（机械制造及其自动化专业论文）智能全数字直流调速系统理论研究与设计.pdf

武汉理丁大学硕士学位论文 摘要 出于变频技术的出现，交流调速一直冲击直流调速，但综观全局，尤其 是我国在此领域的现状，再加上全数字直流调速系统的出现，提高了直流调 速系统的精度及可靠性，直流调速仍将处于重要地位。 对于直流调速系统转速控制的要求有稳速、调速、加速或减速三个方面， 而在工业生产中对于后两个要求已能很好地实现，但工程应用中稳速指标却 往往不能达到预期的效果，稳速要求即以一定的精度在所需要的转速上稳定 运行，在各种干扰下不允许有过大的转速波动。稳速很难达到要求原因在于 数字直流调速装置中的p i d 调节器对被控对象及其负载参数变化自适应能力 差。 模糊控制不要求被控对象的精确模型且适应性强，为了克服常规数字直 流调速装置的缺点，本文将模糊控制与p i d 调节器结合，着手f u z z y p i d 复 合控制方案理论研究和硬件的实现，设计出相关控制方案的直流调速系统， 该方案以a t 8 9 s 5 1 单片机为主控单元，高精度位置控制l m 6 2 9 为电机控制 芯片与一些外围电路构成硬件系统；以参数模糊自整定p i d 为控制策略。本 论文对于系统的硬件及软件设计进行了详细的解释，包括电机控制模块、保 护电路的设计、检测模块、电机驱动模块的设计等，以及软件的控制思想和 编程方法。本系统的设计顺应了目前国外直流凋速朝着数字化，发展的趋势， 充分利用了单片机的优点，使得通用性得到了提高。 经过大量实验证明此控制器的各项性能指标优于模糊控制器和常规p i d 控制器，具有很强的鲁棒性。 关键词：模糊控制；直流调速；稳态性能；单片机 武汉理工大学硕士学位论文 a b s tr a c t a f t e rf r e q u e n c yc o n v e r s i o nt e c h n o l o g ya p p e a r e d ，a cs p e e dr e g u l a t i o n m e t h o dh a da l w a y s i m p a c t e dd cs p e e dr e g u l a t i o n ，b u tg e n e r a l l ys p e a k i n g ， e s p e c i a l l yt h es t a t u si no u rc o u n t r y , i na d d i t i o nt od i g i t a ld cs p e e dr e g a l a t i o n e m e r g e d ，i ti m p r o v i n gt h ep r e c i s i o na n dt h er e l i a b i l i t yi nd cs p e e dr e g u l a t i o n s y s t e m d cs p e e dr e g u l a t i o nw a sa l s oi nt h ei m p o r t a n t s t a t u s s p e e ds t a b i l i t y 、s p e e dr a t i o 、a c c e l e r a t i o n 、d e c e l e r a t i o na t et h ef o u rf a c t o r si n d cs p e e dr e g u l a t i o ns y s t e m ，t h el a s tt w of a c t o r sa l r e a d yr e a c h e dw e l li ni n d u s t r y a p p l i c a t i o n b u tt h es t a b i l i t yi n d e xd o e sn o tm a t c ht h ed e s i r e dp u r p o s e s t a b i l i t y i n d e xi st h a tt h ed cm o t o rr u n n i n gi nt h ep r e c i s i o nr a n g eo nd e s i r e ds p e e d ，e v e ni f t h es y s t e mh a su n c e r t a i nd i s t u r b a n c e i ti sh a r dt or e a l i z eb e c a u s eo fa d a p t i v e a b i l i t yd i g i t a ld cs p e e dr e g u l a t i o nd e v i c ei sn o te n o u g hw h e ni nt h ec o n d i t i o no f t h el o a dp a r a m e t e r sc h a n g eu n p r e d i c t a b l y f u z z yc o n t r o ld o e sn o tn e e dp r e c i s i o nm a t h e m a t i cm o d e lt oc o n q u