（控制理论与控制工程专业论文）直流电机智能控制.pdf

：= ：! = = ：= ：= ：一：型；：! 竺! 塑型：墼坠 ：= a b s t r a c t i n t e l l i g e n tc o n t r o lb a s e do ns o f tc o m p u t i n gt e c h n o l o g i e s ，w h i c hi n c l u d e n e u r a ln e t w o r k ，f u z z yl o g i c ，a n dg e n e t i ca l g o r i t h m ，h a v er e c e n t l ye x p a n d e d t h ea p p l i c a t i o na r e a so fp o w e re l e c t r o n i c sa n dm o t o r sd r i v e s i th a sb r o u g h ta n e wa n dc h a l l e n g i n gf r o n t i e ri nh i g hp e r f o r m a n c em o t o rd r i v e r t e c h n o l o g y ， w h i c hi sn o t p o s s i b l eb yc o n v e n t i o n a lc o n t r o lm e t h o d s i n t e l l i g e n tc o n t r o l b a s e di m p l e m e n t a t i o nh a st h e a d v a n t a g e s t h a t s t r i c t l y d o e sn o t r e q u i r e m a t h e m a t i c a lm o d e lo ft h ep l a n t i to v e r c o m e st h ep r o b l e m sw i t hu n c e r t a in t i e s i nt h ep l a n tp a r a m e t e r sa n ds t r u c t u r ee n c o o n t e r e di nt h ec l a s s i c a lm o d e l b a s e d d e s i g n m o t o rd r i v e rs y s t e m sa r ec h a r a c t e r i z e db yc o m p l e x h i g h l yn o n l i n e a r a n dt i m e v a r y i n gd y n a m i c sa n di n a c c e s s i b i l i t yo fs o m es t a g e sa n do u t p u t sf o r m e a s u r e m e n t s ，a n dh e n c ec a nb ec o n s i d e r e da sac h a l l e n g i n ge n g i n e e r i n g p r o b l e m t h ea d v e n to fv e c t o rc o n t r o lt e c h n i q u e sh a sp a r t i a l l ys o l v e dc o n t r o l p r o b l e m s o fm o t o rd r i v e s y s t e m s ，b e c a u s et h e y a r es e n s i t i v et odr i v e p a r a m e t e r v a r i a t i o n sa n d p e r f o r m a n c em a y d e t e r i o r a t ei fc o n v e n t i o n a l c o n t r o l l e r sa r e u s e d i n t e l l i g e n tc o n t r o l l e r s a r ec o n s i d e r e da s p o t e n t i a l c a n d i d a t e sf o rs u c ha na p p l i c a t i o n k e yw o r d s ：d cm o t o r ；p i dc o n t r o l ；f u z z yc o n t r o l ；a d a p t i v ec o n t r o l 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其 他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。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后粜 由本人承担。 作者签名： 上o u 皑拙段 日期：麟年。明卫。日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，i 司意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许沦文被蠢 阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位 论文。 本学位论文属于 l 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密圉。 ( 请在以上相应方框内打d ) 作者签名： 导师签名： k 嘻忙k 日期： 日期： f 年。钼船日 谚够年厂月1 ；臼 = ：= ：一：。：。：坠型墅些墼璧鐾二一：= 。