（检测技术与自动化装置专业论文）全数字直流调速模糊控制系统的最优控制研究.pdf

中南大学硕士学位论文 摘要 摘要 本文以直流调速控制系统的全数字化控制及其控制策略为主要 研究对象，做了较为详尽的理论分析和实验研究：首先根据控制系统 的特点进行了系统方案的论证，对模糊控制、p i d 控制及模糊p i 复 合控制理论进行了详细的分析，其次阐述了系统的软硬件实现方法， 最后针对方案进行了仿真研究及实验结果分析。论文所完成的主要工 作和内容如下： 1 ) 在直流调速的模糊控制系统中，针对常规模糊控制器的不足，提 出利用模糊控制与p i 控制的复合控制方案来优化模糊控制器的 稳态性能，仿真研究表明其控制性能既要优于经典的p i 控制方 法，较好地克服了转速跟踪过程中的超调，同时也克服了传统模 糊控制稳态精度低的缺点，由于模糊控制器对系统参数及结构变 化不敏感，该方法可以达到很好的控制效果。 2 ) 以高性能的t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a d s p 为主来构建系统硬件平台，在 脉冲驱动电路的设计上，本文提出根据晶闸管的特性，利用其阳 极电压作为驱动电路的供电电源的方法，从而取代传统的脉冲变 压器，使得驱动模块在可靠性保证的前提下，体积大为缩小，使 用更加方便。 3 ) 完成了系统的软硬件调试，为保证系统的可靠性，针对系统软硬 件的干扰采取了一定措施。经过实验证明，本系统方案是可行的， 达到了预期的目标。 关键词：直流调速控制，d s p ，模糊控制，模糊p i 复合控制 中南大学硕士学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t t h i sd i s s e r t a t i o nd e s c r i b e s d i g i t a l c o n t r o la n di t s s t r a t e g yi nt h es y s t e mo fd cs p e e dc o n t r o ls y s t e m , t h ee l a b o r a t e t h e o r ya n a l y s i sa n de x p e r i m e n t sa r en a r r a t e di nd e t a i l a s c h e m ea r g u m e n t a t i o ni sm a d ea c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e ro f s y s t e mf i r s t l y ，t h et h e o r yo ff u z z yc o n t r o l ，p i pc o n t r o la n d f u z z yp ic o m p o u n dc o n t r o la l g o r it h ma r en a r r a t e d t h e nt h i s d i s s e r t a t i o nd e s c r i b e st h em e t h o do fa c c o m p l i s h m e n to ft h e s y s t e m ，t h er e s e a r c ho fs i m u l a t i o na n da n a l y s i so fr e s u l ta r e m a d ei nt h ee n d t h en e wv i e w p o i n ta n dm a i nt a s kh a v i n gf i n i s h e d i nt h i sd i s s e r t a t i o na r ea sf o l l o w s ： 1 ) af u z z yp ic o m p o u n dc o n t r o ls t r a t e g yi sp r e s e n t e dt o o p t i m i z et h es t a b l ep e r f o r m a n c eo fn o r m a lf u z z yc o n t r o l l e r a c c o r d i n gt oit ss h o r t a g ei nt h ed cs p e e dc o n t r o ls y s t e m i t i sp r o v e di nt h es i m u l a t i o nt h a tt h ef u z z yp ic o m p o u n d c o n t r o l l e rs o l v e st h ep r o b l e mo fe x c e s si ns p e e dt r a c k i n g a n dt h es t a b l ep e r f o r m a n c e d u et ot h el e s ss e n s i t i v i t yo f s y s t e mv a r i a b l e s ，f u z z yp ic o m p o u n dc o n