（控制理论与控制工程专业论文）基于模糊—pid控制的链梯降速控制研究.pdf

汪苏大学硬圭学佼论文 摘要 ，隧藩国内外火灾事释的频频发生，入们对高层建筑屠往蛉安垒问 趣越来越关心j 为此提出一稀高层建筑遇险无动力循环链梯逃生装 置，能够成功地解决高层建筑遇险时人们的逃生问题。然而链梯的速 发控制是该装冀的关键，因此零旁器在设计一种智能控制器来撩制链 梯的下降速度，使链梯能够匀速下降。 凌课蘧豹研究过程中，营次提出了蒸于永磁瀚步发毫税( p m s g ) 的循环链梯降速掇制方法，并建立了控制系统的基本模型，襁p i d 罄翻和禧攀控铡稠关躲谬辫蕊磷上，莉褥瓢链耩誉绫设弦了枣謇期p i d 速度控制器，利用m a t l a b 进行仿真，。并与传统p i d 控制进行比较。 j 携粪鍪粟衾褒j 。模灏! d 薤翻幂夔釜檄芋篆统旗型，”在瞧巍速度、 稳态精度及抗干扰能力等方脚均优于传统p i d 控制，且具有较好的 ，鲁捧饿，目越为复杂系统或建模困难赡系统提供一秘行之有效瓣方 法i 本控制系统采用a t 8 9 c 5 2 单片机为撩制核心，使用c s i 高级语言 编程，实现了链梯下降过程的智麓化控制。 关键溺：循环链梯，高层建筑，同步发电机，模糊p i d ，速度控制器 江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t hf i r ei n c i d e n t so c c u r f r e q u e n t l ya th o m 9a n da b r o a d ，p e o p l e w h or e s i d ei nh i g h - - r i s ec o n c e r nm o r ea n dm o r et ot h es a f ep r o b l e m s o t h i sp a p e r p u tf o r w a r d ak i n do f c i r c u l a rc h a i n - l a d d e re q u i p m e n tt h a tc a n b ed r i v e n d o 。w nb yp e o p l e sw e i g h t t h ee s c a p ep r o b l e m c a l lb er e s o l v e d s u c c e s s f u l l yw i t ht h ee q u i p m e n ti nd a n g e r , b u tt h ek e yp r o b l e mi ss p e e d c o n t r 0 1 t h i sp a p e rh a sd e s i g n e dak i n do fi n t e l l i g e n t i z e dc o n t r o l l e rt o c o n t r o ld e s c e n ts p e e do fc h a i n - l a d d e rs ot h a tc h a i n q a d d e c a nd e s c e f i da t e v e ns p e e d 珊卿g t h es n l ：d y ，t h i sp a p e rp u tf o m 删t oam e t h 二o dt oc o n t r o l d e s c e n ts p e e do fc i r c u l a rc h a i n l a d d e rb a s e do nt h ep e r m a n e n t - - m a g n e t s y n c h r o n o u sg e n e r a t o r ( p m s g ) ，a n dt h eb a s i cm o d e lo f & n t r o ls y s t e m i se s t a b l i s h e d 确主之) r 潮 dc o n t r o l l l e ra p p l i e dt oc i r c u l a rc h a i i l q a d d e ra r e d e s i g n e db a s e do ni n t e r r e l a t e dk n o w l e d g eo f p i dc o n t r o la n df u z z y c o n t r o l ，a n di ta r es i m u l a t e db y ，m a t l a ba n dc o m p a r e dw i t hg e n e r a lp i d c o n t r 0 1 t h er e s e a r c hs h o w st h a tf u z z y - p i di si n c o m p l e t e l yd e p e n d e n to f t h es y s t e mm o d e l ，a n di ti sp r i o rt og e n e r a lp i dc o n t r o li nr e s p o n s es