e rt h e s h o r t c o m i n g i nr o u t i n ed i g i t a ld c s p e e dr e g u l a t i o n w ec a nc o m b i n ew i t ht h ep i d a d j u s t e ra n df u z z yc o n t r o l ，f o c u s i n go nt h e o r yr e s e a r c ha n dr e a l i z a t i o no ff u z z y - p i d c o m p o u n dc o n t r o ls c h e m e ，d e s i g nr e l e v a n td cs p e e dr e g u l a t i o ns y s t e mw a s d e s i g n e di nt h ed i s s e r t a t i o n t h i ss c h e m ei sb a s e do nt h ec o r eo f a t 8 9 s 5 1s i n g l e c h i p ，p r e c i s i o nm o t i o nc o n t r o l l e rl m 6 2 9a n ds o m ep e r i p h e r a lc i r c u i t s ，f u z z y s e l f - t u n i n gp i d i st h ec o n t r o ls t r a t e g y , t h i sd i s s e r t a t i o na l s oi n t r o d u c et h ep l a no f h a r d w a r ea n d s o f t w a r e ，i n c l u d i n gd c m o t o rc o n t r o lm o d u l e 、p r o t e c tc i r c u i t 、d r i v e r m o d u l e 、e x a m i n ec i r c u i ta n ds oo ni nd e t a i l ，i f e x p l a i n e dt h em e t h o do f c o n t r o la n d t h et h o u g h to fs o f t w a r e ，t h i ss y s t e mg o tu s e dt ot h et r e n do fd i g i t a lp o w e ri nt h e i n t e r n a t i o n a l ，u s e dt h es i n g l em i c r o c o m p u t e rf u l l y ，a n di m p r o v e e dt h eg e n e r a lu s e o ft h ep o w e r m a n ye x p e r i m e n t sr e s u l t ss h o w e dt h a ta l lp e r f o r m a n c ei n d e x e so fp a r a m e t e r s e l f - a d j u s t i n gf u z z yl o g i cp i dc o n t r o l l e rw a si na d v a n c eo ft h o s eo ft h es i m p l e f u z z yc o n t r o l l e ra n dt h ec o n v e n t i o n a lp i dc o n t r o l l e r e s p e c i a l l y , t h ea d a p t i v e f u z z yc o n t r o l l e rw a sr o b u s t k e y w o r d s ：f u z z yl o g i cc o n t r o l ( f l c ) ；d cs p e e dr e g u l a t i o n ；s t a b i l i t y p e r f o r m a n c e ；s i n g l em i c r o - c o m p u t e r 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 序言 第一章绪论 在现代化的工业生产过程中，几乎无处不使用电力传动装置，生产工艺、 产品质量的要求不断提高和产量的增长，使得越来越多的生产机械要求能实 现自动调速。对可调速的电气传动系统，可分为直流调速和交流调速。直流 电动机具有优良的调速特性，调速平滑、方便，易于在大范围内平滑调速， 过载能力大，能承受频繁的冲击负载，可实现频繁的无级快速起制动和反转， 能满足生产过程自动化系统中各种不同的特殊运行要求，至今在金属切削机 床、造纸机等需要高性能可控电力拖动的领域仍有广泛的应用，所以直流调 速系统至今仍然被广泛地应用于自动控制要求较高的各种生产部门，是截止 到目前为止调速系统的主要形式。 