t r o l l e rc a na c h i e v e b e t t e rp e r f o r m a n c ei ns p e e dt r a c k i n gs y s t e m 2 ) t h i sd i s s e r t a t i o na d o p t st m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 ad s pw h i c hh a sg o o d p e r f o r m a n c ea st h em a j o rc o n t r o lc h i p an e wd e s i g no fp u l s e t r i g g e r i s p r e s e n t e d a c c o r d i n g t ot h ec h a r a c t e ro f t h y r i s t o r b e c a u s et h i sn e wc i r c u i tu s e st h ea n o d ev o l t a g e o ft h et h y r i s t o rt os u p p l yt h eg a t et r i g g e rc u r r e n t ，n o p o w e rs u p p l yi sn e e d e df o rg e n e r a t i n gt h et r i g g e rp u l s e s ， i th a sm u c hg r e a t e rm o u n t i n gf l e x i b i l i t yt h a nal a r g ep u l s e t r a n s f o r m e r sa n dt h u sh a v i n gm o r ec o n v e n i e n c e 3 ) t h ed e b u go fh a r d w a r ea n ds o f t w a r eh a sf i n i s h e d s o m e m e a s u r e sa r et a k e ni no r d e rt oa s s u r et h er e l i a b l e n e s so f s y s t e m t h er e s u l to fe x p e r i m e n tp r o v e st h ef e a s i b i l i t yo f d e s i g na n dr e a c h e st h ep r o s p e c t i v eg o a l n 中南大学硕士学住论文a b s t r a c t k e yw o r d s ：d cs p e e dc o n t r o ls y s t e m ，d s p ，f u z z yc o n t r o l 。f u z z y p ic o m p o u n dc o n t r o l i 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本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，除了论文中特别加以标注和致谢的 地方外，论文中不包含其他人己经发表或撰写过的研究成果，也不包 含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我共 同工作的同志对本研究所作的贡献均己在论文中作了明确的说明。 作者签名：霎1 衅 关于学位论文使用授权说明 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，1 1 1 ：学校有 权保留学位论文，允许学位论文被查阅和借阅：学校可以公布学位论 文的全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文； 学校可根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文。 雠名蛐导师迦隰遂一上日 中南大学硕士学住论文第一幸绪论 1 1 序言 第一章绪论 在现代工业生产过程中，电气传动系统特别是电机及其驱动控制系统在国民 经济的发展以及国民生活中发挥着愈来愈重要的作用。生产工艺要求的不断提 高使得越来越多的生产机械要求实现自动调速，直流电机具有良好的起、制动 性能，宜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 现频繁地无级快速起制动和反转，能满足生产过程各种特殊的运行要求，至今 在金属切削机床、造纸机等许多需要高性能调速或快速正反向的电力拖动领域 中以其良好的控制特性而广泛地被使用着【i 】， 然而，直流调速系统不断受到其他调速系统的挑战，目前的交流电动机在结 构、价格、维护性能方面都优于直流电动机，而且一直困扰交流电动机的调速 控制i - j 题已经解决。