一： ：= ：= ： c h a p t e r 1i n t r o d u c t i o n f a c i n gt h ed i v e r s i t yo fs y s t e m sa n dr e s p o n d i n gt ot h e i ro p e r a t o r sr e q u i r e m e n t ， t h ef i r s tt y p eo fc o n t r o lt h a tw eh a v eu s e dm a d ec l a s s i cp i d r e g u l a t i o n t h i st y p eo f r e g u l a t i o nh a st h ea d v a n t a g et ob ee f f i c i e n t ，r e l i a b l ea n ds i m p l et oa d j u s t h o w e v e r ，t h eu s eo ft h i sc o n t r o ls t r a t e g y ( p i dc o m m a n d ) n e e d st h em o d e l i n go f p r o c e s st ob ec o m m a n d e d h o w e v e rt h i sm o d e l i n gi sn o ta l w a y se v i d e n te s p e c i a l l y w h e ni ti sa b o u tac o m p l e xs y s t e ma n d o rn o tl i n e a r o t h e rp r o b l e m s d u et ot h e n u m e r i c a lc o m p l e x i t yo fi d e n t i f i c a t i o na l g o r i t h m sa n dt ot h eq u a n t i t yo fg a t h e r e d i n f o r m a t i o n , l i m i tt h ep e r f o r m a n c eo ft h ec o n t r o l l e dp r o c e s s t os o l v et h e s ep r o b l e m s ， n e ws t r a t e g i e so fc o n t r o lb a s e do no p e r a t o r se x p e r t i s eh a v eb e e ne l a b o r a t e d t h e m a i np o i n to ft h e s en e ws t r a t e g i e sl i e si nu t i l i z a t i o no fs y m b o l i cc a l c u l u sf o r t h em o d e l i n go ft h ec o m m a n da l g o r i t h m t h i sm e t h o d o l o g yo p e n san e ww a yf o rt h e u s eh e u r i s t i c ( h e u r i s t i cl o g i c ) ，b yr e p l a c i n gt h em o d e l i n go ft h er e g u l a t o rb yal a wo f s o p h i s t i c a t e dc o m m a n d w h o e v e r ，o t h e rc a r r i e ds t u d i e sp r o v et h a ti nar e g u l a t o rl o o pt h em a ur e a c ta s n o n l i n e a rr o b u s tc o n t r o l l e rw h e r et h ep a r a m e t e rv a r yd u r i n gt h et i m e ，t h i sc o n t r o i s t r a t e g y ( m a n ) i n t e g r a t e st h ep r o c e s s sk n o w l e d g ea n dt h ep e r f o r m a n c ei n d e xi nt h e c o m m a n d so b j e c t i v e i np r a c t i c a l ，w ec l e a r l ys e et h eb e n e f i to ft h i sk i n do fc o m m a n d t h eh u m a nb e i n gc a nm a k eac o n t r o la c t i o ne v e ni nt h ep r e s e n c eo fn o n - l i n e a r i t y ，o f d i s t o r t i o n ，e t c t h u s ，t h ef u z z yc o n t r o l l e r sm i g h tb es e e na sc a s eo fe x p e r tc o m m a n d ，w h i c h c h a r a c t e r i z e db yt h eu s eo fa r e p r e s e n t a t i v em e c h a n i s mo ft h eh u m a nb e i n 9 1 s j u d g m e n t s t h et h e o r yo ff u z z ys e t sp e r m i t st h eh a n d l i n go fd a t aw h e r ec h a r a c t e r i s t i c sb a d l y a g r e e w i t h c a l c u l u sa n dc l a s s i c a l l o g i c ：u n c e r t a i nd a t a ，b a d l yq u a n t i f i e d a n d r e d u n d a n t t h eb a s i so ft h i st h e o r yg e n e r a l i z e st h en o t i o no fa no b j e c t sm e m b e r s h i pt oa d a t as e t i na d d i t i o n ，t h es y s t e m sw i t haf u z z yl o g i cb a s ef i r ea s s o c i a t e dt oe x p e r ts y s t e m s i nt h i ss e n s et h a ti ss u p p o r t e db yak n o w l e d g eb a s ea n db yt r e a t m e n tr u l e so ft h i s o n e ( h u m a nr e a s o n i n gm o d e ：i n f e r e n c e ) t h u saf u z z ym i g h tb es e e n a s p a r t i c u l a r ：一：= ：= ： = ：竺墅些墼坚鲤蜜坠鉴墼坚! 尘r _ ：。