（电气工程专业论文）双动子永磁直线电机往复运动控制系统的研究.pdf

沈阳上业火学硕士学位论文 r e s e a r c ho nt h ec o n t r o ls y s t e mo f d u a lm o v e rp ml i n e a rm o t o r r e c i p r o c a t em o t i o n a b s t r a c t i nt h e s p e c i a lp r i n t i n gm a c h i n e ，t h ec o n v e n t i o n a lm e t h o d i st h a tl i n e a rm o t i o n o f p r i n t i n g m a c h i n ei so b t a i n e d b yc y l i n d e rp l u n g e r t h i sm o v e m e n tm o d e i sd i s c o m m o d i o u si nm a n y o c c a s i o n s ，b e c a u s e i td e m a n d s s p e c i a lg a s s o u r c e sa n di ti n f l u e n c e st h ee n v i r o n m e n t b ym a k i n g l o u dn o i s e s oi tr e s t r i c t st h ec h o i c e o f p r o d u c es i t e s b ym a k i n gl o u dn o i s e t h ed i r e c td r i v em o d eb a s e do nt h ep e r m a n e n t - m a g n e t ( p 旧l i n e rm o t o re n d o w st h es p e c i a l p r i n t i n gm a c h i n ef i n ep e r f o r m a n c e i tc a no b t a i nl i n e a rm o v e m e n td i r e c t l y , a n dr e d u c en o i s e g r e a t l y b e c a u s eo fs h o r tm o v e m e n td i s t a n c ea n df r e q u e n t l yu p d o w n ，i ti si m p o r t a n tf o rt h e s p e c i a lp r i n t i n gm a c h i n et ow o r kl o n ga n dc r e d i b i l i t yt h a tt h el i n e a rm o t o rh a v ea p p r o p r i a t e s p e e d a n dc a l ls h u td o w n s a f e t y f i r s t l y , t h ed u a lm o v e r p ml i n e a rm o t o rt h a tc a ne l i m i n a t et h el o n g i t u d i n a lf o r c ei sc h o s e nt o m e e tt h ec r a f t w o r kn e e do ft h es p e c i a lp r i n t i n gm a c h i n ei nt h i sp a p e r b e s i d e s ，t h es t m c t u r eo f m o t o r s y s t e m a n dc o n t r o l s t r a t e g y a r e d e s i g n e d b a s e do n a n a l y z i n g t h el i n e a rm o t o r m a t h e m a t i c sm o d e l i ti sn o ts t r i c tf o rt h ed e m a n do f s p e c i a lp r i n t i n gm a c h i n e ss p e e da tt h e p o i n to f v i e wo f p r i n t i n gm a c h i n e b u ti ft h em o t o rs p e e dc a nn o tc a r r yt h eg i v e nl a wn o rh a s b i ge r r o r , i ti sn o ta n t i c i p a n tt h a tb i gc o l l i s i o nw i l lo c c u ri f t h es p e e di st o oh i g ha tt h ee n d ；o rt h e m o t o rc a nn