但由于设备投入和改造需要一个相当长的过程，交流电动 机调速控制尚未完全普及，而且就其性能来说仍无法与直流电机相比，今后的 一个阶段在调速要求较高的场合，如轧钢厂、海上钻井平台，直流调速仍将处 于主要地位( 在欧美等国家，大型成套生产装置和成套生产线仍然多用直流调 速口1 ) 。因而研究直流电动机调速控制系统仍具有重要的现实意义。 1 2 直流调速系统的发展现状及趋势概述 1 2 1 直流调速系统的发展史 直流电动机调速系统最早采用恒定直流电压给直流电动机供电，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，不能得到较宽和平滑的调速性能。该方法只适用在 一些小功率且调速范围要求不大的场合。3 0 年代末期，发电机电动机的出 现才使调速性能优异的直流电动机得到了广泛的应用。用交流电动机和直流发电 机组成机组的旋转变流机组调速系统在2 0 世纪6 0 年代以前曾广泛使用着，但该 系统需要旋转变流机组，至少包含两台与调速电动机容量相当的旋转电机，还要 一台励磁发电机，因此设备多、体积大、费用高、效率低、安装必须打地基，运 行有噪声，维护不方便例。为了克服这些缺点，在2 0 世纪6 0 年代以后开始采用 各种静止式的变压或变流装置来替代旋转变流机组。自从闸流管或汞弧整流器的 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 离子拖动系统出现后，利用汞弧变流器代替上述发电胡广一电动机系统，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。但它虽然克服了旋转变流机组的许多缺点，而且还大大缩短了响应时 间，但闸流管的容量小。汞弧整流器造价较高，维护麻烦，万一水银泄露，将会 污染环境，危害人身健康【“j 。 1 9 5 7 年，晶闸管( 俗称可控硅整流元件，简称“可控硅”) 问世，到了2 0 世纪6 0 年代，已生产出成套的晶闸管整流装置，逐步取代了旋转变流机组和离 子拖动交流装置，使变流技术产生了根本性的变革。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。和旋转变流机组及离子拖动变流装 置相比，采用晶闸管不仅使直流调速系统的经济指标和可靠性有很大的提高，而 且在技术性能上也显示出了较大的优越性。晶闸管交流装置的功率放大倍数在 1 0 0 0 0 以上，比机组高1 0 0 0 倍，比汞弧变流器高1 0 倍，其门极电流可以直接用 电子控制，不再像直流发电机那样需要较大功率的放大器；在快速响应性能上， 机组是秒级，而晶闸管交流装置为毫秒级。因此，目前除了某些特大容量的设备 而且供电电路容量较小等情况下，绝大部分都已改用晶闸管相控整流供电了。另 外，电力电子技术中i g b t 等大功率器件的发展也使得直流调速系统的性能有了 更大的提剐n 。 1 2 ，2 直流调速控制装置的特点及发展趋势 连续控制系统由分立元件及采用运算放大器等集成电路组成，模拟电路对状 态量的检测精度不高，元器件的集成度不高以及容易受环境温度等因素影响，使 得控制装置的线路复杂、通用性差，制约了直流传动系统的发展。另外，模拟电 路所用器件的分散性，使得对各个晶闸管触发的移项特性不一致，导致主电路电 流的不平衡，出现零序电流，使电网三相中性点发生偏移。 随着单片微型计算机、超大规模集成电路以及新型电子电力开关器件和传感 器的出现，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 动控制装置不断向前发展 1 1 。微机数字控制系统的主要特点是离散化和数字 化，主要有以下特点： 1 ) 以微控制器为核心的控制电路柘准化程度高，制作成本低。控制装置可 以完成包括复杂计算和判断在内的商精度运算、变换和控制。可以实现不同于一 般线性调节的最优化、自适应、非线性、智能化等控制规律。软件的模块化结构 可以方便地实时增加、更改、删减应用程序，大大增强了控制器对被控对象的适 应能力，使各种新的控制策略和控制方法得以实现。 2 )电动机的各种状态量可实现快速、宽范围、高分辨率、高精度的检测， 2 中南大学硕士学位论文第一幸绪论 为高性能传动系统的实现提供了保证。 3 ) 由微机控制的各类电力电子功率变换装置可以使电动机有接近理想的可 控电源，为提高传动系统的性能提供了保证。 4 ) 数字电路完全不存在温度漂移问题，也不存在参数变化的影响。采用适 当的定标可以避免溢出问题。 5 ) 可以对系统运行状态进行监视、预警、故障诊断和数据采集处理。 6 ) 数字集成电路的平均无故障时间大大长于分离元件电子电路，控制装置 的可靠性更高。 7 ) 可以实现系统得保护诊断和自检功能 8 ) 控制装置系统的体积小，重量轻，耗能少。 9 ) 强大的通讯功能使得装置可以与工业控制系统中的计算机及p l c 等设备 连接，实行网络控制。 因此，电动机调速控制器采用以单片微机为核心的数字控制系统，是电气发 展的主要方向【1 2 1 。 1 2 3 数字控制技术的发展 8 0 年代初期，典型的c p u 芯片以i n t e lm c s 5 1 、z 8 0 为代表，这些主控芯片 拥有串行通讯、多级中断处理系统、定时计数器等，是至目前为止仍广泛应用 的主流芯片之一，但是其8 位计算精度低，速度慢，软件以汇编语言为基础，由 其组成的系统性能不太理想。 