1 2 直流调速系统发展史 直流电气传动系统中需要有专门的可控直流电源，常用的可控直流电源 有以下几种：第一，最初的直流调速系统是采用恒定的直流电压向直流电动 机电枢供电，通过改变电枢回路中的电阻来实现调速。这种方法简单易行， 设备制造方便，价格低廉。但缺点是效率低、机械特性软、不能在较宽范围 内平滑调速，所以目前极少采用。第二，三十年代末，出现了发电机一电动 机( 也称为旋转变流组) ，配合采用磁放大器、电机扩大机、闸流管等控制器 件，可获得优良的调速性能，如有较宽的调速范围( 十比一至数十比一) 、较 小的转速变化率和调速平滑等，特别是当电动机减速时，可以通过发电机非 常容易地将电动机轴上的飞轮惯量反馈给电网，这样，一方面可得到平滑的 制动特性，另一方面又可减少能量的损耗，提高效率。但发电机、电动机调 速系统的主要缺点是需要增加两台与调速电动机相当的旋转电机和一些辅助 励磁设备，因而体积修困难等。第三，自出现汞弧变流器后，利用汞弧变流 器代替上述发电机、电动机系统，使调速性能指标又进一步提高。特别是它 的系统快速响应性是发电机、电动机系统不能比拟的。但是汞弧变流器仍存 在一些缺点：维修还是不太方便，特别是水银蒸汽对维护人员会造成一定的危 害等。第四，1 9 5 7 年，世界上出现了第一只晶闸管，与其它变流元件相比， 晶闸管具有r i ：多独特的优越性，因而晶闸管直流调速系统立即显示出强大的 武汉理工大学硕士学位论文 生命力。由于它具有体积小、响应快、工作可靠、寿命长、维修简便等一系 列优点，采用晶闸管供电，不仅使直流调速系统经济指标上和可靠性有所提 高，而且在技术性能上也显示出很大的优越性。晶闸管变流装置的放大倍数 在1 0 0 0 0 以上，比机组( 放大倍数1 0 ) 高1 0 0 0 倍，比汞弧变流器( 1 0 0 0 ) 高l o 倍：在响应快速性上，机组是秒级，而晶闸管变流装置为毫秒级。 从2 0 世纪8 0 年代中后期起，以晶闸管整流装置取代了已往的直流发电 机电动机组及水银整流装置，使直流电气传动完成一次大的跃进。同时，控 制电路已经实现高集成化、小型化、高可靠性及低成本。以上技术的应用， 使直流调速系统的性能指标大幅提高，应用范围不断扩大，赢流调速技术不 断发展。 随着微型计算机、超大规模集成电路、新型电子电力开关器件“2 1 和传感 器的出现，以及自动控制理论、电力电子技术、计算机控制技术的深入发展， 电气传动装置不断向前发展。微机的应用使电气传动控制系统趋向于数字化、 智能化，极大地推动了电气传动的发展。近年来，一些先进国家陆续推出并 大量使用以微机为控制核心的多种直流电气传动装置，如西门子公司的 s i m o r e gk6 r a 2 4 、a b b 公司的p a d p s d o “，等等。 1 3 直流调速控制装置的国内外发展现状 数字直流调速装置，从技术上，它能成功地做到从给定信号、调节器参 数设定、直到触发脉冲的数字化，使用通用硬件平台附加软件程序控制一定 范围功率和电流大小的直流电机，同一台控制器甚至可以仅通过参数设定和 使用不同的软件版本对不同类型的被控对象进行控制，强大的通讯功能使它 易和p l c 等各种器件通讯组成整个工业控制过程系统，而且具有操作简便、 抗干扰能力强等特点，尤其是方便灵活的调试方法、完善的保护功能、长期 工作的高可靠性和整个控制器体积小型化，弥补了模拟直流调速控制系统的 保护功能不完善、调试不方便、体积大等不足之处，且数字控制系统表现出 另外一些优点，如查找故障迅速、调速精度高、维护简单，使其具备了广阔 的应用前景。 国外主要电气公司如瑞典的a b b 公司、德国的西门子公司、a e g 公司、r 本的三菱公司、东芝公司、美国的g e 公司、西屋公司等，均己开发出全数字 直流调速装置，有成熟的系列化、标准化、模板化的应用产品“。 武汉理工大学硕士学位论文 我国从2 0 世6 2 6 0 年代初试制成功第一只硅晶闸管以来，晶闸管直流调速系 统也得到迅速的发展和广泛的应用。目前，晶闸管供电的直流调速系统在我国 国民经济各部门得到广泛的应用。 我国关于数字直流调速系统的研究主要有：综合性最优控制“，补偿p i d 控制，p i d 算法优化“o 。“，也有的只应用模糊控制技术。”。吲，很少将智能控 制应用于其中。 随着新型电力半导体器件的发展，i o b t 。”( 绝缘栅双极型晶体管) 具有开 关速度快、驱动简单和可自关断等优点，克服了晶闸管的主要缺点。我国直流 调速正向着脉宽调制方式。”。发展。 我国现在大部分数字化控制直流调速装置依靠进口o “。但由于进口设备价 格昂贵，也给出了国产全数字控制直流调速装置的发展空间。目前，国内许多 大专院校、科研单位和厂家也都在开发全数字直流调速装置。 1 4 直流电动机的调速方法 直流电机转速n 的表达式为： 。：坠二圣婆( r m i r a ) ( 1 - 1 ) c 垂 式( 卜1 ) 中：u 。电枢端电压( v ) ； i o - - 电枢电流( a ) ； 足。一电枢电路总电阻( q ) ； 垂一每极磁通量( w b ) ： g 一与电机结构有关的常数； 由( 1 1 ) 式可知，直流电机转速1 1 的控制方法有三种： ( 1 ) 调节电枢电压u a 。