o tr e a c ht h ee n di ft h es p e e di st o ol o w t h e r e f o r e ，i ti sn e c e s s a r yf o rt h em o t o rt o t r a c kt h eg i v e ns p e e d t h em o t i o n s p e e d w i l lb ei n f l u e n c e db yt h eu n c e r t a i nd i s t u r b a n c e si nt h e l i n e a r m o t o r , s u c ha s t h ec h a n g eo fm o v e rm a s sa n dl i n e a rm o t o r s e n de f f e c t b u ta l l d i s t u r b a n c e sw i l le m b o d i m e n to nt h e e r r o r , s og o o dc o n t r o le f f e c tw i l lb eo b t a i n e db ya d j u s t i n g c o n t r o l l e r sp a r a m e t e r sa c c o r d i n gt oe r r o ra n de r r o r sd e r i v a t i v e t h es p e e da n dc u r r e n td o u b l e c l o s e dl o o ps t r u c t u r ei sa d o p t e di nt h i sp a p e r , a n dt h es p e e dc o n t r o l l e ra d o p t sf u z z y a d j u s tp i d c o n t r o ls t r a t e g y t h ei n f l u e n c et ot r a n s i t i o np r o c e s sb yp i dc o n t r o l l e r sp a r a m e t e r si sa n a l y z e d d e e p l y o ns t e p s i g n a l ，a n dt h ec h o i c el a wo fp i dp a r a m e t e r sa td i f f e r e n tc a s e t h ea c t u a l v a r i a t i o nr a n g e so ft h ee r r o ra n di t sd e r i v a t i v ea r ea c t e da si n p u td e f i n i t i o n r a n g e s ，a n df o u r f u z z yl a n g u a g ev a r i a b l e s ：z e r o ，s m a l l ，m i da n db i ga r ec h o s e ni nt h ed e f i n i t i o nr a n g e s t h eo u t 一2 沈阳工业大学硕士学位论文 一一一一 c o n t r o lv a r i a b l ei st h es a n ea st h ea b o v e t h e nt h ep i dp a r a m e t e r sa r ea d j u s t e db y t h ef i t z z y c o n t r o lr u l e s t h ec o n t r o ls y s t e mi ss i m u l a t e du s i n g m a t l a bs o f t w a r e n 瑶嫱m u l 撕蛳r e s u l t ss h o w t h a tt h ef u z z ys e l f - a d j u s tp i dc o n t r o lh a v eb e a e r c o n t r o l d e r f o n n a n c et h a nf i x e dp a r a m e t e r sp i d c o n t r 0 1 t h ep a r a m e t e r ss e l f - a d j u s te a r lb er e a l i z e d t h r o u g h s o r w a r e b yu s i n g t h es m 出ec h i p ，a n di tn e e d n ta n y m o r eh a r d w a r eb u tt h es y s t e m s p e r f o r m a n c e i si m p r o v e dg r e a t l y k e y w o r d s ：p m l i n e a rm o t o r ；c o n t r o ls y s t e m ；f u z z y - p i dc o n t r o l ；m a t l a b s i m u l a t i o n 3 一 独创性说明 本人郑重声明：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的研究成果，也不包含为获得 沈阳工业大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同 工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。 