：! e x p e r ts y s t e mh a v i n gt h eo b j e e t i v eo fr e p l a c i n gaq u a l i f i e do p e r a t o ri nh i so b s e r v a t i o n a n dh i sj u d g m e n t s oi tp e r m i t st h et r e a t m e n to fh u m a ni d e a so f t e nu n c e r t a i n t h i st y p eo fc o n t r o l l e ri sc h a r a c t e r i z e db y ： ( 1 ) i t sa p t i t u d eo f a p p r e h e n dp r o b l e ms u c ha su o f l l i n e a r i t ya n dl a t ef o rw h i c ht h e c o n v e n t i o n a lc o n t r o l l e r ( 1 i k ep i dc o n t r o l l e r s ) a r eb a d l ya d a p t e d ( 2 ) t h ep o s s i b i l i t yo fc o n s i d e r i n gc o n t r a d i c t o r yo h j e c t i v e s ( 3 ) t h eu t i l i z a t i o no fa ne x p e r t sk n o w l e d g eo nt h ew a yo fp i l o t i n gt h es y s t e m a n dt h e r e f o r et h es u p p r e s s i o no ft h em a t h e m a t i cm o d e l i n gp r o c e d u r eo ft h ep r o c e s st o b ec o m m a n d e d t h ef i r s tr e s u l t so ft h i sn e ws t r a t e g yo fc o m m a n dg a i n e dt h ei n t e r e s to fm a n y r e s e a r c h e r s i nj a p a n t h i sn e ws t r a t e g yh e n c e f o r t ha c c e s s i b l et ot h ep u b l i c ( w a s h i n g m a c h i n e ，v i d e or e c o r d e r ，e t c ，) o na ni n d u s t r i a ls c a l e ，t h i ss t r a t e g yo fc o n t r o lh a v eb e e nu s e de s p e c i a l l yf o rt h e r e g u l a t i o no fc o m p l e xs y s t e m ss u c hu st h ec e m e n t m o s to ft h es t u d i e sl e du pt ot h i s t i m ep r o v e ，o no n eh a n d ，t h er o b u s t n e s so ft h ef u z z yc o n t r o l l e rv i s a v i st h ev a r i a t i o n o ft h ed y n a m i co ft h es y s t e mt oc o m m a n d e d ，a n do nt h eo t h e rh a n d ，c o m p a r i n gw i t ha p i d ，as l o wr i s et i m e ，al i m i t e do v e r s h o o t i n g ，b u tar e g i m ep e r m a n e n t r i s k o s c i l l a t i o n s o u rw o r kc o n s i s t so far e a l t i m ed e v e l o p m e n to fa na l g o r i t h mo ff u z z yc o n t r 0 1 s t u d d i n gf i r s tt h et y p eo fp i dc o n t r o l ，a na d a p t a t i o no f t h eg a i no ft h ec o m m a n di nt h e c a s eo ft h ef u z z yc o m m a n d ，a n dt h ec o m b i n a t i o no ft h e s et w ot y p e so fc o n t r o lw h e r e t h ep i dp a r a m e t e r sa r ea a j u s t e db yt h ef u z z yc o n t r o l l e ra ss u p e r v i s o r ，ac o m p a r a t i v e s t u d yo ft h ec o n v e n t i o n a lc o m m a n d ( p i d ) ，a n da tt h ee n dt h es y n t h e s i so ff u z z y c o n t r o l l e r ，t h ea d a p t i v ec o n t r o l l e rb yt h ec o m p a r i s o nw i t ht h ep i dc o n t r o l l e r t h i st h e s i si so r g a n i z e di n4c h a p t e r s ： i nc h a p t e r2 ，p r e s e n t st h ep i dc o n t r o l l e rd e s i g n ，a n dh o wt oc h o o s et h ep i d p a r a m e t e r sa c c o r d i n gt os y s t e mr e s p o n s e ，t h i sw a sd e m o n s t r a t e db ys e v e r a lc o n t r a s l e x p e r i m e n t sw h e r ed cm o t o rw a su s e da sc o n t r o l l e dp r o c e s s i n c h a p t e r3 ，r e g r o u p s s o m en o t i o