8 0 年代中期，是8 位机的巩固和1 6 位机的推出阶段。代表产品为i n t e l8 0 8 6 ， m o t o r o l a6 8 0 0 0 等，此时的控制系统无论从控制精度到动态响应性能上都超过了 模拟控制系统的水平，数字调速技术在这一时期得到了飞速发展，进入了实用阶 段。 8 0 年代末期，专门用于实时控制系统的i n t e l8 0 9 6 的出现，使数字调速技术 进入了成熟阶段。s i e m e n s 公司和a e g 公司相继推出的s i m o v e r t p 和m i n i v e r t e r d 。该装置体积小，可与上位机通讯，具有故障自诊断和显示功能，系统软件也 采用了菜单形式或图形编辑语言。 近些年来，高性能、低成本的d s p 为核心的数字控制系统有着锐不可当的发 展趋势，和单片机相比，d s p 器件具有较高的集成度，有更快的c p u 。内爱高 速的硬件乘法器，增强的多级流水线，使d s p 器件具有高速的数据运算能力。 当前的d s p 多数基于s c ( 精简指令集计算结构) ，这种结构的优点是体积小， 功耗小、性能高，采用新工艺和改进d s p 芯核，并将几个d s p 芯核、专用处理 单元、外围电路单元、存储单元集成在一个芯片上，成为d s p 系统级集成电路。 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 随着d s p 性能的不断完善，用d s p 来作为实时处理已经成为当今和未来技 术发展的一个新的热点，随着生产技术的发展和产量的增大。其成本与售价大幅 度下降，又使得它的应用范围不断的扩大。业内人士预言，d s p 将是未来集成电 路中发展最快的电子产品，并将成为电子产品更新换代的决定因素。采用高性能 d s p 将会使直流调速系统向多功能、集成化、智能化、网络化发展，结合先进的 控制策略，使动态性能的指标有望进一步提高。 1 2 4 直流调速系统的国内外发展现状 8 0 年代中后期起，世界各大电气公司竞相开发数字式调速传动装置，发展至 现在已经到了一个比较高的技术水平。主要的电气公司如德国的西门子公司、美 国的g e 公司、日本的三菱公司、东芝公司以及瑞典的a b b 公司等均已开发出 了比较成熟的数字式直流调速装置，其产品均已系列化、标准化和模块化，在国 内外都己取得了比较广泛的应用。 9 0 年代初，欧洲的一些电气公司开始推出。系统型”调速装置，其架构采用 通用的计算机硬件，一般为1 6 位或3 2 位微处理器，多c p u 结构。控制装置具 有很高的精度，优良的控制性能和强大的抗干扰能力。控制方式采用电源换相， 相位控制技术，采用可控硅作为功率元件，控制板也采用了表面安装技术。 目前，发达国家应用的先进电气传动控制系统几乎全部实现了数字化，总的 发展趋势向着控制的数字化、智能化和网络化发展。 在控制装置的微处理器选取上，中小功率传动装置的主控芯片由1 6 位的单片 机向d s p 发展，近几年来，国外各大i c 公司纷纷推出以d s p ( 数字信号处理器) 为基础的内核，配以电机控制所需的外围功能电路，集成在单一芯片内的称为 d s p 单片电机控制器( 如t i 的t m s 3 2 0 x x 系列、a d i 的a d m c 3 x x 系列和m o t o r o l a 的d s p 5 6 f x x 系列) ，价格大大降低，体积缩小，机构紧凑，使用方便，可靠性 提高。使用专用d s p 使得系统硬件装置体积更小，可靠性更高，成为目前国外 各大电气公司的研发热点。 我国虽然在直流调速产品的研发上取得了一定的成就。但和国外相比仍有很 大差距。我国还没有自主的全数字化直流调速装置全面商用，产品的功能上没有 国外产品的功能强大。而国外进口设备价格昂贵，也给国产的全数字控制直流调 速装置提供了发展空间。 4 中南大学硕士学位论文第一章绪论 1 4 课题来源、研究目的和意义 1 4 1 课题来源 本文选题来自导师承担的横向项目，与长沙伟定达电气公司联合开发整套装 置。在一些成熟的直流调速系统的硬件和先进的控制理论的基础上，通过学习和 借鉴国内外的现有成果，依靠伟定达电气公司在传动工程和数字控制开发方面的 已有技术和经验，设计开发自主产权的全数字直流调速控制装置。 1 4 2 研究目的及意义 目前我国的直流调速设备的核心部件主要依靠一些国外技术上比较成熟的产 品，虽然我国能为一些中大工程项目提供一流的电气传动控制系统，但核心部件 缺少自主的知识产权，生产成套设备的附加值低，自行开发、生产产品的能力较 弱，对国外的依赖性较为严重。 国内的研究及生产水平有些仍停滞在模拟水平阶段，而主要采用单片机构成 的调速系统其性能指标与国际水平相比还有很大差距，因为由普通单片机构成的 数字调节器和数字触发器硬件结构复杂，另一方面单片机的浮点运算能力差，因 而只能完成简单的控制算法，难以满足各种复杂的控制要求，系统运行的监控性 能及通讯能力也相对较差。 根据目前的发展，研究采用高性能的d s p 和智能控制策略的直流调速控制系 统，必将使调速系统向调试手段更加先进，控制、通讯功能更加智能化的高性能 指标方面迈进。尤其是可以将直流调速控制系统的动态性能指标进一步提高而与 交流传动展开深入竞争。 