p e e d a n ds t a b l ep r e c i s i o na n dr e s t r a i n ta b i l i t ya g a i n s tt h ei n t e r f e r e n c e a n dt h e f u z z y - p i dc o n t r o lh a sb e t t e rr o b u s tc a p a b i l i t y i to f f e r sav a l i dw a yt o r e s o l v et h eq u e s t i o nt h a tt h em o d e li ss e tu pc o m p l i c a t e d l yo rd i f f i c u l t l y t h i sc o n t r o ls y s t e mt a k em i c r o p r o c e s s o ra t 8 9 c 5 2a sac o r e ，a n du s e a d v a n c e dl a n g u a g ec 51 i tr e a l i z e st h eg o a lt oc o n t r o ld e s c e n ts p e e d o f c h a i nl a d d e rm o r ei n t e l l i g e n t i z e d k e yw o r d s c i r c u l a rc h a i n l a d d e r ，h i g h - - r i s e ，s y n c h r o n o u sg e n e r a t o r ， f u z z y - p i d ，s p e e dc o n t r o l l e r i i 学位论文舨权使用授权书 y 1 0 姐3 3 3 奉学袋论文终毒完全了惩学菝鸯关绦整、壤麓学位论文戆攘定，嚣意学棱爨 7 ，、 留并向国家帮关部门或机构送交论文的复印件和嘏子版，允许论文被查阅和借 阅。本人搜投江苏大学可以将本学位论文的全部内容绒部分内容编入有关数据席 避孬捡索，可戳采蘑影印、续印或强攥等复铡手段绦存窝汇编零攀楚论文。 璨密口，在 年鼹褰螽适矮零援粳蕊。 本学位论文属于 不保密囹 学位论文作者签名：我未托 2 年g 月穹嚣 指导教师妣砀琶杯 姗6 年6 月窜曰 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研 究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容阻外，本论文不包含任何其他 个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和 集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承 担。 学位论文作者签名：张寿花 z 0 0 年6 月c 1 日 江苏大学硕士学位论文 1 1 课题的来源及背景 第一章绪论 本课题来源于江苏省科技厅的社会发展项目：高层建筑遇险无动力缓降链梯 逃逸系统。 近年来，随着社会经济的飞速发展，城市化进程大大加快，人口增长的巨大 压力、城市用地的匮乏和交通设旌的紧张，促使城市由平面扩张为主，而迅速转 向立体空间发展，以功能分区为主趋向功能综合，导致高层的综合性建筑群体不 断涌现。在如此高的建筑物中生活和工作，安全是必须考虑的首要问题，但众所 周知，高层建筑一旦遇险，只有楼梯、电梯这两种常规通道，而这两种通道往往 不利于在紧急情况下逃生。例如，遇险时电梯可能断电无法正常使用，楼梯因人 员紧张造成拥挤等情况，因此，为了解决在高层建筑遇险时人们的逃生问题，研 n - f 一种无动力链梯逃生装置，其中链梯的降速控制是关键。为了使链梯有良好 的运行性能，采用模糊p i d 控制技术解决链梯降速控制的问题。 1 2 国1 勾9 1 - 发展及现状 1 2 1 逃生装备的国内外发展及现状 目前国内外对逃生装备的研究、开发有了新的发展 1 - 6 ，美国一家公司向公 众推出了一种新型降落伞，背在人体背部，呈圆形，很轻便，可以实现垂直降落， 不像普通降落伞那样在空中随风左右摇摆，增加降落过程中的确定性。俄罗斯一 个科研机构开发出新型充气救生装备，该装备平时叠成一个背包形状，使用时背 上背包并将其固定住，背包中的充气装置像一些汽车驾驶室内的缓冲气垫一样， 能使下降速度减慢，逃生者平安软着陆。以色列的一名航空工程师发明了一种叫 做“天使”的高层建筑火灾救生平台，该平台实际上是一个有4 个螺旋桨的飞行 器，可以竖直升到任何高度，并可在空中保持稳定。平台舱体质轻耐热，驾驶员 坐在耐火密封舱内操纵，靠近窗口或阳台后，一次可搭救1 0 人。我国的一个针 江苏大学硕士学位论文 织研究机构开发出一种用复合材料编织成的逃生滑筒，上面固定在着火的楼层， 向下延伸到地面，滑筒横向有 率缩性，：适合不同胖瘦的逃生人群。 上述个人逃生新装备各具特色，都能较好地发挥作用，但都存在着一定的局 限性，有待于继续深化研究。比如美、俄的逃生伞，青壮年使用比较合适，老、 弱、病、残者和儿童使用则会遇到困难。