n s c o n c e r n i n g t h e f u z z y c o m m a n d ( f u z z i f i c a t i o n ，r u l e so ff u z z yc o n t r o l ，i n f e r e n c e ，a n dd e f u z z i f i c a t i o n ) f r o m t h e g e n e r a ls y n o p t i cs c h e m eo ff u z z yc o n t r o l l e r ，w ew i l lt r yt oe x p l a i nt h er o l e sa n dt h e c h a r a c t e r i s t i c so ft h ed i f i e r e n tb l o c k s i nc h a p t e r4 ，p r e s e n t st h ev e l o c i t yc o n t r o lo fad cm o t o ru s i n gf l l z z yl o g i c f u z z yc o n t r o l l e ra n df u z z y p i dc o n t r o l l e rs a i da d a p t i v ec o n t r o l l e ra r ep r e s e n t e d t h e 2 一：坠墼坠塑堡! ! 璧墅! ： = 一 c o n t r o l l e r sa r ed e s i g n e db a s e do nm a t l a bp r o g r a m ，ac o m p a r i s o nb e t w e e np i d ，f u z z 5 a n df u z z y p i dc o n t r o l l e ri sp r e s e n t e d - 3 一= 。= ：。：! = 。一：= 竺些呈：尘型垒鬯竺：坠錾：墼竺! 坚：! c h a p t e r2d cm o t o rs p e e dc o n t r o lu s i n g p i dc o n t r o l l e r t h ep i dc o n t r o l l e r d e s i g na n dc h o o s i n gp i dp a r a m e t e r sa c c o r d i n gt o s y s t e mr e s p o n s ea r ep r o p o s e di nt h i sc h a p t e r h e r ep i dc o n t r o l l e rise m p l o y e d t oc o n t r o ld cm o t o rs p e e da n dm a t l a bp r o g r a mi s u s e df o rc a l c u l a t i o na n d s i m u l a t i o n c h o o s i n gp i dp a r a m e t e r sa r ed e m o n s t r a t e db ys e v e r a lc o n t r a s t e x p e r i m e n t sa n daw a yf o rs e t t i n gp i dp a r a m e t e r sv a l u e si s d is c u s s c d 2 。1i n t r o d u c t i o n t h eb e s t k n o w nc o n t r o l l e r su s e di ni n d u s t r i a l c o n t r 0 1 p r o c e s s e sa r e p r o p o r t i o n a l - i n t e g r a l d e r i v a t i v e ( p i d ) c o n t r o l l e r sb e c a u s e o ft h e ir s i m p l e s t r u c t u r ea n dr o b u s tp e r f o r m a n c ei naw i d er a n g eo fo p e r a t i n gc o n d i t i o n s t h e d e s i g no f s u c hac o n t r o l l e rr e q u i r e ss p e c i f i c a t i o no ft h r e e p a r a m e t e r s ： p r o p o r t i o n a lg a i n ，i n t e g r a lt i m ec o n s t a n ta n dd e r i v a t i v et i m ec o n s t a n t s of a r ， g r e a te f f o r th a sb e e nd e v o t e dt od e v e l o pm e t h o d st or e d u c et h et i m es p e n to n o p t i m i z i n gt h ec h o i c eo fc o n t r o l l e rp a r a m e t e r s 【1 】 s e t t i n gt h ep i dp a r a m e t e r sa r ec a l l e dt u n i n g ，t h ec l a s s i c a lt u n i n gm e t h o d i st ou s et h ef a m o u s z i e g l e r n i c h o l s t u n i n gf o r m u l a t h i st u n i n gf o r m u l a h o w e v e r ，i sn o ta l w a y se f f e c t i v ei nt h es e n s et h a ti tm a yc o m p l e t e l yf a iit o t u n et h ep r o c e s s e sw i t h ，f o re x a m p l e ，r e l a t i v e l yl a r g ed e a dt i m e 。 