FUZZY—PI控制器在双闭环串级调速系统中的应用.doc

FUZZYPI控制器在双闭环串级调速系统中的应用第18卷第3期2003年9月安徽工程科技学院JxtrnalofAnhuiUniversityofTechnologyand,ScienceV01.18.No.3Sep.,2003文章编号:16722477200303001005FUZZYPI控制器在双闭环串级调速系统中的应用郎朗,孙四海2,陈跃东(1.安徽工程科技学院电气工程系,安徽芜湖241000;2.淮南职业技术学院,安徽淮南232001)摘要:针对传统的双闭环调速系统存在的问题,利用模糊控制和常规PI控制的优点,设计出一种参数自调整FU2ZYPI调节器.作为双闭环串级调速系统的速度调节和电流调节器.阐述了FUZZYPI控制器的控制策略和实现方法.通过实验证明该系统对系统的非线性,参数变化及负载扰动提供了快速的鲁棒控制,并解决了稳态精度问题,实现了无静差调速.关键词:串级调速系统;兀TPI控制;在线自调整中图分类号:,I1P271文献标识码:A1问题的提出绕线式转子异步电动机双闭环串级调速系统如图1所示,其中晶闸管触发整流环节和反馈环节的传递函数与直流调速系统一样,忽略一些非线性因素.转子直流回路的传递函数:GI=,式中:K=,转子直流回路的时间常数(s);K1,转子直流回路的放大系数;TLf和Kh都是转速的函数,它们是非定常的.根据串级调速系统的实际稳态工作点,以第一工作区为分析依据,异步电动机在串级调速时给定的传递函数为:G2():KM,式中:KM=,是拖动系统的机电时间375CM图1双闭环控制的串级调速系统常数;CM是直流电流L的函数,而Id与交流电机所带负载有关,所以KM也不是常数.通常速度调节器和电流调节器都采用PI调节器,其参数按照工程设计法进行整定,其传递函数为:ASR(S)=,收稿日期:20030417基金项目:安徽省教育厅自然科学基金重点资助项目(98j1034zd)作者篱介:郎朗(1956一),女,安徽人,高级实验师,硕士.第3期郎朗,等:FUZZY-PI控制器在双闭环串级调速系统中的应用.儿.ACR(s):.这种方法虽然简单,但由于它是以古典控制理论为工具,只适用于线性,定常,低阶系统中,而异步电动机的模型恰恰具有非线性,时变,高阶等特点,因而难以保证系统在一个较大的工作范围内均具有优良的动,静态特性.近年来,人们积极尝试把模糊控制作为强有力的优化手段应用在调速系统中.这主要是因为模糊控制的强鲁棒性能较好,能克服传动系统中的不确定因素系统中的非线性,参数变化及负载扰动等.但同时也出现了一些新的问题,主要表现在系统的稳态精度较低,这也是模糊控制的一个较大的弱点,影响了其在传动系统中的使用.2FIPI控制系统的控制策略及算法设计针对以上情况,我们在模糊控制器的基础上设计出一种参数自调整的FUZZY-PI调节器作为双闭环串级调速系统的速度调节器和电流调节器,它综合了模糊控制和PI控制的各自优点,利用模糊控制的原理,从调速系统的实际运行中获得调节器的优化参数并能实现在线调整.对系统的非线性,参数变化及负载扰动等提供了快速的鲁棒控制,并解决了稳态精度问题,实现了无静差调速.FUZZY-PI参数自整定控制器的结构图如图2所示.实现思想是先找出PI两个参数KP,K和偏差e和偏差变化率ec之间的模糊关系,在系统运行中不断检测e和ec,再根据模糊控制原理来对两个参数在线修正,以满足不同e和ec时对控制器参数的不同要求,使被控对象有良好的动,静态性能,而且计算量小,易于单片机实现.2.1基于模糊控制的系统模型图2RyPI控制器结构图y图3所示为具有FUZZY-PI控制的串级调速系统的模型.采用FIJzPI速度调节器和电流调节器的控制策略是在工程设计法的基础上,以误差e和误差变化率ec作为FUZZY-PI控制器的输入,在系统运行中不断检测e和ec,一方面,利用模糊控制的原理对K和K.进行在线修正,以满足不同e和ec时对PI控制器的参数进行自动调整,使系统在较宽的工作范围内均具有优良的动态性能(起动特性和抗干扰性能),另一方面利用PI控制中的积分作用实现系统的无静差控制.,I!I,L,<elll负载扰动一卜一广一一I生dtlec,尉l1%rI图3R一PI控制的串级调速系统模型2.2F1z,r_-PI控制器的算法设计模糊控制推理的基础就是知识库,包括输入和输出变量的隶属函数和控制规则.为了简化模糊运算,采用离线推理方式,即预先根据控制系统的结构和算法计算出一张控制表,实时控制时,复杂的推理运算简化为查表运算,提高了系统的响应速度.FUZZY-PI控制器构成的速度调节器和电流调节器均为双输入和单输出的控制器.速度调节器的输?l2?安徽工程科技学院2003红人为速度给定信号与速度反馈信号的偏差和偏差变化率,输出作为电流给定信号.电流调节器的输人为速度调节器输出与电流反馈信号的偏差和偏差变化率,输出作为晶闸管逆变器的触发控制信号.