改变电枢电压从而改变转速，属恒转矩调速方法，动 态响应快，适用于要求大范围无级平滑调速的系统； ( 2 ) 改变电机主磁通巾只能减弱磁通，使电动机从额定转速向上变速，属恒 武汉理工大学硕士学位论文 功率调速方法，动态响应较慢，虽能无级平滑调速，但调速范围小； ( 3 ) 改变电枢电路电阻r a 在电动机电枢外串电阻进行调速，只能有级调速， 平滑性差、机械特性软、效率低。 改变电枢电路电阻的方法缺点很多，目前很少采用：弱磁调速范围不大， 往往与调压调速配合使用：因此，自动调速系统以调压调速为主，这也是论文 中设计系统所采用的方法。 改变电枢电压主要有三种方式：旋转变流机组、静止变流装置、p w m ( 脉宽 调制变换器( 或称直流斩波器) 。 ( 1 )旋转变流机组用交流电动机和直流发电机组成机组以获得可调直流电 压，简称g m 系统，国际上统称w a r d l e o n a r d 系统，这是最早的调压调速系 统。g _ m 系统具有很好的调速性能，但系统复杂、体积大、效率低、运行有噪 音、维护不方便。 ( 2 )2 0 世纪5 0 年代，开始用汞弧整流器和闸流管组成的静止变流装置取代 旋转变流机组，但到5 0 年代后期又很快让位于更为经济可靠的晶闸管变流装 置。采用晶闸管变流装置供电的直流调速系统简称v m 系统，又称静止的 w a r d l e o n a r d 系统，通过控制电压的改变来改变晶闸管触发控制角o ，进而改 变整流电压u 。的大小，达到调节直流电动机转速的目的。v m 在调速性能、 可靠性、经济性上都具有优越性，成为直流调速系统的主要形式。 ( 3 )p w m ( 脉宽调制) 变换器又称直流斩波器，是利用功率开关器件通断实现 控制，调节通断时间比例，将固定的直流电源电压变成平均值可调的直流电 压，亦称d c d c 变换器。 1 5 模糊控制在电气传动中的应用 模糊控制( f u z z yc o n t r 0 1 ) 是基于规则的一种智能控制方式，它不依赖于 被控对象的精确数学模型，特别适宜对具有多输入多输出的强耦合性、参 数的时变性和严重的非线性与不确定性的复杂系统或过程的控制，且控制方 法简单，鲁棒性好。近年来，许多学者进行了将模糊控制引入电气传动系统， 特别是直流传动控制系统的研究，其中主要的方面有： 1 基于常规模糊控制器的电机速度控制 模糊控制器处于最外环，而内环仍保留矢量控制等传统控制方法。用模 4 武汉理工大学硕士学位论文 糊控制器取代常规的p i 或p i d 控制器，以提高系统的动态性能，在参数变化、 负载扰动的情况下仍可得到快速、强鲁棒性的控制。 2 模糊p i d 控制器在调速中的应用 将模糊控制与其它控制手段结合起来的复合模糊控制比传统控制具有更 快的动态特性和小的超调量，比单纯的模糊控制有更高的稳态精度。模糊p i d 控制器用模糊控制的方法在线调节p i d 参数，以达到较好的动态性能， f u z z y - p i 复合控制是将p i 控制策略引入模糊控制器，在大偏差范围内采用模 糊控制，在小偏差范围内转换为p i 控制。 3 基于自适应模糊控制器的直流电机控制 在模糊控制系统中，最大的问题是当对象参数、给定或扰动变化过大时， 很难获得满意的控制效果。因此人们提出了许多改进方案。将自组织模糊控 制器用于电机调速系统的研究，提出了一种直接修改模糊控制器算法。在一 定程度上解决了常规模糊控制器参数在控制过程中不变而满足不了变频调速 系统响应速度快且稳度精度要求高的问题。因为模糊控制一般为p d 控制，当 控制精度要求高的时候则很难满足要求，有人提出了一种自适应模糊控制器， 根据控制的误差值，通过适当的调节规则来调整一些关键控制参数值，使系 统能自动适应被控对象参数及结构的变化，该控制器用于高精度直流调速系 统中，使系统具有响应快、超调小、对系统参数及结构变化适应性强的优点。 1 6 选题的目的、意义和主要内容 1 6 1 课匿研究的目的、意义 由于变频技术的出现，交流调速一直冲击直流调速，但综观全局，尤其 是我国在此领域的现状，再加上全数字直流调速系统”“”的出现，更提高了直 流调速系统的精度及可靠性，直流调速仍将处于重要地位。1 。 对于直流调速系统转速控制的要求有稳速、调速、加速或减速三个方面， 而在工业生产中对于后两个要求已能很好地实现，但工程应用中稳速指标却 往往不能达到预期的效果，稳速要求”3 即以一定的精度在所需要的转速上稳 定运行，在各种干扰下不允许有过大的转速波动。 稳速很难达到要求原因在于数字直流调速装置中的p i d 调节器对被控对 象及其负载参数变化自适应能力羞。直流电机的数学模型不难得到，这使得 5 武汉理丁大学硕士学位论文 经典控制理论在已知被控对象的传递函数才能进行设计的前提得到满足，大 部分数字直流调速控制器就是建立在此基础上的。然而，在实际的传动系统 中，电机本身的参数和拖动负载的参数并不如模型那样一成不变，尤其对于 中小型电机，在某些应用场合随工况而变化；同时，直流电机本身是一个非 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，因此，被控 对象的参数变化与非线性特性，使得线性常参数p i d 调节器顾此失彼，不能 使系统在各种工况下都能保持设计时的性能指标，往往使得控制系统的鲁棒 性差，特别是对于模型参数大范围变化且具有较强非线性环节的系统，常规 p i d 调节器难以满足高精度、快响应的控制要求，常常不能有效克服负载、模 型参数的大范围变化以及非线性因素的影响“卜。