签名：；谚辛闷亥日期：汐罗6 关于论文使用授权的说明 本人完全了解沈阳工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公 布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论 文。 ( 保密的论文在解密后应遵循此规定) 签名：移幸1 日云 导师签名：j 盟日期：里：墨至兰 沈阳丁业大学硕士学位论文 引言 1 1 课题研究的目的、意义及课题来源 1 1 1 课题的意义 随着电力电子器件及微电子器件的迅速发展，以及现代控制理论向交流传动领域 的渗透，电气传动领域发生了深刻的变革，就是交流调速取代直流调速，计算机数字 控制技术取代模拟控制技术。这使相关技术和产业发生了划时代的变化n 】。我们经常 看到许多直线驱动装置或系统都是采用旋转电机通过中间转换装置( 例如链条、钢丝 绳、传动带、齿条或丝杠等机构) 转换为直线运动的。由于这些装置或系统中有中间 转换传递机构，所以整机存在体积大、效率低、精度低等问题1 3 1 。高性能永磁材料的 问世，为直线电机的应用开拓了新的领域。直线电机是一种将电能直接转换成直线运 动机械能而不需要任何中间转换机构的传动装置，它是2 0 世纪下半叶电工领域出现的 具有新原理、新理论的新技术。随着微电子、控制技术、电力电子技术和精密a n t 技 术的发展，各类直线电机在工业应用方面得到了迅速的发展，制造了不少有使用价值 的装置，如用直线电机驱动的电动门、直线电机驱动的冲压机等1 4 。 随着人们审美意识的不断增强，商家对产品的包装越来越重视，这将大大地推 动对包装印刷业的需求。用直线电机取代特种印刷机中的汽缸活塞做往复直线运 动，不仅取源方便最重要的是它极大地降低了噪声，非常方便家庭进行生产，因此 将具有广泛的应用前景。 1 1 2 课题的来源 本课题“双动子永磁直线电机往复运动控制系统的研究”是工业大学电气传动研究 所的一个实际项目，该课题针对着一个实际产品，重点研究其往复直线运动的控制技 术。 1 2 直线电机 直线电机从1 8 4 0 年发展到今天，经历了一个探索，实验、开发、实用的过程， 1 9 1 7 出现了第一台圆筒型直线电动机，但其发展并没有超出模型阶段。真正进入全面 的开发阶段是在1 9 5 5 年以后。这一时期的控制技术和材料时惊人发展，极大的推动了 沈阳_ 丁业人学硕士学位论文 直线电机的开发。1 9 7 1 年以后，直线电机进入了独立应用阶段，制造了许多具有实用 价值的装置和产品。如用直线电机驱动的电动门、直线电机驱动的冲压机等。我国从 7 0 年代初开始进行直线电机的研究1 4 i ，开展直线电机研究的单位主要有中国科学院 电工所、西安交通大学、浙江大学、上海大学、太原工业大学等。主要研究成果有直 线电机驱动遥控( 电动) 窗帘机、直线电机驱动门、冲压机、工厂桥式起重机、电磁 锤、玻璃搅拌机、计算机磁盘定位系统、自动绘图仪等等。沈阳工业大学在9 0 年代中 期，也制造了推力为2 0 0 n 的永磁直线电机，并对直线电机的控制策略进行了广泛的 研究。清华大学在高频响应直线电动机的研制方面处于国内领先水平，其高频响应直 线直流电动机行程可达5 m m ，截止频率大于2 5 0 h z 。 目前应用于直线电机的控制策略主要可归纳如下几种r 。( 1 ) 传统的控制策略 典型的如p i d 反馈控制、解耦控制等。( 2 ) 现代控制策略近年来，基于现代控制 理论的自适应控制、预见控制、滑模变结构控制、鲁棒控制等现代控制策略在直线电 机控制研究中引起了很大的重视。( 3 ) 智能控制对控制对象、环境与任务复杂的系 统可采用智能控制方法。模糊控制、神经网络控制和专家控制是当前三种比较典型的 智能控制策略。 随着微电子学及计算机控制技术的发展，高速、高集成、低成本的微机( 单片 机) 专用芯片的问世及商品化，使全数字化的交流伺服系统成为可能。国外已有全数 字化的交流伺服的系列产品。国内在这方面的研制工作也取得了长足的进步。用软件 取代模拟硬件除完成要求的控制功能外，还可具有保护、故障监视、自诊断及上位管 理通讯等功能。另外改变控制策略、修正控制器参数和模型也简单易行，与模拟系统 相比数字控制系统精度高，有较高的分辨率，运行可靠，无温度漂移，动态响应速度 快，为扩展系统功能，实现高级控制算法，从硬件上也可采用多c p u 系统1 6 位单片 机与数字信号处理器( d s p ) 组成的多处理器系统，以进一步改善和提高系统性能。 使系统运行性能、可靠性和实用性大大提高。