1 5 论文研究内容 本文主要针对以下几个方面进行了研究： 1 ) 直流调速控制系统的硬件构成 采用1 m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 ad s p 作为系统的主控芯片搭建系统硬件平台，针 对闸流管的特点研究一种新型的脉冲驱动电路，并进行实验研究。 2 ) 直流调速控制系统的控制策略研究与仿真 以模糊控制及经典p i d 控制为基础，通过研究模糊控制算法的动态响应 及稳态性能，并结合经典p i d 算法进行比较与综合，针对直流调速控制系统 提出模糊与p i 的复合控制策略，通过仿真验证其应用于直流控制系统对象 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 时的控制效果。 3 ) 直流调速控制系统的软件实现及其他研究 以c 语言与汇编混合编程实现算法及其他程序模块，并实现相序的自适 应判别，对控制系统中的软、硬件抗于扰措施也进行一定程度的探讨。 1 ，6 本文结构 本论文共分为七章，各章主要内容简述如下： 第一章为绪论，介绍直流调速系统的国内外发展现状和发展趋势，简要阐述 该研究的目的和意义，以及研究方向。 第二章进行详细的方案论证，阐述系统的特征、控制算法的选择和主控芯片 的选型依据。 第三章阐述模糊控制器的实现以及模糊控制器的稳态性能分析，并提出直流 调速控制系统的模糊p i 复合控制策略。 第四章为系统的硬件组成及工作原理。 第五章为系统的软件设计及算法的编程实现。 第六章进行直流调速控制系统的模糊与p i 的复合控制算法的仿真研究，并 将本研究所进行的实验结果迸行分析。 第七章为全文总结。 1 7 本章小结 在这一章中，重点介绍了直流调速系统的发展现状及趋势，对国内外的研究 现状也进行了相应的阐述，得出采用高性能的d s p 芯片和将智能控制策略引入 是直流调速控制系统未来的发展方向，同时简略地介绍本文的研究内容和本文的 结构安排。 6 中南大学硕士学位论文 第二章系统总体设计 2 1 系统方案论证 第二章系统总体设计 2 1 1 控制对象主要特性分析 直流电机主要部分为定子和转子，转子上电枢在外施电压作用下旋转产生反 电势，并与外部电源电压相平衡，直到转子转速稳定为止，如何快速而准确的调 节转速至希望值是调速系统性能好坏的关键所在，而对于经常正、反转运行的调 速系统，例如龙门刨床、轧钢机等，尽量缩短起、制动过程的时间是提高生产率 的重要因素。 在电机的最大允许电流和转矩受限的条件下，应该充分利用电机的过载能 力，最好是在过渡过程中始终保持电流( 转矩) 为允许的最大值，使电力拖动系 统以最大的加速度启动，到达稳态转速时，立即让电流降下来，使转矩马上与负 载相平衡，从而转入稳态运行这样的理想起动过程波形如图2 1 所示，此时， 起动电流呈方波形，转速按线性增长【i i 。 。 因而调速的策略应该达到这样一种目的：在转速变化中，系统主要由电流调 节器调节，而当到达稳态转速后，主要由转速负反馈进行调节。为了获得良好的 静、动态性能，本文采用内环电流的p i 控制及外环转速的模糊p i 复合控制策略。 2 1 2 经典p i d 控制 p f f ) 控制是历史最久、生命力最强的基本控制方式，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 7 中南大擘硕士学位论文第二幸系统总体设计 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蛰i 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，经典的p i d 控制方法在现代工业控制中仍占据着主要 的位置p 。实现p i d 闭环控制的原理框图如图2 - 2 所示。 t 图2 - 2p i d 控制框图 p i d 控制算法在被控对象数学模型已知的情况下，通过调节其3 个参数可以 获得比较满意的控制效果，其算法简单，参数调整方便，并具有一定的控制精度。 其中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。 p i d 控制器的局限性表现在其难以适应被控对象的随机性和复杂性，由于控 制参数多，各个参数之间的相互影响，使得难以取得好的效果。同时，p i g ) 控制 器的主要局限性还表现在其对对象的依赖性很强。 。 在本系统中，直流电动机的数学模型不难得到，使得p i d 控制器可以满足基 本的控制性能要求，大部分的数字式直流调速电机就是建立在此基础上。但是， 在实际的传动控制系统中，电机本身及拖动负载的参数并不象模型那样一成不 变，在某些场合随工况而变化；同时，直流电动机本身也是一个非线性的被控对 象，许多拖动负载含有弹性或阃隙等非线性因素。因而线性常参数p i d 调节器往 往在实际的运行过程中无法保持设计时的性能指标，特别是在模型参数大范围变 化且具有较强的非线性环节的系统中，常规的p i d 控制器就会表现出鲁棒性差的 现象，无法满足某些要求高精度、快速响应的控制性能要求。