以色列的救生平台适合用于消防部门人 、 员在火灾中救人，家庭和个人则难以装备。我国的逃生滑简能使人顺和的滑向地 面，但一般适用于层数较少的建筑，几十层以上的高楼大厦用起来会有困难；同 时平时保管有难度，不容易找到固定存放地点。总之，逃生装备还处于不成熟阶 段，有待于继续开发，不断完善。 高层建筑遇险疏散系统在国内外处于形成与发展之中，一般在高层建筑中设 有安全避难室，警报声响起时，部分人员无法经过安全通道撤离时，可迅速进入 相应的安全避难室等待营救。但由于在高层建筑中工作和居住的人员较多，安全 避难室的空间不会太大，即使在国外，岗层建筑中设置安全避难室的方案也难以 彻底解决问题。因此，高层建筑遇险疏散系统发展的趋势应该是在设置安全避难 室的基础上，在安全避难室中安置固定式循环救生梯，以解决高层建筑中遇险人 员连续有序安全撤离的晦题。 在目前高层建筑遇险逃生通道不够完善的情况下，充分挖掘无动力链梯逃生 装置的潜力，使之得到广泛应用具有十分重要的意义。 1 2 2 模糊p i d 控制的国内外发展及现状 p i d 控制是最早发展起来的控制策略之一，被广泛应用于工业过程控制，至 今大概有9 0 左右的控制回路具有p i d 结构。如此广泛的应用，一方面由于p i d 控制器具有简单而固定的形式，在很宽的操作范围内都能保持较好的鲁棒性；另 一方面p i d 控制器允许工程技术人员以一种简单而直接的方式来调节系统。 虽然数字p i d 调节器进行调节的系统具有很好的稳态精度，但往往动静态特 性不能兼顾，二者常常发生互相矛盾的现象。且当被控对象机理复杂、具有高度 非线性、时变不确定性和纯滞后等特点时，很难找到一组合适的p i d 参数适用于 整个系统的宽范围调控。另外，在噪声、负载扰动等因素的影响下，过程参数甚 至模型结构均会随时间和工作环境的变化而变化。这就要求在p i d 控制中，不仅 江苏大学硕士学位论文 p i d 参数的整定不依赖于对象数学模型，并且p i d 参数能够在线调整，以满足实 时控制的要求。模糊控制的出现无疑为解决这些闯题提供了有效途径，主要用来 解决传统方法难以解决的控常b 对象参数在大范围变化的问题。 1 9 7 4 年英国伦敦大学教授e h m a m d a n i ，首先将模糊控制器应用于锅炉和汽 轮机的运行控制，在实验室获得成功p 】，标志着模糊控制的诞生。1 9 7 5 年，英国 的p j k i n g 和e h m a m d a n i 将模糊控制系统应用于工业发酵过程的温度控制中 i 8 1 【9 1 。1 9 7 6 年，英国的r t o n g 写出了第一篇理论性模糊控制方面的论文。1 9 8 0 年丹麦的s m i d t h f l 公司发表了第。个把模糊理论用于工业生产中的实例。该 公司的水泥回转窑开始利用模糊控制自动运转，使窑的运转率达至48 0 - 8 5 ，燃 料消耗减少4 - 5 ，质量也有明显的提高； 经过几十年的发展，模糊控制取得了瞩目的成就。模糊控制获得巨大成功的 主要原因在于它具有如下一些突出特点嗍： ( 1 模糊控制是一种基予规则的控制，它直接采用语言型控制瓶则，其依据 是现场操作人员的控制经验或相关专家的知识，在设计中不需要建立被控对象的 精确模型，因而使得控制机理和策珞易于接受与理解，设计简单j 便于应用。 ( 2 ) 由正业过程的定性认识出发，比较容易建立语言控制规则；因而模糊控 制对那些数学模型难以获取寸、动态特性不易攀握或变化非常显著的对象非常适 用。 ( 3 ) 基于模型的控制算法及系统设计，由于出发点和性能指标不同，容易导 致较大差完，但一个系统语言控制规则却具有相对的独立性，利用这些控制规律 间的模糊连接，容易找到折中的选择，使控制效果优于常规控制器。 ( 4 ) 模糊控制是基于启发性知识及语言决策规则设计的，这有利于模拟人工 控制的过程和方法，增强控制系统的适应能力，使之具有一定的智能水平。 ( 5 ) 模糊控制系统的鲁棒性强，干扰和参数变化对控制效果的影响被大大减 弱，尤其适合于非线性、时变及纯滞后系统的控制。 模糊控制虽然有很多优点，但也有自身的局限性： ( 1 ) 模糊控制规则易受人的主观影响，并且规则语言还不足以表达控制复杂 过程需要的启发式知识。 ( 2 ) 精度不太高。这主要是由于模糊控制表的量化等级有限而造成的，通过 江苏大学硕士学位论文 增加量化等级数目虽可提高精度，但查询表将过于庞大，须占用较大空间，使运 算时间增加。实际上，如果模糊控制器不引入积分机制，原则上误差总是存在的。 ( 3 ) 自适应能力有限。由于量化因子和比例因子是固定的。当对象参数随环 境的变迁而变化时，它不能对自己的控制规则进行有效地调整，从而使其良好的 性能不能得到充分地发挥。 ( 4 ) 易产生振荡现象。如果查询表构造不合理，或量化因子和比例因子选择 不当，都会导致系统振荡。 从模糊控制的特点可以看出模糊控制适用于非线性、数学模型不确定的控制 对象，对被控对象的时滞非线性和时变性具有一定的适应能力，同时有很好的鲁 棒性。但模糊控制器本身消除系统稳态误差的性能比较差，难以达到较高的控制 精度。 随着模糊理论的发展，模糊控制技术与p i d 控制技术结合在一起的研究，成 了这个领域的研究热点。