因此全数字化是交流传动系统，特别是 交流伺服传动系统的重要发展方向之一m j 。 一2 沈阳工业大学硕士学位论文 在某些场合，直线电机有它独特的应用是旋转电机所不能替代的，但并不是任何场 合使用直线电机都能取得良好的效果，只有在应用原则之下才能恰倒好处的应用它“， 直线电机的应用原则有以下几个方面： ( 1 ) 选择合适的运动速度。 ( 2 ) 要有合适的推力。 ( 3 ) 要有合适的往复频率。在整个设计过程中，应尽量减少运动部分的质量。以便减 少加速度所对应的推力。 ( 4 ) 要有合适的定位精度。 直线电机在工业自动化、办公设备、轻工业、交通、家庭自动化、军事装备等领域 获得了广泛应用。随着自动控制技术和微型计算机应用的发展，直线电机的发展方向趋 向于微特型直线电机，主要用在计算机外设、自动化仪器仪表以及需要精密直线位移和 运动的机械手及机器人，在需要精密直线电机的自动化仪器设备中采用微特型直线电机 可做到精密度高、反应灵敏、快速性好，仪器设备总体结构简单、体积小、成本低，因 而是一种大有发展前途的直线电机。 l _ 3 研究的主要内容 课题的题目是“双动子永磁直线电机往复运动控制系统的研究”。因此，论文的研 究工作将围绕着印刷机中代替汽缸活塞做往复直线运动的直线电机的控制问题展开。 该系统采用m c s 一5 1 单片机作为控制部件。自从8 0 年代初，i n t e l 公司的 m c s 一5 1 系列单片机问世以来，该系列的单片机产品已发展到几十种型号。8 0 5 1 是 最早最典型的产品，8 0 5 1 是r o m 型单片机，内部有4 k 字节工厂掩膜编程的r o m 程 序存储器。在人们的日常生活、生产中处处都离不开单片机。单片机的应用，打破 了人们的传统设计思想，原来很多用模拟电路、脉冲数字电路、逻辑部件来实现的 功能，现在可以无需增加硬设备，便可通过软件来完成。使用单片机更有体积小、 可靠性高、性能价格比高、容易产品化的优点? “| 2 。充分利用5 1 单片机丰富的资 源，使控制器更适合印刷工艺的要求，是本课题中很重要的问题。 。3 沈阳工业大学硕士学位论文 系统采用自适应模糊p i d 控制算法，根据不同的系统状态和要求随时修改p i d 参 数，使得系统满足不同情况下的动态静态要求【2 4 【2 ”。 本研究中以m a t l a b 软件为工具，对所设计的控制系统进行仿真研究，力求所 设计的控制系统具有较好的实用性。 一d 沈阳工业大学硕士学位论文 2 双动子永磁直线电机的设计 直线电机可以看成是旋转电机沿法向剖开并将圆周展开成直线，就得到了直线 电机。旋转电机的径向、周向和轴向，在直线电机中对应地称为法向、纵向和横 向。旋转电机在运行过程中定转子之间相互耦合，因此在直线电机中为了保证在所 需行程内，初级和次级间偶合保持不变，常有短初级长次级和短次级长初级的结 构，但考虑制造成本和工艺上的闯题，通常设计成短初级长次级的结构。 永磁同步直线电机同旋转同步电机有许多相似之处，在通入三相交流电后，会 在气隙中产生磁场，但这个磁场是沿直线方向移动的行波磁场而不是旋转磁场。行 波磁场与次级相互作用便产生电磁力，这是直线电机运行的基本原理。另外直线 电机还会产生与推力所在平面相互垂直的的法向力。 直线电机按结构可分为平板型、管型、弧型和盘型。平板型结构是最基本的结 构，应用也是最广泛。直线电机按初级和次级的长短可分为短初级和短次级，按初 级运动还是次级运动。可分为动初级和动次级【j 】。 直线电机的优点是：结构简单、灵敏度高、随动性能好，但直线电机初级和次 级之间的气隙由于机械结构刚度的限制和工艺水平的影响，一般要比旋转电机的气 隙大2 3 倍，因而使其功率和效率大大降低。这是直线电机的一个很大弱点。直线电 机能直接产生直线运动，这一点对直线运动机械设计者和使用者有很大的吸引力。 采用直线电机，不但省去了机械传动机构，面且可因地制宜的将直线电机的初级和 次级安排在适当的空间位置或直接作为运动机械的一部分，使整个装置紧凑合理， 还可以降低成本和提高效率。 2 1 直线电机结构的设计 本文针对直线电机的特点，提出短初级长次级、双边结构的直线电机。 永磁式直线同步电动机的初级铁芯由硅钢片叠成，初级绕组为三相交流绕组，当交 流绕组通以交流电流时，气隙中产生行波磁场。次级由电工钢板装有永久磁钢制成。 一5 沈n ：i i 业大学硕士学位论文 以往的直线电机设计中多为单边型，在电机工作过程中经常有悬空导轨变弯的情 况。针对这个问题，经过分析是由于在电机通电时，在产生纵向力使电机运行的同时也 产生很大的法向力，而这个力足以使半径不大的导轨变弯，从而使电机不能正常运行甚 至不能运行。单边短初级直线电机的结构图如图2 1 所示。 图2 - 1 单边短初级直线电机结构 在本课题研究中，将电机设计成对称双边结构，这样，对称的结构不仅将法向力相 互抵消，而且使电机产生了更大的纵向力，提高了利用率。永磁同步直线电机双边结构 横向剖面图如图2 - 2 所示。 n 匾而商。 图2 - 2 永磁同步直线电机双边结构横向剖面图 2 2 直线永磁同步电机工作原理 直线电机不仅在结构上与旋转电机相类似，而且工作原理也是很相似的。如图( 2 3 ) 所示为一工作原理示意图。