因而在工业现场中， g 中南大学硕士学住论文 第二章系统总体设计 一个调好参数的p i d 控制器对于另一个环境下的具有同样参数的直流电动机进 行控制，系统地性能就有可能变差，有时甚至出现不稳定现象，这样就不得不重 新对调节器进行参数整定。 2 1 3 模糊控制 随着计算机的飞速发展，智能控制获得了越来越广泛的应用。智能控制克服 了传统控制对被控对象数学模型的依赖。它研究的主要目标不再是被控对象，而 是控制器本身，由其构成的系统往往可以不依赖系统的精确模型，对系统参数的 变化不敏感，具有很强的鲁棒性。模糊控制理论是现代控制领域中非常有发展前 途的一个分支，所谓模糊控制，既不是指被控对象是模糊的，也不是指控制器是 不确定的，而是指在表示知识、概念上的模糊性【2 0 2 ”虽然模糊控制算法是通过 模糊语占描述的，但它所完成的却是一项完全确定的工作。 模糊自动控制是以模糊集合论、模糊语言变量及模糊逻辑推理为基础的一种 计算机数字控制，从线性控制与非线性控制的角度分类，模糊控制是一种非线性 控制。从控制器的智能性看，模糊控制属于智能控制的范畴，而且它已成为目前 智能控制的一种重要而有效的形式 2 3 , 4 7 ) 。与许多传统的控制方法相比有如下优 点： 1 ) 使用语言方法，可不需要掌握过程的精确数学模型。因为对复杂的生产 过程很难获得过程的精确数学模型，而语言方法却是一种很方便的近似。对于具 有一定操作经验、而非控制专业的工作者，模糊控制方法易于掌握。操作人员易 于通过人的自然语言进行人机界面联系，这些模糊条件语占很容易加入到过程的 控制环节上。 2 ) 采用模糊控制，过程的动态响应品质优于常规p i d 控制，并对过程参数 的变化具有较强的适应性 2 4 - 2 6 1 。 3 ) 模糊控制控制系统的鲁棒性强，干扰和参数变化对控制效果影响大大减 弱，尤其适合于非线性、时滞后系统的控制【3 引 许多工业被控对象由于具有非线性、时变性、变结构、多层次、多干扰因素 以及各种不确定性，难以建立起精确的数学模型。即使对于一些复杂对象能够建 立数学模型，模型也往往过于复杂，既不利于设计也难以实现有效的控制【4 懈i 。 传统的控制理论针对这些难题也提出了许多对策，比较典型的有鲁棒控制、自适 应控制、高增益反馈控制以及相关的绝对稳定度、灵敏度、稳定裕度等概念，这 些往往要求建立精确的数学模型，其中自适应控制技术可以解决一些问题，但其 能力也是有限的，另外有些实际的自动控制系统由于模型本身不够精确，利用上 述复杂算法的控制效果往往还不及手工操作好【4 5 , 4 6 1 。 9 中南大学硕士学位论文 第二章系统总体设计 鉴于模糊控制在这些方面的独特优点，可使计算机模拟人的直觉，并依据不 确切的信息做出决定，这将是下一代工程自动化系统的基础。 2 1 4 系统方案确定 在电气传动控制领域中，由于相对而占系统具有比较明确的数学模型，因而 比较容易建立起数学模型来分析与设计。经典的p i d 控制在直流传动控制系统中 取得了比较成功的应用，获得了基本满意的控制效果。 但是在实际的传动控制中，系统模型并不会一成不变，例如直流电机本身的 参数和拖动负载( 如转动惯量) 的参数在某些应用场合会随着工况而变化，相控 可控硅整流本质上是非线性的，许多拖动负载含有弹性和齿轮问隙等非线性因 素：这些都使得线性定常参数的p i d 调节器往往顾此失彼，不能使系统在各种工 况下都能够保持设计时的性能指标，系统鲁棒性也不尽如人意。 模糊控制器可以充分利用其优势克服控制对象的变参数、变结构，时滞性以 及非线性等不利因素，以提高系统的鲁棒性。因而本系统将模糊控制引入直流调 速控制系统中以提高其性能，从上节阐述可以得出，模糊控制器与常规控制器相 比，在抗输入扰动、控制系统参数与结构变化等因素影响方面表现了非常突出的 性能。但是常规的模糊控制器也同样存在着许多不足之处，比如系统的上升特性 不理想、超调大、调节时间长甚至产生振荡、抗干扰能力差、稳态误差较大等。 产生这些缺点的主要原因是常规的模糊控制器在结构上过于简单，在设计过程中 也有许多主观因素。而且一旦模糊规则确定就不再变化等。 崎 从模糊控制器的结构上看，影响控制器动态特性的主要环节有：模糊语言值 的选择，各语占值的隶属函数，模糊控制规则的因果关系，模糊规则数量，模糊 推理，模糊判决方法以及比例因子和量化因子的选取等。在稳态性能上，即使将 控制量的档级宽度变为无穷小也无法获得满意的稳态精度。 在模糊控制器的性能优化上，针对模糊控制器的各环节采用更为合理的算法 设计( 如模糊规则的自调整和模糊推理方法的改进等) 是改善模糊控制器的动态 特性的有效方法；引入积分作用可有效消除其稳态误差，改善稳态性能田j 另外， 将其他现代控制方法引入模糊控制器或将模糊控制与其他智能控制算法相结合 ( 模糊神经网络控制、模糊专家系统控制以及模糊鲁棒控制等) 也是提高模糊控 制系统性能的有效方法。但是限于本研究的进展及上述方法的复杂度高、实时性 差等因素，本文的工作主要着重于模糊控制器的稳态精度改善之上 本文采用模糊p i 复合控制器进行系统转速环的调节，具体的分析与设计参 见后续章节。考虑到所设计的控制器的性能，在系统具有时滞性及非线性方面进 中南大学硕士学位论文第二章系统总体设计 行了一定的仿真研究。系统为g ( j ) = i i ，系统仿真结构图见图6 - 3 所示。 