1 。在工程上，这种控制器就很 有可能满足不了生产的需求，如：轧钢工业同轴控制系统、回转窑传动装置、 轧辊磨床拖板电控系统等都需要在生产过程中保持稳定的转速要求，而生产 负载参数却是随着工况变化的随机变量。 模糊控制不要求被控对象的精确模型且适应性强，为了克服常规数字直 流调速装置的缺点，可将模糊控制与p i d 调节器结合，形成f u z z y p i d 复合 控制“”q 埘方案，设计能在负载、模型参数的大范围变化以及非线性因素的影 响下满足控制稳定转速精度要求的直流电机控制器。 1 6 2 本课题所做的主要内容 本文采用p 踟( 脉宽调制) 控制方法，设计并制作出具有模糊控制全数字化 直流调速控制器，解决直流电机负载参数时变情况下能满足稳定转速精度 的要求，具体分以下四个方面： 1 ) 闭环模糊直流调速系统的理论研究； 2 ) 主控单元采用a t 8 9 s 5 1 单片机完成模糊规则推理； 3 ) 电路设计采用p r o t e l 硬件设计软件； 4 ) 运用试凑法完成模糊规则库的优化； 5 ) 采用串口通讯在p c 机上完成速度的设定及实际速度显示。 武汉理工大学硕士学位论文 第二章直流调速系统的理论研究 2 。1 控制系统的性能指标 2 1 1 跟随性能指标 典型的跟随过程指在零初始条件下系统输出量对阶跃给定输入的响应过 程，图4 - 1 表示了单位负反馈系统的跟随过程，图中r ( t ) ，c ( t ) 分别为阶跃给 定输入量与系统输出量，c r 为c ( t ) 的稳态值。一般采用超调量与过渡过程时 间来定量描述。 e “) 2 1 系统对阶跃给定的跟随过程 1 过渡过程时间t ，：它指的是输出量到达并不再超出稳态值的范围所需 的时间，也称为调节时间。显然t ，小，过渡过程就短。因此它可以衡量过渡 过程的快速性。 2 超调量o 指的是输出量与稳态值间最大差值与稳态值c r 之比的百分 值，其值越大则超调越严重，一个稳定的系统也会历经较明显的振荡才稳定 下来。因此它可以衡量过渡过程的稳定性。 口：a c m a x 1 0 0 2 1 2 抗扰性能指标 图3 2 表示了系统对阶跃扰动的响应过程，图中f ( t ) ，c ( t ) 分别为阶 跃扰动量与输出量。 武汉理工大学硕十学位论文 图2 - 2 系统对阶跃扰动的响应过程 1 恢复时间t ，：它是由扰动出现瞬间至输山量恢复到并不再超越以稳态 值为中心的某一区间时为止的一段时间，其值越小则恢复越快，因此它是衡 量抗扰的快速性的。 2 最大动态降落c 一：它是c 一。对稳态值的相对百分值。显然， 对于一个稳定系统来说大的动态降落将经历较明显的振荡过程才能稳定下 来，因此能衡量抗扰过程的稳定性。 a c 一。a c m a x 1 0 0 2 2 转速负反馈闭环直流调速系统 额定励磁下他励直流电动机的等效电路圈见图2 - 3 。 u j d o 一 d km 夕 图2 - 3 直流电动机等效电路图 由图2 - 3 可以列出微分方程整理后得： u 。o - e = r ( ”霉挚 ( 2 ，1 ) 武汉理工大学硕士学位论文 ，。- - l d l 玉r 警 沼2 ， 式( 2 1 ) ( 2 2 ) 中： 0 。云电枢回路电磁时间常数 g d 2 电力拖动运动系统部分折算到电机轴上的飞轮转 矩，单位为n m 2 。 c ，。翌电机额定励磁下的转矩电流比，单位为n m a 。 t 。j 塑电力拖动系统机电时间常数，单位为s 。 1 3 7 5 c 。c 。 4 “。”“7 。 瓦。包括电机空载转矩在内的负载转矩。 ，皿一芋负载电流。 将上述( 2 - 1 ) ( 2 - 2 ) 式在零初始条件下进行拉式变换，整理后可以得到额定 励磁电流下直流电动机的动态结构图，见图2 4 。 i d ：l ( s ) 图2 - 4 直流电机动态结构图 从图2 4 中可见，直流电动机有两个输入量，一个是理想的空载直流电 压u ，另一个是负载电流，。，前者是控制输入量，后者是扰动量。 若不考虑扰动，直流电动机的数学模型如图2 5 。 图2 - 5 不考虑负载扰动的直流电动机数学模型 2 2 1 闭环调速系统工作原理 当生产机械对调速静差率有要求时，开环控制系统实现的调速范围：不人 9 武汉理t 大学硕士学位论文 只有设法减小静态速降血一但开环系统在额定电流，。时如= i n t o r c 。是 无法减小的，只有从控制手段上减小转速降，引入转速n 的负反愤，改成转 速负反锁单闭环调速系统。 为突出主要矛盾，可作以下的假定： 1 假定各环节的输入输出关系都是线性的； 2 假定电流始终连续； 3 忽略各直流电源与电位器器的等效内阻。 这样有u ，= k ，u 。 u d o ；虬u 。 。二生塑 c 。 u h = a l x 玎 其中k ，为放大器电压放大倍数，k a 为触发装置的电压放大倍数，口，为 转速反馈系数，由此得到如图2 6 的静态结构图。 至。 图2 - 6 转速负反馈闭环系统静态结构图 上图中与转速成正比的反馈信号u n 与给定信号u ( a ) 比较后得偏差信号 u n ，它经放大后得到控制信号u c 。