m o r e o v e r ，i t st u n i n gw i l l h a v et ob e s u p p l e m e n t e d w i t h p u r e l y e x p e r i e n c e b a s e df i n e t u n i n gt om e e tt h es p e c i f i c a t i o n s 【2 】 t h ep a r a m e t e r so ft h ep i dc o n t r o l l e rk p ，k ia n dk d ( o rk p ，f ia n d i d ) c a n b em a n i p u l a t e dt op r o d u c ev a r i o usr e s p o n s ec u r v e sf r o mag i v e np r o c e s sa sv i e w i l 】s e el a t e r 2 2p l dc o n t r o i l e r p i dc o n t r o l l e r sa r ec o m m o n l yu s e dt or e g u l a t et h et i m e d o m a i nb e h a v i or o fm a n yd i f f e r e n tt y p e so fd y n a m i cp l a n t st h e s ec o n t r o l l e r sa r e e x l ：r e m e l y p o p u l a r b e c a u s e t h e y c a n u s u a l l yp r o v i d eg o o dc l o s e d l o o pr e s p o ns e c h a r a c t e r i s t i c s c a nb et u n e du s i n gr e l a t i v e l ys i m p l ed e s i g nr u l e s a n da r ee a s y t oc o n s t r u c tu s i n ge i t h e ra n a l o go rd i g i t a lc o m p o n e n t s c o n s i d e rt h ef e e d b a c k - 4 ， s y s t e ma r c h i t e c t u r et h a ti ss h o w ni nf i g u r e2 1 w h e r ei tc a nb ea s s u m e dt h a t t h ep l a n ti sad cm o t o rw h o s es p e e dm u s tb ea c c u r a t e l yr e g u l a t e d 列p i d - c o n t r o l l e r 咂 f i g u r e2 1f e e d b a c ks y s t e ma r c h i t e c t u r e t h ep i dc o n t r o l l e ri s p l a c e d i nt h ef o r w a r dp a t h ，s ot h a ti t s o u t p u t b e c o m e st h ev o l t a g ea p p l i e dt ot h em o t o r sa r m a t u r e t h ef e e d b a c ks i g n a li sa v e l o c i t y m e a s u r e db yat a c h o m e t e r t h eo u t p u tv e l o c i t ys i g n a ly ( t ) i ss u n a m e d w i t har e f e r e n c eo rc o m m a n ds i g n a lr ( t ) t of o r mt h ee r r o rs i g n a le ( t ) f i n a l l y t h ee r r o rs i g n a li st h ei n p u tt ot h ep i dc o n t r o l l e r b e f o r ee x a m i n i n gt h ei n p u t o u t p u tr e l a t i o n s h i p sa n dd e s i g nm e t h o d sf o r t h ep i dc o n t r o l l e r ，i ti sh e l p f u lt or e v i e wt y p i c a lc h a r a c t e r i s t i c so b s e r v e df o r t h e v e l o c i t yr e s p o n s e o fad cm o t o rt oas t e pv o l t a g ei n p u t d i f f e r e n t c h a r a c t e r i s t i c so ft h em o t o rr e s p o n s e ( s t e a d y s t a t ee r r o r ，p e a ko v e r s h o o t ，r i s e t i m e ，s e t t l i n gt i m e ，e t c ) a r ec o n t r o l l e db ys e l e c t i o no ft h et h r e eg a i n st h a t m o d i f yt h ep i dc o n t r o l l e rd y n a m i c a l l y t h i si sd i s c u s s e di nd e t a i lb e l o w t h ep i dc o n t r o l l e ri sd e f t n e db yt h e f o l l o w i n gr e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ec o n t r o l l e ri n p u te ( r ) a n d t h ec o n t r o l l e r o u t p u t “( ) t h a ti sa p p l i e dt ot h em o t o ra r m a t u r e ： g ( s ) 甜( r ) ：劬e ( r ) + 舡；e ( f ) x d r + k d x 螋 ( 2 1 ) 甜( ) = 印“8 ( ) + 舡。f 。