为m 法。 设脉冲发生器每转一圈发出的脉冲数为p ，且在设定的时间t g ( s ) p q ，测得的脉 冲数为m s ，则电机每分钟的转数为： 业上。 p m 5 ( r m i n ) ( 2 1 ) 当p 、t g 都固定时，电机速度n 与反馈脉冲数m s 成正比。令m s = 1 时，则m 法的测 速分辨率为 q = f 0 p t g ( 2 2 ) 测速分辨率q 是m 法所能测量的最低转速，由于在读取计数值时存在正负一个 脉冲的误差，所以m 法测速的最大相对误差为： e = o n 0 ( 2 3 ) 当电机低速运行时，在采样周期t g 内记录的脉冲数极少，此时m 法测量精度较差： 相反，在高速时m s 较多，测量精度较离。 2 3 2 p c l - 8 1 8 数据采集卡的i 0 及编程实现 本系统的数据采集部分主要是利用研华公司的p c i ，8 1 8 h 数字采集卡采集速度 信号。p c l 一8 1 8 b 数据采集卡是用与p c 工控机的高性能、多功能数据采集卡( 姚晔 等，2 0 0 2 ) ，( 彭侠夫等，2 0 0 1 ) 。该卡采用的是i s a 结构，使用于i b mp c x t a t 或 其他兼容计算机，它的高端性能、相应软件支持，及多种功用，使得p c l 一8 1 8 b 成为 工业应用和实验设备的理想选择。可用于数据采集，过程控制，自动检测和工业自 动化等方面。p c l - 8 1 8 h 数字采集卡的主要功能： ( 1 ) 1 6 路单端模拟量输入或8 路差分模拟量输入； ( 2 ) a d 采样频率、1 6 位记数器转换频率可达1 0 0 k h z ( 3 ) 每个输入通道的增益可编程； ( 4 ) 1 6 路数字量输入及1 6 路数字量输出； 系统总体设计 ( 5 ) 一个1 6 位的8 2 5 4 可编程定时计数器；本定时计数器有3 通道，其中2 个 为内部固定使用，1 个提供给用户； ( 6 ) 数字输入输出，定时计数器信号全部使用t t l c o m s 兼容。 1 p c l - 8 1 8 h 基地址的选择 p c l - 8 1 8 hi 0 口基地址是通过s w l 上的8 位d i p 开关进行设置，其可用的地址 限定在0 0 0 h 到3 f f h 。在使用采集卡过程中软件设计时选择的基地址必须与s w l 开 关上的地址相对应。表3 2 列出： 表2 1p c l - 8 1 8 h 的基址选择 t a b l e 2 1t h eb a s ea d d r e s ss e l e c t i o no fp c l - 8 1 8 h 开关位置 i 0 地址范围123456 ( h e x ) a 9a 8a 7a 6a 5a 4 0 0 0 邗l o fo00o0o 0 1 0 叫0 l f0ooool 3 0 0 - 3 0 f *lloo0o 3 1 0 - 3 0 f1lo0 o l 3 f 0 3 f fll11ll 宰为开关设置为出厂时缺省设置 w h ，0 n = 0 ，o f f = i ，a 4 - a 9 对应p c 总线的地址线。 2 p c l 一8 1 8 h 的硬件连接 p c l - 8 1 8 h 提供四个端口供用户进行输入输出使用，其中c o n n e c t o r l 数字信号输 出，c o n n e c t o r 2 数字信号输入，c o n n e c t o r 3 为模拟信号输入，c o n n e c t o r 4 为模拟 信号输出记数器。在系统中由于只是对脉冲信号进行采集因此只选用c o n n e c t o r 4 如图所示： d ar e f i h d ao u t g n d d g n d + 5 v g n d a f r oc u 【 t 0o u t 叨t 0g t e c t r 2o t d g h d