改变u ( a ) 。可实现平滑无级调速。 由以上静态结构图易得闭环系统的静特性方程为： n ；筹等一丽l o r z 1 0 c l - - a n c “2 删 。( 1 + k ) c 。( 1 + ) “ 式中kz k 。k 。c 。为闭环系统的开环放大倍数，n 。，、a n 。，分别为闭环 系统的理想空载转速与静态速降。 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 2 。2 2 静特性及其分析 如果把闭环系统的的反馈回路断开，就成了开环系统，此时a ，= o ，可得 机械特性方程为 n；型一坐：n呻一an(2-4)cc ee q口 式中“咖，抽。分别表示开环系统的理想空载转速与静态速降。 比较闭环与开环系统的机械特性，可得以下结论： ( 1 ) 闭环系统的理想空载转速n 。，为开环系统n 。的i ( i + k ) o ( 2 ) 若升。，与站。相等，对于相同负载，闭环系统的静态速降是开环系统 的1 ( 1 + k ) 倍，说明闭环系统静特性比开环系统的机械特性硬度大。闭环系 统的开环放大倍数k 越大，其静特性的硬度越大。k 的最大取值受系统的稳定 性条件限制。 ( 3 ) 若闭环系统与开环系统的最高转速都是电动机的额定转速，对静差 率s 的要求也相同，则闭环系统的调速范围为开环系统的( 1 + k ) 倍。 开环系统o ( a ) 一定时，u 。为恒值，它不随，。而变化，负载增大时，。增 大，电枢电阻压降增大，由u 。= c e n + i o r 可知转速会下降。而闭环系统中 转速稍有下降，u ，增大，u , i 。增大，熊补偿因电流增大而增加的电枢回路电 阻压降。何增加( 减小) 一点负载，整流电压就提高( 减小) 一点。如图2 7 将 每一条开环机械特性上相应的工作点连起来即为闭环系统的静特性。显然系 统闭环后负载电流变动下引起的速降减小。 图2 7 开环机械特性与闭环静特性关系 武汉理工大学硕士学位论文 只有k 为无穷大才有竹。，= 0 ，且k 值受系统动态稳定条件的限制，可见这种闭 环系统能减小静差，不能消除静差，为有静差调速系统。 2 2 3 具有p l 调节器无静差调速系统 前面的转速负反馈单闭环系统总有静差是因为电压放大器为比例放大器 ( 也称p 调节器) 。调速系统一般采用比例积分调节器( 也称p i 调节器) ，p i 调节器的输出由两个分量组成，一是比例分量，二是积分分量，它能随时间 对输入信号不断的积累。当突加输入信号时，相当于放大倍数为k p 的比例调 节器：当输入不为零时，积分作用将不断地继续下去，输出积累上升，直到 限幅最大，一旦输入为零，输出保持在此时的数值上；稳态时p i 调节器的放 大倍数是它本身的开环放大倍数，极大的开环放大倍数使系统基本无静差。 p i d 控制是工业控制过程中应用最多的一种控制方式，其原因是：第一， 由于p i d 控制器具有简单而固定的形式，在很宽的操作条件范围内都能保持 较好的鲁棒性：第二，给设计人员提供了一种简单而直接的调节方式。三种不 同形式的控制作用组合用来跟踪被控对象的不同变化速度，使调节系统的动 态误差更小。对于一些非线性复杂对象，尽管p i d 大多数采用了近似描述和 线性化原理，但其最终的模型表示形式应该是确定的，而且利用它能够容易 地得到精确定量解。p i d 具有结构简单，参数物理意义明确，动态和静态特性 优良等显著优点，在各种新控制理论不断出现的今天，在工业过程中仍占据 主要位置。 控制作用u 由误差e 的比例、积分、微分三项之和给出： “- t p e + t l p + k p p i i ) 控制中的比例增益凡、积分增益凡和微分增益凡均为常数，一旦控制 器设计好以后，在控制过程中不再改变，因此p i d 控制属于线性定常控制。 比例控制作用对系统误差及时响应，使p i d 控制的对象朝误差减小的方向 变化，缺点是对于具有自平衡能力( 即系统阶跃响应终值为一有限值) 的被控 对象存在静差；加大比例作用可以减小静差，会导致系统超调量增大，使系 统的动态性能变坏。积分控制能对误差进行记忆并积分，有利于消除系统的 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 静差，不足之处在于积分作用具有滞后特点，积分作用太强会使被控对象的 动态品质变坏，以至于导致闭环系统不稳定。微分控制作用，能感觉出误差 的变化趋势，增大微分控制作用可加快系统响应，使超调量减小，缺点是对 于干扰同样敏感，使系统对干扰的抑制能力降低。 在工业过程中，被控对象数学模型己知的情况下，应用p i d 的3 种控制作 用的控制效果正确调节调节器的各个参数，可以获得比较满意的控制效果。 因为其算法简单，参数调整方便，并具有一定的控制精度，并在实际中取得 良好的效果，因此它已成为当前最为普遍采用的控制算法。 