经过近几年的发展，在国内外取得了许多成果。 t a n g 通过对模糊控制器机理的分析，最早提出了一般模糊控制器和p i 控制 器的相似性0 9 】【1 们；a b d e l n o n r 从p i d 控制角度提出了f u z z y p i ，f u z z y p d 和 f u z z r p i d 三种形式的模糊控制器【1 1 】【1 2 1 ，随后各种模糊p i d 控制器都证明是非线 性p i d 控制器，y i n g 最先提出模糊p i d 控制器的解析结构，证明了各类m a m d a n i 模糊控制器是可变增益的非线性p i 控制器，y i n g 等还采用各种方式得出了模糊 控制量的量化因子和比例因子与控制器群，墨，之间的关系f 1 3 】f 1 4 】；l e e h b 分 析了模糊控制器与p i d 控制器之间的关系，提出了s i s o 模糊控制器是分段p 调 节器，d i s o 模糊控制器具有p 与d ( 或p 与i ) 交互影响的分片p d ( 或p i ) 调 节器，三输入单输出的模糊控制器是具有p 、i 、口之间交互影响的分片p i d 调节 器。 8 0 年代末期国内也开始研究模糊控制器与p i d 控制器的关系1 1 5 1 ，1 9 7 7 年， 吉林工业大学吕俊伟、王文成、黄海东研制的模糊- p i 一开关混合控制器用于渗 炭炉温度控制系统，缩短了升温时间，大大提高了控制精度，最大超调小于1 。c 【阍。1 9 8 5 年徐承伟提出了模糊控制器输出与被控对象之间存在着积分作用；1 9 8 7 年胡家耀在此基础上提出了f u z z y p i 调节器 1 7 】，并用于退火炉燃烧过程中【1 8 】； 1 9 8 8 年，河北廊坊市工具厂李利民、王金奎研制的高温盐浴炉微机控制系统以 江苏大学硕士学位论文 磁性调压器作为执行元件，采用m p i d 调节方式，当炉温在l l o o 1 3 0 0 9 c 范围内 任意调节，误差小于2 0 c 【1 9 1 ；1 9 8 9 年，武汉铝厂_ 郑恭桓、沈协和用单片机实现 炉温控制，c 采用b a n g b a n g 和p i d 相结合的控制算法，达到了升温速度快，超 调量小的控温效果。 目前的多数模糊控制器都是模糊p i d 型的，各种研究表明，模糊控制理论与 传统p i d 控制的结合取得了良好的效果j 随着智能控制技术的发展，基于神经网 络的p i d 控糊器、专家p i d 控制器、基于遗传算法的p i d 控制器等都是研究的热 点。 1 3 本课题研究的目的和意义 链梯系统中速度控制是一个关键问题，为了既满足抉速性又兼顾舒适感的要 求，需要选择_ 神合适的控制策略。通过以上分析，传统p i d 控制虽然具有结 构简单、容易实现、控制效果好、，稳态精度高等特点，但传统的p i d 控制策略， 参数旦整定完毕，便尽能固定地适用于一种工况，丽对于链梯系统这种典型的 变负载( 乘客流量随机变化) 非线性系统，显然固。定的_ 组参数是不能满足这种 变化的。另外，p i d 参数的整定难度较大且较为专业化，当系统受外界干扰，控 制条件改变后，需要重新整定，因此控制难度较大。模糊控制虽然是智能控制研 究中最为活跃而又富有成果的领域，也不需要建立系统的精确数学模型，是解决 不确定性系统控制的一种有效途径。但是，单纯的模糊控制也存在精度不高、易 产生极限环振荡 9 1 等问题。因此结合p i d 控制与模糊控制各自的优缺点，本文采 用了对系统参数变化具有自适应能力的模糊p i d 控制算法，能自动地调整p i d 参数，使链梯系统取得良好的运行性能。 1 4 本课题的主要工作 本文在查阅国内外相关文献，了解当前这一领域研究状况与发展趋势的基础 上，主要进行以下几个方面的工作： 1 对链梯降速控制系统进行简化与建模 根据链梯降速控制原理，通过控制永磁发电机负载电阻来控制电磁转矩， 江苏大学硕士学位论文 这是一种新的控制方法，因此必须建立相应的数学模型，但建立发电机模型 的方法有缀多种，如三耜定子坐标下建摸，两相定子坐标下建模以及同步旋 转坐标下的建模。为使建立的模型简单实甩，采用同步旋转坐标建立以电流 为输入，转速为输出的发电机数学模型。这是本课题的一个关键问题与难点。 2 通过分析比较p i d 控制、模糊控制、模糊p m 控制，确定系统的控常i 策略 介绍了模糊p i d 控制的理论基础：传统p i d 控制算法和模糊控制算法。通 过阐述备自的原理和特点，分析了它们在控制过程中存在的局限性，最后选择 了两种方法相结合的模糊p i d 控制，并简要介绍了模糊p i d 控制器的主要形式 及其设计步骤。 3 设计链梯降速系统的模糊p i d 控制器，并进行建模与仿真” 根据设计模糊p i d 控制器的步骤，选择适当的量化因子、比例因子、隶属 “ 度函数，利用专家对p i d 参数调整的经验制定模糊控制规则，确定输入变量模 糊化、输出变量精确化的方法，实现模糊推理，1 氆此完成链梯降速模糊p i d 控 制器的设计。在仿真过程中，对各个可调参数进行调整，使控制器的性能进一步 优化，并与传统p i d 控制进行比较，充分说明模糊p i d 控制技术的优越性。