在这台直线电机动子的三相绕组中通入三相对称正弦电 流后，同样会产生气隙磁场。当不考虑由于铁心纵向端部效应时，这个气隙磁场的分布 情况与旋转电机相似，即可以看成沿展开的直线方向分布。当三相电流随时间变化时， 气隙磁场将按a 、b 、c 相序沿直线运动。这个原理与旋转电机的相似，但二者的差异 是：直线电机的气隙磁场是沿直线方向平移的，而不是旋转的。因此，该磁场称为行波 磁场。显然，行波磁场的移动速度与旋转磁场在定子内圆周表面上的线速度k ( 称为同 一6 沈阳工业大学硕士学位论文 步速度) 是一样的。对于永磁同步直线电机来说，永磁体的励磁磁场与行波磁场相互作 用便会产生电磁推力。在这个电磁推力的作用下，由于定子固定不动，那么动子( 即初 级) 就会沿行波磁场运动的相反方向做直线运动，其速度为v ， 图2 - 3 直线永磁同步电动机工作原理 1 动子( 初级) 2 一定子( 次级) 3 一行波磁场4 永磁体磁极( n 、s 极) 该直线电机的静止部分由电工钢和磁钢组成，磁钢贴在电工钢扳的两边。作为电机 的次级：滑动部分由铁芯和绕组构成，铁芯开槽，每槽放置绕组线圈，作为动子( 初 级) 。当线圈通电时，位于磁场中的载流线圈就会受到电磁力的作用，由于电动机的次 级是固定的，根据作用力和反作用力是相等的原理，于是动子产生运动。随着线圈中电 流的大小和方向的变化。动子受力的大小和运动方向发生相应的变化。 这种结构电机的特点是用铜量少、能耗小，开口槽下线简单。但是主要缺点是动子 滑动时电源线要随着动，给运行带来不方便。 2 _ 3 电机绕组设计 绕组被设计成集中绕组的形式，这样就提高了绕组的利用率，且采用开口槽，令下 线更为方便。绕组的设计如图2 _ 4 ： 图2 - 4 直线电机绕组设计图 7 一 沈阳工业大学硕士学位论文 每个齿上套一相绕组，电机稳态运行时总是两相通电，为三相六状态运行，转子每 转过6 0 度电角度，就有一次电流切换。每相绕组通电1 2 0 度电角度。两相导通三相六 状态如图2 5 所示。 a 棚 b 朔 c 辛h ，厂 二j 。” 厂 。 “”一”t 二j 图2 5 两相导通三相六状态电流状态图 一8 一 沈阳工业大学硕士学位论文 3 f u z z y - p i d 控制策略 任何一个实际系统都有不同程度的不确定性，这些不确定性有时表现在系统内部， 有时表现在系统外部。从系统内部讲，有描述被控对象动态特性的数学模型的结构和参 数的不确定性：作为外部环境对系统的影响，可以等效的用各种扰动来表示。这些扰动 通常是不可测的，可能是确定的( 如常值负载扰动) ，也可能是随机的。对复杂对象的 控制问题目前最有效途径就是采用模仿人的智能进行控制决策，把人工智能的方法引入 控制系统，将控制理论与人工智能结合起来口q 。 对本课题而言，要求电机应按设计好的速度给定曲线运行，要具有较小的超调、回 调，尤其末速度的偏差一定要小，即要有较好的速度跟踪能力。而受控对象存在着较多 不确定的干扰因素，如摩擦扰动、推力扰动、动子质量的变化、逆变器传输滞后、端部 效应等。即系统中存在着较多的不确定因素。系统的结构采用速度一电流双闭环结构， 速度的给定是一梯形曲线，即按一定程序变化的函数。如用常规的p i d 控制，由于参数 固定，很容易造成大的超调和回调，这样会使满行程时的末速度太大或达不到满程。如 果末速度太大则对电动机而言将发生大的碰撞，偶尔的一次倒没什么，若长期这样对电 动机而言是一种极大的伤害，使用寿命受到严重影响，这是我们所不希望的。如果末速 度过小则有可能达不到全行程，这样会使要印刷的东西可能没有印上，这将影响质量和 效益。通过补偿的方法可以克服扰动。获得较好的控制质量。但参数辨识不仅麻烦而且 有时难以获得要补偿量的变化值。与传统的p i d 控制器相比，模糊控制器有更快的响应 速度，能够克服对象非线性因素的影响p 一，将其用在速度一电流双闭环控制系统上可以 在一定程度上提高系统的响应性能，但对于要求具有响应更快和稳态精度更高的情况， 一般的模糊控制器难以胜任，这是因为传统的模糊控制器其变量论域是固定的，无法使 整个被控对象的稳态误差降到最低。若要提高精度势必要增加量化的等级，导致推理时 间过长，系统实时性差。针对此种情况，采用模糊p i d 控制算法则具有很大的优点。它 可以按照控制的需要随时调整p i d 参数使控制量适合控制的需要，由于每一次控制器的 参数都是根据具体控制情况进行修正的，因此能够作到使控制效果最优。且无需知道对 象的数学模型”“。 一9 一 沈阳工业大学硕士学位论文 模糊智能p i d 即p i d 参数按照系统的偏差和偏差的变化率随时加以调整使系统的 输出准确跟踪给定值的变化而变化，这样在给定值正确合理的情况下，算法合适的话将 会获得较好的响应性能，而这种p i d 参数的变化调整则通过软件实现，既不增加硬件投 资又使系统的性能得到改善。最常用的智能模糊p i d 是自适应模糊p i d 控制器。 3 1p i d 控制算法的理论基础 p i d 控制是最早发展起来的控制策略之一，由于其算法简单，鲁棒性好和可靠性 高，被广泛应用于工业控制。