但由于控制对象变化的随机性和复杂性，既要获得足够的精度又便于系 统分析设计的合适的数学模型是相当困难的，在实际的传动系统中，电机本身 的参数和拖动负载的参数( 转动惯量) 并不如模型那样一成不变，在某些应用 场合随工况而变化；同时，直流电机本身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，因此，被控对象的参数变化与非线性 特性，使得线性常参数p i d 调节器顾此失彼，不能使系统在各种工况下都能 保持设计时的性能指标，往往使得控制系统的鲁棒性差，特别是对于模型参 数大范塑变化且具有较强非线性环节的系统，常规p i d 调节器难以满足高精 度、快响应的控制要求，常常不能有效克服负载、模型参数的大范围变化以 及非线性因素的影响。上述因素的影响，即一个调好参数的p i d 控制器对于 在另外一个环境下对具有同样铭牌数据的直流电机进行控制，系统的性能可 能会变差，有时甚至造成系统不稳定，工业现场的调试人员不得不重新调节 p d 各参数，这给工程现场调试人员带来很大的不方便。 2 。2 4 模糊控制和p l d 控制的结合 模糊控制是一种典型的智能控制方法，其最大的特点是将专家的经验和 知识表示为语言控制规则，并应用这些语言控制规则去控制系统，这样它可 不依赖于被控对象的精确数学模型，能够克服非线性因素的影响，对被控对 象的参数变化具有较强的鲁棒性。它不用建立数学模型，根据实际系统的输 入输出结果数据，参考现场操作人员的操作运行经验，就可对系统进行实时 控制。模糊控制对干扰和参数变化不敏感和模糊控制不用建立数学模型的特 武汉理工大学硕士学位论文 点，使得模糊控制对在不同环境下的同一直流电机对象( 在不同环境下，同一 对象的参数或许己经发生了不小的变化进行控制，或是己经调好的模糊控制 系统应用于参数稍有变化的控制对象时，系统性能没有多大变化，使得现场 调试人员不必为同一控制对象设置不同的调试参数。 如前所述，常规模糊控制和传统控制方法( 如p i d 控制) 相比，具有无需 建立被控对象的精确数学模型、对被控对象的非线性和时变性具有一定的适 应能力即鲁棒性好等特点。但是常规模糊控制也存在，一些缺点和不足： ( 1 ) 模糊控制是根据专家的经验来对被控对象实施控制的，而人的经验并非 完美无缺，因而模糊规则易受人的主观性影响；而且在采用启发式规则实现 模糊控制时，已隐含地假设过程不会产生超出操作者经验范围的显著变化， 从而使模糊控铝4 器仅限于在操作者富于经验的工况下应用，而不具有适应过 程持续变化的能力。 ( 2 ) 模糊控制还没有形成完整的理论体系，其工作实质与机理尚没有完全揭 示，因而控制器设计缺乏系统的方法。比如模糊规则的制定，隶属函数及量 化、比例因子的确定，主要采用反复试凑修改的方法：对系统的分析，如稳定 性、鲁棒性等，无论从定性或定量上也都难以像经典和现代控制理论那样进 行。 ( 3 ) 较传统控制而言，模糊控制系统的控制动作欠细腻、稳态精度较差。 因此，为克服人的主观性和被控过程时变性、非线性及随机干扰的影响， 并进一步提高模糊控制精度，需引入自调整与自适应方法，以使模糊控制参 数及规则在控制过程中自动地调整、修改与完善，从而提高模糊控制器的适 应能力和动静态品质，达到更理想的控制效果。 模糊控制在机械工业、交通、水泥、化工、食品加工、制冷、钢铁等工 业和工程上都有很多的应用。在工程上的应用不管目的如何，一般较多的控 制目标为恒压、恒温、速度控制、位置控制等。 目前，常规p i d 调节器已被广泛地应用于工业过程控制，并取得了较好 地效果，原因在于p i d 控制器结构清晰，而且通过调节p t d 控制器地比例系 数，积分系数和微分系数，使其可以适用于各种不同的对象。但由于常规p i d 调节器不具有在线调整参数k p ，k j ，k 。的功能，并且参数的选取有一定的麻 烦，致使其不能满足系统在不同偏差e 及偏差变化率e c 对p d 参数的自调整 要求，影响其控制效果的进一步提高。模糊控制原理采用与人脑的思维方法 相似的控制原理，具有很大的灵活性，因此我们选用模糊白整定p 1 d 参数控 1 4 武汉理工大学硕j “学位论文 制器。 模糊自整定p i d 参数控制器是以过程控制的知识为基础的，以模糊控制 规则所组成的知识基，它描述了过程控制的状态有关知识的推理机理。在实 际控制中，用模糊规则和模糊推理，得到整定之后的p i d 参数，从而实现对 现行的被控过程控制，取得满意的效果。 模糊控制器具有以下的特点： 1 模糊控制器不依赖于被控对象的精确数学模型，易于对不确定性系统进行 控制。 2 模糊控制器易于控制、易于掌握，是一种语言控制器。 3 模糊控制器抗干扰能力强，响应速度快。 2 3 直流调速模糊参数自整定p i d 控制器研究及设计 2 3 1 模糊理论基础及模糊控制 任何事物，其本身就存在模糊性：而当入对事物进行研究时，它在人脑中 的反映也存在模糊性。既然模糊性是一种客观存在，用模糊理论去研究事物 是理所当然的。1 9 6 5 年，美国的l z a d e h 提出了模糊集合( f u z z ys e t s ) 来描 述事物的数学模型。1 9 7 4 年，e h m z d a n i 研制成功第一个模糊控制器。用于 工业控制效果很好，从此，模糊控制理论和模糊控制系统得到广泛的应用， 模糊控制理论在控制领域的应用具有广阔的前景。 微机以其运算速度快、精度高以及逻辑判断能力强的特点，使模糊控制 器能借助于微机而容易实现，模糊控制是一种智能控制，它己成为一类重要 的、大有发展前途的微机控制系统。 