从 理论上_ 证明模糊p i d 控制用于链梯降速拄制系统的可行性：这是本文的一个重 点工作。 4 。设计了基于a t 8 9 ( 2 5 2 单片枧的f u z z y - - p i d 速度控制系统 硬件设计主要包括两部分：一部分是转速信号的采集调理电路，另一部分 是驱动执行电路。软件设计部分，通过分析比较各种测速方法，确立了用m 厂r 测速的方案，并用c 5 1 语言编写了相关的程序。 1 5 论文的组织结构 全文共分六章，内容安排如下： 第一章为绪论，概要介绍了课题来源背景及国内外现状，并对论文的主要工 作做了总体概述； 第二章分析了链梯降速控制系统的原理，同时确立了系统的简化模型： 第三章主要介绍了p i d 控制、模糊控制相关知识，并分析了它们在控制中存 在的脚题，在此基础上提出了两种控翩方法褶结合的模糊p t l ) 控翮策略，并分析 6 江苏大学硕士学位论文 其在链梯降速控制中的可行性； 第四章为链梯系统设计i 模糨p i d 降速控制器，劳通过- 舭t l a b 仿真比较模 糊p i d 控制与p i d 控制的效果，说明模糊p i d 控制在各种工况下的性能均优于传 统p i d 控制； 第五章是链梯降速控制系统的实现，包括主要硬件电路的设计和软件设计思 想： 第六章对整个课题进行总结与展望。 江苏大学硕士学位论文 第二章链梯降速控制系统的模型 2 1 链梯降速控制系统原理 高层建筑遇险无动力链梯逃生装置是人们遇险时迅速撤离险境的一种逃逸 系统，不需要任何外接电源，主要依靠人体自身重力带动永磁发电机转动，人员 登上链梯时，由于人体重力作用驱动，带动发电机轴开始转动，使发电机内部产 生一个磁场，当外电路接通时，就有电流通过。当登上链梯的人员负荷发生变化 时，驱动发电机转动的机械转矩发生变化，从而使发电机的转速随之改变，因此 为了在人员负荷发生变化时，发电机的转速保持不变，调整发电机的电磁转矩使 其与机械转矩平衡。本文中是通过调整发电机的负载电流，也即改变负载电阻来 实现的。 2 2 控制系统的简化模型 链梯系统是一个非线性、时变系统，速度控制是其中的一个难点，为了使链 梯有良好的运行性能，需要深入了解被控对象，建立被控对象的数学模型。 对于所要研究的控制对象，其模型的建立一方面有利于确定系统的控制方 案，另一方面有利于进行仿真研究。建立数学模型通常采用测试法和机理法两类。 测试法主要是利用工业过程中的实测数据，运用经典辨识和现代辨识的方法建立 数学模型：而机理法是根据过程中实际发生的变化机理，写出各种有关的平衡方 程式( 能量、动量平衡) 以及各种符合基本规律的运动方程( 流体、化学、传热 等) ，从而获得对象的数学模型。近2 0 年来机理法得到了迅速发展和广泛应用， 本文中采用机理法来建立系统的数学模型。首先，将系统简化成以下框图，如图 2 - 1 所示。 江苏大学硕士学位论文 f l：二i7 l ：= ：! ：厂 竺：厂 厂= = = 。 图2 - 1 系统的简化结构框图 根据图2 1 系统的简化结构框图，分别介绍系统中各个环节的数学模型。 ( 1 ) 永磁同步发电机 永磁同步发电机是链梯降速控制系统的核心，并把人体重力产生的机械能转 换为电能，供链梯系统照明。为了弄清降速控制原理，建立同步发电机的模型极 为重要。 本课题中采用的是隐极式永磁同步发电机( p m s g ) ，对于p i j s g 有多种建模方 法，例如三相定子坐标下建模，两相定子坐标下建模以及同步旋转坐标下的建模， 本文采用最常用的同步旋转坐标系下的数学模型。 q y 、 ， 汴。4 i it l 飞 、 d 图2 - 2 不同参考坐标系下的定子和转子磁链矢量 永磁同步发电机磁链、电流矢量关系f 2 0 】如图2 - 2 所示，d q 坐标系是固定在 转孑上的旋转坐标系，其中转子磁链的轴向为d 轴的正方向，d 轴与a 向绕组的 夹角缉。x - y 坐标系为固定在定子上的旋转坐标系，定子磁链张的方向为x 轴的 正方向aj 为转矩角( 功率角) ，即定子磁链和转子磁链之间的夹角。 在d - p 坐标系下，假定p m s g 是线性的，参数不随温度变化，忽略磁滞、涡 流损耗和转子无阻尼绕组等，并且假设零轴分量为零，根据链梯降速系统的控制 9 江苏大学硕士学位论文 原理，链梯降速控制是通过调整发电机电流来改变电磁转矩而实现的，因此，只 需分析转矩跟电流之间的关系。p m s g 中磁链、转矩的表达式为【2 l l ： 仍= 纷一岛 ( 2 1 ) 吼= 一0 ( 2 _ 2 ) t = _ 3 p ( 伤) ( 2 3 ) 其中 吼，纯分别为定子绕组d ，q 轴的磁链； ，分别为定子绕组d ，q 轴的电流； 厶，l 分别为定子绕组d ，q 轴的电感； 鼽转子磁钢在定予侧的耩合磁链； 见p m s g 的极对数； i 电磁转矩。 将( 2 - 1 ) 、( 2 - 2 ) 代入式( 2 - 3 ) ，可得： t ：了3 p 【( 0 一l , ) i q i d + 竹】 ( 2 4 ) 对于隐极式p m s g 来说，有岛= l = l ，可得到隐极式p m s g 的电磁转矩为： t ：孥嗽 ( 2 _ 5 ) 从式( 2 - 5 ) 可以看出，隐极式p m s o 的电磁转矩与其q 轴电流毛成正比， 而与其d 轴电流无关，因此在分析过程中只关心q 轴的电流。 