而实际工业生产过程往往具有非线性、不确定性，难以建 立精确的数学模型，应用常规的p i d 控制器难以达到理想的控制效果；在实际生产过程 中，由于受到参数整定方法烦杂的困扰，常规p i d 控制器参数往往整定不良、性能欠 佳，对运行环境的适应性较差。针对上述问题，长期以来，人们一直在寻求p 1 d 控制器 参数的自整定技术，以适应复杂的工况和高指标的控制要求。微处理机技术的发展和数 字智能式控制器的实际应用，以及近年来各种先进算法的不断涌现，为控制复杂系统开 辟了新途径。 3 ，1 ip i d 控制器的基本原理 p i d ( p r o p o r t i o n a l 、i n t e g r a l a n d d i f f e r e n t i a l ) 控制器本身是一种基于对“过去”、“现 在”和“未来”信息估计的简单控制算法。 图3 ，lp i d 控制系统原理框图 常规p i d 控制器系统原理框图如图3 1 所示，系统主要由p i d 控制器和被控对象组 成。作为一种线性控制器，它根据给定值和实际输出值构成控制偏差，将偏差按比例、 积分和微分通过线性组合构成控制量，对被控对象进行控制，故称为p i d 控制器。其控 制规律为： 一1 0 沈阳工业大学硕士学位论文 砸m ，卜+ 砉i e ( t ) d t + 丁t j e ( t ) ( 3 - 1 ) 式中：e ( t ) = k o 一妁，k e 为比例系数、乃为积分时间常数、殇为微分时间常数。以 上是我们在各种文献中最经常看到的形式。各种控制作用的实现方式在函数表达式中表 达的非常清楚，对应控制参数包括比例增益晦、积分时间常数乃、和微分时间常数 乃。下面介绍三种校正环节的主要控制作用及其在具体实现过程中的一些改进。 1 ) 比例作用 比例作用是最基本的控制作用。郧越大，系统的响应速度越快，系统的调节精度 越高，但系统易震荡，甚至导致不稳定：减小岛，则会降低调节精度，使系统静态 特性变坏。 2 ) 积分作用 积分作用的引入，主要是为了保证被控量y 在稳态时对设定值r 的无静差跟踪。乃 越小，系统静态误差消除越快，但矗过小在响应过程中的初期会产生积分饱和现象，从 而引起响应过程的较大超调，乃过大，将使系统静差难以消除，影响调节精度。 3 ) 微分作用 微分作用是按偏差的变化率来进行调节的，具有超前的作用。对克服系统中的滞后 具有较好的作用。但同时微分作用也对高频噪声，这是实际控制所不希望的。故实际 中微分作用要适当。 3 1 2p i d 控制器的特点 事实表明，对于p i d 这样简单的控制器，能够适用于如此广泛的工业与民用对象， 并仍以很高的性能价格比在市场中占据着重要地位，充分地反映了p i d 控制器的良好 品质，概括地讲，p i d 控制的优点主要体现在以下两个方面： ( 1 ) 原理简单、实现方便，是一种能够满足大多数实际需要的基本控制器。 ( 2 ) 控制器适用于多种截然不同的对象，算法在结构上具有较强的鲁棒性。确切的说，在 很多情况下其控制a 1 2 n 1 质对被控对象的结构或参数扰动不敏感。 但从另一方面来讲，控制算法的普遍适应性也反映了p i d 控制器在控制品质上的局 限性。具体分析，其局限性主要来自以下几方面： 沈阳t 业大学硕士学位论文 ( 1 ) 算法结构的简单性决定了p i d 控制比较适用于s i s o 最小相位系统，在处理大时 滞、开环不稳定过程等难控对象时，需要通过多个p i d 控制器或与其他控制器的组 合，才能得到较好的控制效果。 ( 2 ) 结构的简单性同时决定了p i e ) 控制只能确定闭环系统的少数主要零极点，闭环特 性从根本上是基于动态特性的低阶近似假定的。 ( 3 ) 出于同样原因，决定了常规p i d 控制器无法同时满足跟踪设定值和抑制扰动的不同 性能要求。 3 1 3 数字式p i d 控制器的结构 采用计算机实现的p i d 算法，其离散的p i d 控制规律为： n - i u ( n ) = k p e ( n ) + ( t e ( i ) t i + t d e ( n ) 一e ( n - 1 ) 】厂r )( 3 2 ) f _ 0 式中e ( n ) 、e ( n - 1 ) 分别为第n 个采样时刻和第n - 1 个采样时刻的偏差；u ( n ) 第n 个 采样时刻控制器的输出；k 比例增益；t 。、t d 分别为积分时间和微分时间；t 为采样周 期。 在工程实际中，通常使用增量的p i d 算式，其表达式为： u ( n ) = u ( n ) - u ( n - 1 ) 2k pf e ( n ) - e ( a - 1 ) + t e ( n 1 ) t f + t a e ( n ) 一2 e ( n - 1 ) + e ( n 一2 ) i t = c l e ( n ) + c 2 e ( n - 1 ) + c 3e ( n - 2 ) ( 3 - 3 ) 式中，e l = k p ( 1 + t d t ) ；c 2 = k p ( t t i 一2 t a 爪1 ) ；c 2 = k p t d 厂r 增量的p 1 d 算式只与前三次的采样值有关，计算量少且实时性好，但与模拟p i d 控制器一样，存在参数修改不便，不能进行自整定等缺点。