2 3 1 1 模糊数学中的基本概念 尤如集合是现代数学的基础一样，模糊集合是模糊理论的基础。隶属函 数也是模糊理论很重要的概念。 1 模糊集合的概念 在世界上，有些事物可以用普通集合描述，有些事物则无法用普通集合 描述。例如，奇数和偶数的集合都是有清晰的外延和内涵的，故十分容易用 武汉理工大学硕士学位论文 模糊集合去描述。而天气的冷与热的集合，其外延和内涵都是模糊的，显然 这就不能用普通集合去描述。为了描述具有模糊性的事物，人们引入了模糊 集合的概念。 模糊集合的概念用语言可以简单描述如下：一般而言，在不同程度上具 有某种特定性质的所有元素的总和叫做模糊集合。 2 隶属函数 在模糊性的事物中，用特征函数来表征是不恰当的。由于模糊事物无法 断然确定其归属，所以不能用绝对性的。或者l 来表征，所以改为对闭区间 o ，1 取值，这样特征函数就成了一个无穷多值的连续逻辑函数，即描述模 糊集合的特征函数一隶属函数。 对于描述模糊集合，并在 o ，1 闭区间可以连续取值的特征函数叫做隶 属函数。它能反映出客观事物的模糊性。 隶属函数用耻( x ) 表示，其中，a 表示模糊集合，x 是a 的元素。隶属函 数满足： o p 。( x ) 1 ： 有了隶属函数之后，人们就可以把元素对模糊集合的归属度恰当地表示 出来。这种表示能反映出客观世界的模糊性。需要指出的是，模糊集合中隶 属函数的确定，带有主观性，通常是经过经验或统计而定。 3 模糊集合的表示方法 模糊集合通常是某个论域中的子集，所以，在讨论模糊集合时，一般也 称模糊集合作模糊子集。由于模糊集合没有明确的边界，因此在普通集合中 所用的枚举法和定义法都不能用于描述模糊集合，只能用隶属函数来描述。 当论域u 中的元素有有限个元素时，模糊集合可以用下列三种方法表示： ( 1 ) 向量表示法 当论域u 中的元素是有序时，可以用元素的隶属度的排列来表示模糊集 合a 。例如，约3 0 岁的人这个模糊集合a ，元素年龄是有序的，可以写成： a = f 0 0 1 80 1 0 5 0 3 6 70 7 7l0 7 70 3 6 70 1 0 50 1 0 8 ) ( 2 ) 序偶表示法 这种方法是把隶属度和对应元素组成一个序偶，隶属度在前，元素在后， 把所有有关序偶列举出来表示模糊集合a 。例如： 武汉理工大学硕士学位论文 a ( 0 0 1 8 ，1 5 ) ，( o 1 0 5 ，2 0 ) ，( 1 ，3 5 ) ，( o 1 0 5 ，5 0 ) ，( o 0 1 8 ，5 5 ) ( 3 ) 单点表示法 这种方法用单点表示模糊集合a 。例如约3 5 岁的人这个模糊集合表示为： a = o 0 1 8 1 5 + 0 1 0 5 2 0 + 0 3 6 7 2 5 + 当论域u 含有无限个元素时，可用下式表示a ： a = f u 一( x ) i x p 其中，不是表示积分，而是表示论域u 中的各个元素和他的隶属度所表示 的单点p 。b ) 的并。 2 3 1 2 模糊逻辑 一、语言变量 语言是人类进行思维和信息交流的重要工具，可分为自然语言和形式语 言。自然语言的特点是语意丰富、灵活、具有很大的模糊性。它和数学语言、 计算机语言有根本区别。自然语言虽有很大的模糊性，但人们能够理解和识 别，原因在于人们对语言的理解也是具有模糊性的。模糊语言可用于模糊推 理，在人工智能和模糊控制方面取得了广泛的应用。 语言变量是自然语言中的语句，它的取值不是通常的数，而是用模糊语 言表示的模糊集合。 二、模糊逻辑 对于模糊命题，它的逻辑值是在 0 ，1 区间内任意取值的。该逻辑值一 般等于模糊集合的隶属函数值。我们称这种研究模糊命题的逻辑为模糊逻辑。 模糊逻辑的真值x 在 o ，1 中连续取值，x 越接近于1 ，说明真的程度越 大；x 越接近0 ，说明真的程度越小。可见，模糊逻辑是二值逻辑的推广，模 糊逻辑实质上是无限多值逻辑。它仍然具有二值逻辑的逻辑并( 析取) 、交( 合 取) 、逻辑补( 否定) 等运算。应用模糊理论，可以对模糊语言描述的模糊命题 进行符合模糊逻辑的推理。 武汉理工大学硕士学位论文 2 3 1 3 模糊控制系统工作原理 在模糊逻辑控制系统的设计中，主要是设计模糊逻辑控制器，而模糊逻 辑控制器的设计需要解决三个方面的问题：第一，将通过传感器把检测到的 物理量变成电量，再通过模数转换器把他转换成精确的数字量，精确输入量 输入至模糊逻辑控制器后，首先要把这精确的输入量转换成模糊集合的隶属 函数，这就称为精确量的模糊化或者模糊量化；第二，根据有经验的操作者 或者专家的经验制定出模糊控制规则，并进行模糊逻辑推理，以得到一个模 糊输出集合，即一个新的模糊隶属函数，称为模糊控制规则形成和模糊推理； 第三，根据模糊逻辑推理所得到的输出模糊隶属函数，使用不同的方法找一 个具有代表性的精确值作为控制量，用这个控制量去实现对执行机构的控制， 称为解模糊判决或者反模糊化。 一模糊化 在人们日常生活中，通常用语言来表示某种物理量的度量，而不是用具 体的物理单元去表示，在模糊控制中，传感器所检测到的信息是精确的量， 要将这些精确的物理量转变成语言变量值即模糊化。对于语言变量，是一种 语言，而不是一个物理量。如果用语言变量值表示一个语言变量时，就不得 不考虑用多个语言