根据刚体转动定律，发电机轴上的运动方程式为： ，警= l t ( 2 6 ) 式中i ，发电机轴上( 包括负载折算过来) 的总转动惯量； 札发电机的转子角速度； t 发电机轴上的祝械转矩： t 电磁转矩。 选苏大学硕士学谯论文 内予同步发电机的转速”( r m i n ) 与电流频率，( 点之间衡着严格的关系， 帮：撑。6 0 l ，褥戤。2 万f ，爨馥蠢 a 驴百2 z p 撵 ) 瓣数载裂( 2 5 ) 、( 2 - 6 ) 、( 2 ”7 ) 露餐发魄撬懿缕型曳： j 警鲁母乏 协。， 乏= 季野 上式作拉氏变换则窍： 矗鲁吣m 国剥 沼9 ) 驰) = 孚野淞) ( ”执行戡拇 由链梯降速控制系统的工作原理w 知，本系统怒通过改变发电机的负载电阻 寒改燮毫滚，麸磊渡交发毫辊豹瞧磁转矩，困诧辫黉一个鑫阑管控镄环节来敬交 接入茨毯撼豹受载嘏隧，它本身建一个跨漤繇节，砖递丞数霹戳表示为； 氓( j ) = 鼠f 1 式中爱，晶闸鬻控制珲节放丈倍数； r ，晶闸管控制环节时间常数。 考虑剿一般t 魄起系统其它部分酾时间常鼗往往小，可戳将该时滞环节逝儆 为倭梭环节处理，传递涵数为： 嘴) = 熹 治蛐 ( 3 ) 转速测量单元 传感嚣发出频- g 譬转速成院铡的脉冲售号，冀传递函数楚一个比铡舔带。 g ( s ) 。起 ( 2 ”1 1 ) 江苏大学硕士学位论文 k 。测速通道放大系数。 ( 4 ) 变速机构 因为系统中采用的发电机额定转速m = 1 5 0 0 r m i n ，根据式( 2 7 ) 可求出 发电机转轴的角速度4 = 笔磐心，此时链梯下降速度v ：0 5 m s 0 + - 1 0 ) ，链 n 梯的上链轮和下链轮半径，= o 1 m ，角速度国= v r ，因此需要有一个变速机构 来改变速度，总的变比应该为。 因此发电机转速月与链梯下降速度v 之间的关系为： v 0 ) 综上所述， 蛤 旦即盟：k ：三 n o ) 。n 。 链梯降速控制系统的模型如图2 3 所示。 暑( j ) ( 2 1 2 ) 图2 - 3 链梯降选控制系统的模型图 江苏大学硕士学位论文 第三章控制方案的选择 链梯系统的降速控制是本论文的研究重点，为了使链梯有良好的运行性能， 需要选择合适的控制方案，目前流行的控制算法有p i d 控制、自适应控制、模 糊控制、模糊p i d 控制等，本章主要介绍p i d 控制、模糊控制、模糊p i d 控制 三种控制方法，通过比较选取适合本系统的控制策略。 3 1p i d 控制技术 3 1 1 p i d 控制的基本原理 常规p i d 控制系统原理框图如图3 - i 所示。 图3 - ip d 控制系统原理框图 p i d 控制器是一种比例、积分、微分并联控制器，它是广泛应用的一种控制 器。其数学模型可以用以下式表示： 砸m 水+ 专+ 警 净， 其中：“( ，) 控制器的输出； 口( f ) 控制器的输入，它是给定值和被控对象输出值的差，称偏差信号； 群控制器的比例系数 i 控制器的积分时间常数； 控制器的微分时间常数； 江苏大学硕士学位论文 在p i d 控制中，比例项用于纠正偏差，积分项用于消除系统的稳态误差， 微分项用于减小系统的超调量，增加系统稳定性。p i d 控制器的性能取决于 k ，、乃、这三个系数。如何选用这三个系数是p i d 控制的核心。 p i d 控制器各校正环节的作用如下： ( 1 ) 比例环节即时成比例地反映控制系统的偏差信号e ( f ) ，偏差一旦产生， 控制器立即产生控制作用，以减少偏差。 ( 2 ) 积分环节主要用于消除静差，提高系统的无差度。积分作用的强弱取 决于时间常数正，正越大，积分作用越弱，反之则越强。 ( 3 ) 微分环节能反映偏差信号的变化趋势( 变化速率) ，并能在偏差信号值 变得太大之前，在系统中引入一个有效的早期修正信号，从而加快系统的动作速 度，减小调节时间。 3 1 2 数字p i d 控制算法 在计算机控制系统中，使用的是数字p i d 控制器，数字p i d 控制算法通常 又分为位置式p i d 控制算法和增量式p i d 控制算法。 i 位置式p i d 控制算法【1 6 】 在以微处理器为硬件核心的控制系统中，由于是以采样周期对输入和输出状 态进行实时采样，故它是离散时间控制系统。在离散控制系统中，p i d 控制器采 用差分方程表示为： 下t个 “( t ) = 坼 e ( 女) + 争p ( ，) + 等瞳( 七) 一p ( 一1 ) 】) ( 3 2 ) 1 1 1 = 0 1 或“( t ) = q p ( 七) + e ( ，) + p ( 女) 一p ( t 1 ) 】 ( 3 3 ) 式中：k 采样序号，k = o ，1 2 ； u ( k ) 第k 次采样时刻的计算机输出值： e ( k ) 第k 次采样时刻输入的偏差值； e ( k 一1 ) 第( k 一1 ) 次采样时刻输入的偏差值； 江苏大学硕士学位论文 r 采搀周期 墨联分系数，墨m 墨，霉： 如微分系数，如；耳i t a 爨予接凝器辕溅的u ( k ) 直接去控制执行橇穗( 麴耀f - j ) ，甜( 女) 的蕊鞠技褥瓤 褐豹位蒸( 辍润门并液) 楚一一瓣疲瓣，爨戳邋鬻( 3 - 2 ) 或( 3 - 3 称沟德饕式 p i d 捺铡葵法。 