( 7 ) 竺d 型t (21)0 t a k i n gt h el a p l a c et r a n s f o r mo ft h i se q u a t i o ng i v e st h et r a n s f e rf u n c t i o n g = 筹响+ 等埘叫 t h i st r a n s f e rf u n c t i o nc l e a r l y d e r i v a t i v eg a i n st h a tm a k eu pt h e f o rt h eg a i nt e r m sa c c o r d i n gt o ： f 2 2 1 i l l u s t r a t e st h ep r o p o r t i o n a l ，i n t e g r a la n d p t dc o m p e n s a t i o n ，s e l e c tn e wd e f i n i t i o n s - 5 - ：。：一：些! 塑竺! 呈：些! 堡型錾些! ：望三! 堡兰：= ：一： 咖= 女，衙= 元k ，k d = k t d g ( 沪( 女+ 志+ 七t d ) 叫l 十去十喇 郦) = 删十熹+ t d 蛐 t h ed i s c r e t e t i m ee q u a t i o ne x p r e s s i o ni sg i v e na s ( 23 1 娴= 印叫毗肼l 扣) + 争 ( 2 4 1 h e r e ，u ( k ) i st h ec o n t r o ls i g n a l ，e ( k ) i st h ee r r o r ，t si s t h es a m p l i n g p e r i o df o rt h ec o n t r o l l e r ，a n da e ( k ) e ( k ) 一e ( k 一1 ) 2 3p h y s i c a ls e t u pa n ds y s t e me q u a t i o n d cm o t o r sh a v es p e e d c o n t r o lc a p a b i l i t y ，w h i c hm e a n st h a ts p e e d ，t o r q u e a n de v e nd i r e c t i o no fr o t a t i o nc a nb ec h a n g e da ta n yt i m e t om e e tn e w c o n d i t i o n s 【3 】t h ee l e c t r i cc i r c u i to ft h ea r m a t u r ea n dt h ef r e eb o d yd i a g r a m o ft h er o t o ra r es h o w ni nt h ef o l l o w i n gf i g u r e ： v f i g ur e2 2e l e c t r i cc i r c u i ta n df r e eb o d yd i a gr a m f o rt h i se x a m p l e ，w ew i l la s s u m et h ef o l l o w i n gv a l u e sf o rt h ep h y s i c a p a r a m e t e r s ( 1 ) m o m e n to fi n e r t i ao ft h er o t o r ( j ) 2 0 0 i k g m “2 s “2 ( 2 1d a m p i n gr a t i oo ft h em e c h a n i c a ls y s t e m ( b ) 20 1 f l m s 6 ( 3 ) e l e c t r o m o t i v ef o r c ec o n s t a n t ( k = k e 2 k t ) 。o ，o ln m a m p ( 4 ) e l e c t r i cr e s i s t a n c e ( r ) 2 1o h m ( 5 ) e l e c t r i ci n d u c t a n c e ( l ) 。0 5h ( 6 ) i n p u t ( v ) ：s o u r c ev o l t a g e ( 7 ) o u t p u t ( t h e t a ) ：p o s i t i o no fs h a f t ( 8 ) t h er o t o ra n ds h a f ta r ea s s u m e d t ob er i g i d t h em o t o rt o r q u et i sr e l a t e dt ot h ea r m a t u r ec u r r e n ti ，b y ac o n s t a “t f a c t o rk t t h eb a c ke m fi sr e l a t e dt ot h er o t a t i o n a lv e l o c i t yb yt h ef o l l o w i n g e q u a t i o n s ： t = 幻l ，e = e ，矽= k e x o i np iu n i t s ( w h i c hw ew i l lu s e ) ，k t ( a r m a t u r ec o n s t a n t ) i se q u a lt o k e ( m o t o rc o n s t a n t ) f r o mt h ef i g u r ea b o v ew ec a nw r i t et h ef o l l o w i n ge q u a t i o n sb a s e d o n n e w t o n sl a wc o m b i n e dw i t hk i r c h h o f f 、sl a w ： j 百+ b 扫= k i 堕+ r i ：y 一女台 讲 2 3 1t r a n s f e rf u n c t i o n u s i n gl a p l a c et r a n s f o r m s ；t h ea b o v em o d e l i n ge q u a t i o n sc a nb ee x p r e s s e d i nt e r m so fs s ( j s + b ) o ( s ) = k i ( s ) ( l 5 + r ) ，( s ) = v 一 s o ( s ) b ye l i m i n a t i n gf ( s ) w ec a ng e tt h ef o l l o w i n go p e n 。l o o pt r a n s f e rf u n c t i o n w h e r et h er o t a t i o n a ls p e e di st h eo u t p u ta n dt h ev o l t a g ei s t h ei n p u t 臼 = y ( j xs + b ) x ( l x n + 只1 + 七2 2 3 2d