为了适应控制系统的参数变 化和工作条件的变化，需要控制器的参数根据工艺状况和控制要求自动加以调整，尤其 对被控对象具有本质非线性、参数时变性以及模型不确定性时，如果能够适时调整控制 器的参数，使其适应不同状况的要求将对控制系统的动态及静态控制质量的改善是非常 必要的d 4 1 。 3 2p d 参数自整定思想 一般的p d 调节器需对3 个参数进行整定，由于它们之间相互影响，所以当被控对 象具有非线性且数学模型不确定时，参数的整定工作十分棘手，只能采用凑试法。在实 1 2 沈阳工业大学硕士学位论文 际工作中，被控对象往往具有一定的性能差异，即使是同一个被控对象也会具有时变性 和非线性，同时参数的整定往往是针对某一特定的给定而设计的。因此p i d 参数应根据 系统工作状态的变化而进行相应的调整。即p i d 参数应自动适应系统的要求。 人们利用人工智能的方法将操作人员的调整经验作为知识存入计算机中，根据现场 实际情况，计算机能自动调整p i d 参数，这样就出现了智能p i d 控制器 3 2 1 基于f u z z y 推理的自调整p i d 控制器 一般的基于f u z z y 推理的自整定p i d 控制器是由一个标准p i d 控制器和一个 f u z z y 自调整机构组成。根据输入信号的大小、方向以及变化趋势等特征，通过f u z z y 推理作出相应决策，在线整定p i e ) 参数岛、局和杨，以期获得满意的控制效果。 3 2 2 专家系统智能自整定p i d 控制器 专家系统应包括专家知识库、数据库和逻辑推理机三部分。专家系统可视为广义调 节器，专家知识库中已经把熟练操作工或专家的经验和知识构成p i d 参数选择手册，这 部手册记载了各种工况下被控对象所对应的p 、i 、d 参数，数据库根据被控对象的输入 与输出信号及给定信号提供给知识库和推理机。推理机能进行启发式推理，决定控制策 略。 3 2 3 基于b p 神经网络的参数自学习p i d 控制器 b p 神经网络具有逼近任意非线性函数的能力，而且结构和学习算法简单明确。通 过神经网络自身的学习，可以找到某一最优控制律下的p 、i 、d 参数。基于b p 神经网 络的p i d 控制器由经典的p i d 控制器和神经网络组成。其中神经网络的输出状态对应 于p i d 控制器的三个可调参数肠、蔚、k d ，通过神经网络的自身学习、加权系数调 整，从而使其稳定状态对应于某种最优控制律下的p i d 控制器参数。 3 3f u 卵d 控制器的设计 f u z z y 控制器和p i d 调节器相比，具有更快的响应和更小的超调，而且对过程参数 的变化不敏感( 即具有很强的鲁棒性) ，能够克服非线性因素的影响。虽然f u z z y 控制器 具有这些优良品质，但由于受到计算机存储量的限制，只能取得有限的控制等级，限制 了f u z z y 控制精度的提高，被认为是粗糙的控制器。p i d 控制算法对大多数过程都具有 较好的控制效果和适应性，至今仍为控制过程所广泛采用，而p i d 参数的人工调整不仅 1 3 - 沈阳工业人学硕士学位论文 需熟练的技巧，也十分费时。同时，即使p i d 参数调整的很好，用同一组固定的p i d 参数去适应系统的全过程，当控制对象参数变化后，系统的性能必然也会受到影响。因 此，p i d 参数的在线自动化调整就非常重要。f u z 琶广巾i d 控制器对输出响应的波形进行 在线监控，求出作为控制性能的指标，并用专家调整知识建立调整规则i f - t h e n 模 型，利用f u z z y 逻辑推理，实时调整p i d 参数，使p i d 控制器适应被控对象的变化，并 获得良好的控制性能。本章主要根据设计模糊控制器的步骤，设计出一般的f u z z y - p i d 控制器。 3 3 1p i d 控制器参数f u z z y 调整原理 基于f u z z y 逻辑推理的p i d 控制器是以控制专家整定p i d 控制器参数的经验和知识 为基础，通过对系统过渡过程模式的在线识别，对p i d 参数进行自整定，其控制框图如 3 2 所示。 匿fuzzy广_ 一规则及推理1 敏：【孽型一 图3 2p i d 参数模糊自整定框图 它是在p i d 算法基础上增加了e 与e c 的计算，并将在工艺分析和操作经验基础上 总结的专家知识，以产生式语句i f ( 条件) t h e n ( 结果) 的形式组成知识库，经f u z z y 合成 推理形成f u z z y 查询矩阵。如果在某一采样时刻观察到响应曲线模式与所期望的模式不 同，则可根据模式状态变量e 和e c ，通过实时调整机构在知识库中搜索相应的f u z z y 推理矩阵，并进行参数调整，直到其输出达到期望的响应模式为止。p i d 参数的f u z z y 自动调整思想是依据被控对象的响应在采样时刻的误差e 和误差的变化率e c 两个因素 来确定参数调整量的极性和大小的。本质上同时兼顾了被控对象响应的“静态性能” ( 是高于还是低于给定位) 和响应的“动态性能”( 是靠拢还是偏离给定位) 两个因素，既 一1 4 沈阳工业大学硕士学位论文 看现状，也看动向。