j 十z j 十i 图2 3 为g ( s ) 在阶跃信号下的仿真结果，其中曲线为普通p i d 控制下的系统响 应曲线【1 3 】，曲线为模糊p l 复合控制下系统的响应曲线。可以看出模糊p i 复合 控制下系统基本无超调，调节时间要小于常规的p i d 控制( 其中 k p = 0 7 5 ，k i = l ，k d = 0 5 ) 。 i；l；i 卿 ： 。 - 。 簿誊三年三李三； 051 01 5 2 02 53 0 t i m e ( 8 ) 图2 - 3 模糊p i 复合控制与p i d 控制性能比较 图2 - 4 为在系统前加上延迟环节e 刮时的系统响应曲线，其中曲线为普通 p i d 控制下的系统响应曲线，曲线为模糊p i 复合控制下系统的响应曲线。可 见与常规的p i d 控制相比，模糊p i 复合控制能使系统响应的超调减小，反应时 间加快，尤其是在系统具有延迟环节时具有更佳的控制性能。 l尸 r l j t 飞 t i m e ( s ) 图2 _ 4 加延迟环节后模糊p i 复合控制与p i d 控制性能比较 在直流传动控制系统中，齿轮间隙是一种比较常见的回环非线性特性。在多 i i 蛰 2 1 b 6 4 2 0 1 0 0 0 0 中南大学硕士学位论文第二章系统总体设计 轴传动系统中，由于加工、装配和使用中各种误差因素的存在，以及相互啮合的 两齿轮的非工作齿面之间留有一定的侧向间隙以储存润滑油，补偿由于温度和弹 性变形所引起的尺寸变化，在一对相互啮合的齿轮之间总存在一定的齿侧间隙， 齿隙的存在对于工作中可逆转的传动装置就造成了空程误差( 回差) ，这样，传 动装置的输出轴与输入轴之间的关系就不是单值得线性关系，而是具有滞环形的 非线性了如图2 5 所示( 其中为齿隙，掣为转角) 。 6 2 r 刁 ： 乙 ，2 r 掣。i 图2 - 5 齿踪非线性 齿隙的存在首先增加了系统的稳态误差降低了控制精度，相当于死区的影 响，其次也使得系统过程的振荡加剧，甚至使系统变得不稳定。在系统g ( s ) 前加 上0 0 5 - - , + 0 0 5 的控制死区时，系统的阶跃响应曲线如图2 - 6 所示。 51 01 52 02 53 d l i m e ( s ) 图2 - 6 带死区的模糊与p 1 d 控制性能 其中曲线为常规模糊控制下的阶跃响应曲线，曲线为模糊控制下的阶跃 响应曲线，可以看出系统在模糊控制下具有明显的稳态误差。 图2 - 7 为模糊p i 复合控制下的系统响应曲线( 两种控制方式的切换阈值为 e 篁o 1 ) 。可以得出模糊p i 复合控制在满足系统快速响应的基础上，同时兼顾了 系统的稳态精度，获得了比较满意的控制效果。 中南太擘硕士学位论文第= 幸系统总体设计 轴传动系统中，由于加工、装配和使用中各种误差因素的存在，以及相互啮合的 两齿轮的非工作齿面之间留有一定的侧向白j 隙以储存润滑油。补偿由于温度和弹 性变形所引起的尺寸变化，在一对相互啮合的齿轮之日j 总存在一定的齿侧刨隙， 齿隙的存在对于工作中可逆转的传动装置就造成了空程误差( 回差) 这样，传 动装置的输出轴与输入轴之间的关系就不是单值得线性关系，而是具有滞环形的 非线性了。如图2 - 5 所示( 其中为齿隙。v 为转角) 。 j 2 r 刁 ： 厶 a ：2 r 掣。1 困2 - 5 齿障非线性 齿隙的存在首先增加了系统的稳态误差，降低了控制精度，相当于死区的影 响，其次也使得系统过程的振荡加剧，甚至使系统变得不稳定。在系统g 0 ) 前加 上o 0 5 - - - + 0 0 5 的控制死区时，系统的阶跃响应曲线如图2 - 6 所示。 t m e ( s ) 图2 - 6 带死区的模糊与p i d 控制性能 其中曲线为常规模糊控制下的阶跃响应曲线，曲线为模糊控制下的阶跃 响应曲线，可以看出系统在模糊控制下具有明显的稳态误差。 图2 - 7 为模糊p i 复台控制下的系统响应曲线( 两种控制方式的切换阈值为 鲫i ) 。可以得出模糊p i 复合控制在满足系统快速响应的基础上，同时兼顾了 系统的稳态精度，获得了比较满意的控制效果。 中南大学硕士擘位论文第二幸系统总体设计 r 8 一电枢电路总电阻； e a 一感应电动势： l a 电枢电路总电感。 其中感应电动势为： e 4 = k p n。(2-2) 式中 k e 一感应电动势计算常数； o 每极磁通： n 一电动机转速。 将式( 2 2 ) 代入式( 2 1 ) 可得： 力；掣 沼， 疋中 在上式中，磁是常数，电流i a 是由负载决定的，因此调节电动机的转速可以 有下面三种方法： 1 ) 调节电枢供电电压u ； 2 ) 减弱励磁磁通中： 3 ) 改变电枢回路电阻凡。 对于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。改变电阻只能实现有级调速；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，在额定转速以上作小范围的弱磁升速。因此， 本系统的采用变压调速方案来进行研究。 直流电动机的电磁转矩为： =砗m，d(2-4) 转矩平衡方程为： 乙= 毛+ ，譬( 2 - 5 ) 式中j 一折算到电动机轴上的转动惯量； t r 电动机的电磁转矩； t i 负载转矩； 电动机的角速度； k r 一电动机转矩常数。 