这糖葬法憝缺豢建爨予全蘩输爨，灏鞋每次输滋穆与过去鹣默态鸯关，诗簿 时要对砷潍行蔫热，计算视运算工作藿大。丽凰，因为计髯枫的输出对( 七) 对成 的魑执行税掏的实麟证警，如繁诗篱瓿照现散障。豁懒的大懈度变诧，会簪l 起执 行擞斑臻黉鹣大舔度褒俄，这转清滋镬往是爱产实羧枣不兔谗黪，在浆擅场合， 还可能逸成麓大的生产事故，闲磷产生了增爨斌p i d 算法。 2 。域爨式p i d 控溅舞法 q 警执褥掇撵爨簧鹣慧控裁爨载漤戮翔璇淤疹避毫蔽) 辩，簿盘残- 3 馨惑疆 供增爨鲍p i d 控制冀法。摄据递撼藤璎霹缮： i i u ( k - 1 ) = 酶嚣( 鼯一1 ) 牛旆力十岛鹜( 蠹0 1 ) 一雅一2 ) 】 ( 3 旗) j - e 熙武( 3 。3 减去( 3 0 ) ，霹褥 矗j * ( 妨= k l , e ( k ) - e ( k 1 ) 】+ 轰j 鼍) + 岛 e ( k ) - 2 e ( k - 1 ) + e ( k 一2 ) l = 巧p ( 七) + 群e ( 七) + 如 a e ( k ) - a e ( k - 1 ) 】 ( 3 * 5 ) 式中& ( 瓣= e ( k ) - e ( k 1 ) 式( 3 5 ) 褓为增骛蕊p i d 控溺算法。 霹黻番滋，凌予一簸计算撬控麓系统采麓鼷寇熬采襻鼹勰f ，一爨麟定了 ，k ，j 岛，只簧使溺前嚣三次溯爨稳静镶菱，鼯霹由( 3 5 黎韪控制增爨。 采用增爨式算法时，计算机输出的控制增擞a u ( k ) 对应的是零次执行机构位 置( 懿翅门开度) 懿壤爨。瓣痤弱门实鼯接置麴控裁爨，基戆慕霸鞍多的是列瘸黪 式“( 老) = u ( k 1 ) + 矗豁( 老) 瀵过藏行软件涞完裁。 江苏大学硕士学位论文 增量式控制虽然只是在算法上作了一点改进，但却带来了不少优点： 1 由于计算机输出增量，所以误动作时影响小，必要时可用逻辑判断的方 法去掉。 2 手动自动切换时冲击小，便于实现无扰动切换。此外，当计算机发生故 障时，由于输出通道或执行装置具有信号的锁存作用，敬依然能保持原值。 3 算式中不需要累加。控制增量a u ( k ) 的确定，仅与最近t 次的采样值有关， 所以较容易通过加权处理而获得比较好的控制效果。 但增量式控制也有其不足之处：积分截断效应大，有静态误差；溢出的影响 大。因此，在选择时不可一概而论，一般认为在以晶闸管作为执行器或在控制精 度要求高的系统中，可采甩位嚣控制算法，而在以步进电动机或电动阀门作为执 行器的系统中，则可采用增量控制算法。 3 1 3 传统p i d 控制的局限性及解决办法 p i d 控制器广泛应用于冶金、机械、热工、化工和轻工等工业过程控制中， 对于具有线性特性的被控对象，调试整定好p i d 控制器参数坼，足，置。后，便可 投入生产运行，具有结构简单、稳定性好、可靠性高等优点，在控制理论与自动 化技术飞跃发展的今天，仍有其强大的生命力。但在实际工业过程控制中，许多 被控过程机理较复杂，具有高阶非线性、时变、纯滞后等特点。在噪声、负载扰 动和其它一些环境条件变化的影响下，过程参数甚至模型结构均会发生变化。采 用传统p i d 控制器，难以获得满意的控制效果。当参数变化超过一定的范围时， 系统性能就会明显变差，致使p i d 控制难以发挥作用而无法使用。为克服传统 p i d 控制的不足，提高其适应能力，一种途径是改善p i d 参数的自整定问题，如 在线辨识过程模型。根据辨识模型来整定p i d 参数的自校正p i d 控制器：另一种 途径是寻找新的控制模式，如模糊控制、神经网络控制等；第三种途径是上述控 制模式的组合，如模糊自适应p i d 控制器【捌、神经网络智能p i d 控制口3 1 、精确一 模糊混合控制( 2 4 l 。 1 6 江舔大学硕士学位谂文 3 。2 摸糊控制技术 摸凝控制是一秘凝熬茬潮方法，窀靛鼗举鏊疆、瑾论纂餮籍、蜜瑗方法都秘镄 统的控制方法寄缀大的区剃。 3 2 1 骥糊控铡系统蒗本王作藤瑷 模糊控稍系绞爨一韩巍动控麓蓉绕，它筵娃模糊数学、禊糊谣言形式的知谖 表示鞠模糊逻辑撩遵为瑷论萋磷，采用计算撬控锖技术构藏的种具有两环缝擒 的数字控制系统，般由四个部分组成，原理圈如潮3 - 2 所示。 羹 鹎3 q 模糊醺雠系统艨壤椴图 l 。模糊控制器：实际上是一念微型计冀枫，根据控制系统的嚣要，霹选用邋 题诗葵枧擞霹选爨单片彀。 2 浚入输出接爨装燮：模凝经涮器逶造输入7 输激凑器袋被羧对象获敬数譬 信号爨，辨将模糊控整4 器决策的输出数字信号经过摸甥亿，姆茭转化巍模掇馈号， 送给执行楗稳去控铡按控对象， 3 ，广义对象：龟锸被控霹象藏撬孬辊弱，被控髓象搿戳怒线性懿和嚣线徽 戆、定零或时变的，也霹默是擎变爨或多变量、蠢黠漤爨或霉联乎扰等多秘攮撮。 当毅羧黠象软乏猿磷数学模娶静馕凝遴窘选择搂赣羧锻，毽毽不撵滁寿较精确数 学楱鍪静被羧对蒙聚蠲模糊控潮鹃方案。 4 铃感嚣：糖感嚣燕将被控辩象藏萋静过程豹旋控制鬣转羧为毫蒸铸号鹣 一类装鬻。被控割爨绽往都是嚣毫壤，黧温菠、滠力、流璧、浓澄、漫壤等。