其算法过程是利用对应的规则集将控制指标( 条件) 模糊化，然后将 它与知识库中的模糊规则进行匹配( 即判断控制指标与规贝q 集的条件部分是否相同) ，如 有规则被匹配，则执行该规则的结果部分，就可得到相应的参数调整量。因此有实际控 制系统的响应值精确值到模糊规则集的条件( 模糊量) 的转化过程( 即模糊化) 和其规则的 操作值( 模糊量) 到实际的调整系数( 精确量) 的转化( 判决) 过程。 3 3 2p i d 参数专家调整知识的f u z z y 调整模型 f u z z y 控制器设计的核心是总结专家的经验和知识建立合适的被控过程的f u z z y 规 则模型。考虑到p i d 参数的f u z z y 调整问题，通过总结一些生产过程的操作经验，并根 据对p i d 调节器各调节规律的理论分析，构成p i d 三个参数( 郧、局、蚴的f u z z y 校正 规则模型。 3 3 2 1p i d 参数对系统性能的影响 用位置算式来描述p i d 控制器： k “( 七) = k p p ( 女) + k ，p ( ) + k d e c ( k ) ( 3 - 4 ) n = 0 其中e ( 向、e “的分别为系统偏差、偏差的变化率，j 昏、蜀和硒分别为比例作用、 积分作用和微分作用的参数，由于肠、局、 ，d 是表征p i d 控制器在控制过程中的比 例、积分和微分作用程度的参数。因此下面从系统稳定性、响应速度、超调量和控制精 度等各方面特性来分析p i d 三参数对p i d 控制品质的影响。 1 ) k p 参数分析 比例系数缉的作用在于加快系统的响应速度，提高系统调节精度。晦越大，系统 的响应速度越快，但将产生超调和振荡甚至导致系统不稳定，因此晦值不能取的过 大；如果岛值取较小，则会降低调节精度，使响应速度缓慢，从而延长调节时间，使 系统动、静态特性变坏。 2 ) 厨参数分析 积分环节作用系数局的作用在于消除系统的稳态误差。厨越大，积分速度越快， 系统静差消除越快，但厨过大，在响应过程的初期以及系统在过渡过程中会产生积分 饱和现象，从而引起响应过程出现较大的超调，使动态性能变差：若肠过小，使积分 1 5 沈阳工业人学硕士学位论文 作用变弱，使系统的静差难以消除，使过渡过程时间加长，不能较快的达到稳定状态， 影响系统的调节精度和动态特性。 3 ) k o 参数分析 微分环节作用系数j ，d 的作用在于改善系统的动态特性。因为p i d 控制器的微分环 节只影响系统偏差的变化率e c ，其作用主要是在响应过程中抑制偏差向任何方向的变 化，对偏差变化进行提前制动，降低超调，增加系统的稳定性。j 幻过大，则会使响应 过程过分提前制动，从丽拖长调节时问，而且系统的抗干扰性较差。 综上所述，p i d 三参数取值大小，对控制系统的静态特性和动态特性影响很大， 郧、局和 ，d 三参数的整定要根据控制对象的数学模型g ( s ) 的参数来确定。对于非线性 负载和时变、时延负载，以及难于用g ( s ) 描述的负载，这三个参数的整定就很困难，也 就不能达到良好的控制效果和获得良好的控制性能。 3 1 3 f 2 2p i d 参数的专家整定知识的描述 经过人们大量的试验与应用，已总结出p i d 参数的各种整定方法。其中对于非线 性、时变和时延以及难于用g ( s ) 描述的负载，控制专家也经过大量仿真研究和试验，得 出一些整定经验和知识，由此可看出p i d 控制器参数的变化如何影响过渡过程特性。这 些知识归结如下： ( 1 ) 晦增加振荡周期减小；反之亦然。 ( 2 ) 肠增加则超调增加；反之亦然。 ( 3 ) 肠增加则上升时间减少；反之亦然。 ( 4 ) 局增加则超调回调比增加：反之亦然。 ( 5 ) 局增加则稳定性下降：反之亦然。 ( 6 ) 局减小则超调下降：反之亦然。 ( 7 ) 杨增大则稳定性增加；反之亦然。 ( 8 ) 当系统输出超过设定值时，减小足蜀， ( 9 ) 当系统上升时间大于要求的上升时间时，增加蜀。 ( 1 0 ) 在稳态时，系统输出产生波动现象，适当增加j 白。 ( 11 ) 系统输出对干扰信号反应灵敏，适当减小 ，d 。 一1 6 沈阳工业火学硕士学位论文 ( 1 2 1 上升时间过长，增加肠。 ( 1 3 ) 系统输出发生振荡现象，减少硒。 根据上述专家经验知识可以总结出p i d 参数f u z z y 调整模型。 3 3 2 3p i d 参数f u z z y 调整模型的建立 根据控制专家的经验知道，当不确定系统在常规控制作用下，误差e 和误差变化率 e c 越大，系统中不确定量就越大。相反，误差e 和误差变化率e c 越小，系统中不确 定量就越小。幂用这种e 和e c 对系统不确定量的估计，就可实现对p i d 三参数膨、 硒、杨的调整估计，显然这是由人的经验形成的直觉推理，用i f - t h e n 产生式语句规 则所表达的调整模型。 在判定控制规则模型时，既要兼顾减小超调、提高系统响应速度，同时系统稳定性 的提高更为重要。控制品质分析的重要依据是系统的响应曲线，我们对图3 3 所示的经 典响应曲线作一分析，从中可取得控制经验信息，从而确定f u z z y 算法。 f 一 。7 - 。： 、 r 。 ： - _ -