微机数字控制系统中，在d a 变换的采样开关后设置零阶保持器。电流内环 采用连续控制系统的等效传递函数，只是将电流反馈系数b 换成电流存储系数 k 一，具有零阶保持器的数字控制直流调速系统结构框图如图2 - 9 所示【i l 。 1 4 中南大学硕士学位论文 第二章系统总体设计 图2 - 9 具有零阶保持器的数字控制直流调速系统结构框图 电流环传递函数删= 丽l z c , 转速积分环节传递函数q ( s ) = 专； 转速反馈通道传递函数g 。( s ) = r 坠s + 一l ( 2 - 6 ) ( 2 7 ) ( 2 8 ) 零阶保持器传递函数g 0 ( j ) ：l _ e - t , r ( 2 9 ) j 上述式子中，t s 。为转速环采样周期，k 。为转速反馈存储系数；图中a s r 为转速调节器。 2 3 双闭环直流调速系统的动态- 性能 在动态跟踪性能方面，直流电动机系统在启动和升速过程中，能够满足在电 流受电机过载能力约束的条件下，表现出很快的动态跟随性能。在减速过程中， 由于主电路电流的不可逆性，跟随性能变差，设计的电流环应当具有良好的跟随 性能。 在负载抗扰动性能方面，负载扰动作用在电流之后，只能靠转速调节器来产 生抗扰作用。因此，在突然加( 减) 负载时，必然会引起动态的速降( 速升) 。 为了减少动态的不稳定性，设计a s r 时，要求系统具有良好的抗扰性能，而只 要电流环具有良好的跟随性能就可以满足要求。 在抗电网电压扰动方面，电网电压扰动和负载扰动在系统动态结构图中的位 置不同，系统对它们的动态抗扰效果也不相同。在单闭环调速系统中，电网电压 扰动和负载电流的扰动都作用在被反馈环包围的前向通道上，仅就静态特性而 言，系统对它们的抗扰效果是一样的。但从动态性能上看，由于扰动作用的位置 中南大学硕士学位论文 第二幸系统总体设计 不同，还存在及时调节上的差别。负载扰动b 作用在被调量n 的前面，它的变 化经积分后就可以被转速环检测出来，从而在调节器a s r 上得到反映。电网电 压扰动的作用点则离被调量更远，它的波动先要受到电磁惯性的阻扰进而影响到 电枢电流，再经过机电惯性的滞后才能反映到转速上来。等到转速反馈产生调节 作用时就可能晚了电流内环的增加使得当电压波动时，通过电流反馈得到及时 的调节，对于电网电压具有良好的抗扰动性能。 2 4 电流调节器的设计 在直流调速系统中，电枢电流的时日j 常数较小，电流内环必须具有足够高的 采样频率，而电流调节算法一般比较简单，采用较高的采样频率是可能的，而当 采样频率足够高时，可以把它近似地看成是模拟系统，先按模拟系统理论来设计 调节器的参数。然后再离散化。得到数字控制算法，这也叫按模拟系统设计的间 接设计法。 对于电流环来说，反电动势是一个变化较慢的扰动，因而可以将反电动势的 变化忽略，电流环的近似结构框图如图2 1 0 所示。 叫抽 图2 - 1 0 电流环近似结构框图 图中l 和t o i 一般比t i 小很多。因而可以作为小惯性群而近似地看作是一个 惯性环节，其时间常数为；毛= c + 乙 蝴喇舳黼躺撇嗽件为弓压 u 。j t 赢 p x s r1 4 7 y炉a c r j l ( 乃s + 1 ) ( 毛s + i ) 图2 - 1 1 电流环简化图 1 6 中南大学硕士擘住论文 第二章系统总体设计 从上图可知，电流环的控制对象为双惯性的，要校正为典型的i 型系统，电 流调节器采用p i 型，其传递函数为： ( j ) ：k 盟业 ( 2 1 0 ) 式中k 广电流调节器的比例系数； 1 广一电流调节器的超前时间常数。 为了让调节器零点与控制对象的大时间常数极点对消，可以选择。i = t i 。则 电流环的动态结构框图便成图2 1 2 所示的典型形式。 图2 - 1 2 电流环动态结构框图 式中蜀= 警 ( 2 1 1 ) 校正后的电流环开环对数幅频特性如图2 - 1 3 所示 l d b o l - 2 0 d b d e c r e , 。 。j 4 n d r 埘e c 图2 1 3 电流环开环对敷幅频特性 以上结果是在下列假设条件的基础上得出来的： 虿1 删岳 弓压 ( 2 1 2 ) ( 2 1 3 ) ( 2 1 4 ) 中南大学硕士擘位论文 第二章系统总体设计 由于典型i 型系统是二阶系统。根据自动控制原理的欠阻尼系统中零初始条 件下的阶跃响应动态指标计算公式可知，选择= o 7 0 7 ，k i t z 尸o 5 ，在一般情 况下，希望电流的超调量a 5 ，在调速系统中将k i t ：j ：o 5 为典型i 型系统的 二阶工程最佳系统。电流调节器的参数t 。已经选定，又7 _ - t 1 ，结合式( 2 1 1 ) 可以求出l ( i 为： 尼：卫 2 墨乏， ( 2 1 5 ) 将电机的参数代入上式可得电流调节器的传递函数。 上面设计的为模拟结构的形式和参数，电流调节器的模拟p i 调节器的控制 规律为： 删= 群( 删+ 丢f 讲) + c 2 舶， 式中 伊一控制偏差7 k p 一比例系数： t 广一积分常数。 将上式离散化后，得到数字p i 调节器的算法： 蚝= 砟( 略+ 号妾巳) + c2 t 7 ， 或u k = k p e k + t i c , 勺+ b l o ( 2 1 8 ) 式中卜采样序号，k