传 感器在禳糊控翻系统中占有十分纛臻静麓证，它静精度往缝誊攘影桶整个控制系 统黪精度。 模襁控蒜l 器楚模獭搜锱系统酌核心，一个模糨控涮系统豫憨静优劣，塞甏取 决予模猢控涮嚣酌结构，懿及新采用的穰糊擒刘、合成推理算法和模糊决策方法 江苏大学硕士学位论文 等因素。模糊控制器的基本结构如图3 - 3 所示。它包括：输入量模糊化接口、知 识库( 包括数据库和规则库) 、推理机和输出解模糊接口四个部分引。 广一一一一一一一一一一一一一一一一一_ 一一一一一一一一1 1 ，! 图3 - 3 模糊控制器组成框图 1 模糊化接口 模糊化的作用是将输入的精确量转换成模糊量。其输入量包括外界的参考 输入、系统的输出或状态等。模糊化接口对输入量进行尺度变换，将它们从原来 的物理量论域转换到模糊控制器所要求的论域内，然后对变换后的输入量进行模 糊处理，使其从精确量变为模糊量，并用相应的模糊集合来表示。 2 知识库 知识库包含了模糊控制器具体应用领域中的知识和要求的控制目标，它通常 由数据库和模糊控制规则库两部分组成。数据库主要包含各语言变量的隶属度函 数，尺度变换因子及模糊空间的分级数等：规则库包含用语言变量所描述的一系 列模糊控制规则，它们反映了控制专家的经验和知识，因此模糊控制规则库是模 糊控制系统中不可缺少的基础。 3 模糊推理机 模糊推理机是模糊控制器的核心，它具有模拟人的基于模糊概念的推理能 力。模糊推理机运用知识库内的模糊规则，按照模糊逻辑中的蕴含关系以及各种 方法进行模糊推理。目前，模糊推理有很多种方法，常用的是z a d e h 的模糊推理 算法和l a m d a n i 的模糊推理算法。 4 解模糊接口 解模糊的作用是将模糊推理得到的控制量( 模糊量) 变换为实际用于控制的 清晰量。首先将输出的模糊控制量按照一定的规则变换成为同一论域内的一个精 确量，然后对这个精确量经尺度变换变成实际的控制量。解模糊可以看作是模糊 江苏大学疆士学位论文 化的反过穰。 模期捺静l 器的控制规刚由计算机程序实现，微机通过采样获鞭被控制量的精 臻餐，然瓣籍瑟羹与给定值魄较德戮误差售鸯g 释谖差变纯率髓，作为模糊羧稍 器静输入擞，、并把误差傣号e 朔误熬嶷化攀删的横确量进行模糊化交成模糊霎 e 、e c ，横獭萋掰甩橱虚的模糊谮亩表示。模糊逻辑决策嚣擞据控制觏则决定 静模糊关系r ，斑弱模糯逻辑掇理髯法褥密羧制器髂模颧输出鬃扩，最衙精确计 算褥到控制量雄，经数模转换，变为精确的模拟慧质送绘执行檄构，对被控对象 进行控铡。 综上掰述，模糊控镧算法可概括为以下四个步骤： ( 1 ) 根撼本次采栉得剿的系统输出傻，计算所选系统的输入交爨； ( 2 ) 将输入量的精确德变为模糊鲎； ( 3 ) 撤帮输入交爨模糊囊) 。和模糊控制规剩，按摸耪捺理合成摸糊拣制规则 计算控制量( 模糊霪) ； ( 4 ) 幽上述得到鹣控制变量 j 增大，j l 雩系绕竣态交张豹耱麓毵力德夫，灌燕7 系统懿稳定程。 过大，系统输出上升速率过小，系统的过渡时间变长； 0 过小，系统输出上升 速率壤大，可戆导数系统竣基产生遘大懿超遴鞠摄荡。 3 2 2 3 模糊规则形成和推理 ( 1 ) 输入赣毫空瘸懿模糊分害l 模糊控制规则中前提的语言变量构成模糊输入空间，结论的语言变量构成模 糊输出空间。每个语宙变量的取假为一组模糊谮富名称，它们构成了语言名称的 集合。每个语言名稼对应一个模糊集合。对予每令语言名称，其取蓬豹模糊集合 具有相阍的论域。这魑语言名称通常具有一定的含义。如：n b ( 负大) ；z e ( 零) ； p b ( 正大) 。设论域为 _ l ，+ 1 ，隶属函数的形状为三角形。圈3 1 4 表示了模糊分 蘩懿铡予。 江苏大学硕士学位论文 瞅。 图3 - 4 模糊分割的图像表示 ( 2 ) 模糊规则形成和推理 模糊规则的形成是把有经验的操作者或专家的控制知识和经验制定成若干 模糊控制规则，为了能存入计算机，还必须对它们进行形式化数学处理。这些规 则可以用自然语言来表达，例如： “如果距离较大而且距离还在继续增大，那么速度就要减小。” 为了形式化，可以表示为： “如果a 且b 那么c ”( i faa n dbt h e nc ) 。 再模仿人的模糊逻辑推理过程，确定推理方法。这样，计算机就可用模糊化的输 入量，根据制定的模糊控制规则和事先确定好的推理方法进行模糊推理，并得到 模糊输出量，即模糊输出隶属度函数。 根据模糊集合和模糊关系理论，对于不同类型的模糊规则可用不同的模糊推 理方法。常用的模糊推理方法有最大最小推理和最大乘积推理两种。 3 2 2 4 输出量的解模糊 有了模糊关系足( f _ 1 2 ，玎) 则输出语言变量论域上的模糊子集u 可记为 u = u 陋e c ) 。r s ( 3 9 ) i = l 但此对，模糊控制器的输出是一个模糊量，不能直接控制被控对象，还需要 采取合理的方法将模糊量转换为精确量，以便最好地发挥模糊推理结果的决策效 果。把模糊量转换为精确量的过程称为非模糊化，或解模糊化。解模糊化的方法 很多，不同的方法有不同的结果。在实际应用中常用的有最大隶属度法、重心法、 中位数法、左取最大法、右取最大法、最大平均值法。在此仅介绍模糊自动控制 中常用的三种解模