经过模糊化处理的信号变为模糊量,根据模糊知识库(控制规则和隶属函数)进行模糊推理,然后经过模糊判决得到精确的控制参数K却,Kh和K,K.速度调节器和电流调节器的算法相似,下面仅介绍速度调节器的算法设计.2.2.1模糊化模糊化就是要把输人变量的精确值离散化,变为设定的整数论域中的元素.考虑到电机转速偏差范围大的特点,我们将偏差和偏差变化率的论域界定为13个等级(+6,+5,+4,+3,+2,+1,0,一1,一2,一3,一4,一5,一6),语言值为(NB,NM,NS,ZE,PS,PM,PB).控制量K和Kf的论域界定为7个等级(0,1,2,3,4,5,6),语言值为(zE,PS,PM,PB).模糊子集的隶属度函数选用三角形.图4所示为输人e,的隶属函数分布.2.2.2模糊控制表的生成模糊控制器的控制规则一般是基于专家或操作者的经验提出的.但光凭这点还不够,本系统根据PI参数K的比例作用,K,的积分作用对系统阶跃响应的稳定性,响应速度,超调量和精度等各方面的影响,归纳出在不同的e和时调速系统对参数K,K,的自整定要求,再据隶属度函数设计出模糊控制规则,根据模糊控制规则采用离线推理方式,用minmax重心IUNBNMNSZEPSPMPB圈4输入变量隶一函数分布法(反模糊化),推理出实际应用的模糊控制表1和表2.分别将表1和表2(-维矩阵)以行存放的方式逐行依次存放在单片机内存中.每个元素在矩阵中的相对位置为:13(X一1)+Y,其中X为行数,y为列数.在实时控制过程中,据对应的e和通过查找控制表得到控制增量,再乘以比例因子,得到实际控制量.衰1K模糊控制衰3.PI控制器软,硬件设计3.1硬件设计FIJzZY-一Pl调节器由$3C9428单片机和少量外围器件组成【3,其硬件配置如图5所示.S3C9428是韩国三星(SAMsIG)电子株式会社生产的8位单片机,具有8K字节的内部程序存储器和208字节的内部通用寄存器,具有片内12路10位D转换器和2路PwM输出口,非常适衰2Kf模糊控制衰一5S3(428段选位选P研vIA/D圈5FLr2ZY-H调节硬件结构号).一一55556666655554455555555544334444o444433寸l22333ooo33322一OOOOOOOOOOOO0一o.23456一一一一o.23456第3期郎朗,等:FUZZY-PI控制器在双闭环串级调速系统中的应用?l3.合于构造HJzZY_一PI调节器.为简化调节器的硬件电路和软件编程,单片机系统不设键盘.通过多圈电位器调节模拟电压作为转速给定信号,单片机内部的D转换器对转速给定信号,转速反馈信号(由测速发电机获得),电流反馈信号(由LEM电流传感器获得)进行模一数转换,经FUZZY-PI控制运算,再经单片机内的PWM输出口输出一个占空比可调的方波信号,其占空比由FUzzY_一PI调节器的输出决定,调节范围是099.6%,最后经过有源滤波网络产生一个010V的模拟电压,作为晶闸管逆变器触发电路的控制信号,调节异步电动机的转速.芯片X25045集单片机外围器件最基本的三种功能:看门狗定时器,复位控制器和EEPROM为一体.在一个8脚封装的COSM器件内,将电源监控和看门狗功能与高速,三线,非易失性存储器组合在一起.看门狗定时器对单片机提供了独立的保护系统,一旦出现故障,在已选择的时限(1.4s,600ms和2ooITlS可选,本系统选择200ms)之后系统自动复位,增强了系统的抗干扰能力;当单片机电源电压降到最小工作电压以下时,低电压检测器使系统复位,直到Vcc返回到工作电压范围内为止;516字节的串行EEPROM用来存储针对不同型号绕线式转子异步电动机的系统参数;4位LED显示异步电机的实际转速.3.2软件设计软件设计内容主要有主控程序;FUZZY-PI控制程序;显示程序;中断服务程序;数字滤波程序;抗干扰程序等.主程序流程图和FUZZY_一PI控制子程序如图6所示.在程序中使用TO定时器每1rns产生一次中断,启动D转换,完成数据采集.速度调节器和电流调节器采用不同的采样运算周期.,rl调显示子程序lYl调速度信号采集子程序ll调速度环FU2ZY-PI子程序-l电流环信号采集子程序II调电流环FU/ZYPI子程序数字滤波l计算e,ecl模糊化求E,日申a主程序流程图bFLYPI控制流程图图6FLYPI控制器软件框图4实验结果我们分别用FUzzY_一PI调节器和按工程设计法设计的常规PI调节器控制一台2KW的交流电动机,带发电机模拟负载进行了实验,图7所示为系统在额定负载情况下起动的响应曲线,图8所示为系统空载起动过程和在稳定运行时突加负载扰动(4s时刻)的响应曲线.显然无论是跟随性能还是抗扰性能,采用HJZZY_一PI控制器的系统都优于采用工程设计法设计的常规PI控制器的系统.控制系统的精度和动态性能均达到了设计指标的要求.n/(r-min)图7带额定负载时系统的起动过程图8空载时系统的起动过程和抗扰过程?l4?安徽工程科技学院2o03年5结论模糊控制技术用于交流串级调速系统是完全可行的.本系统采用的FUZZY.一PI调节器是一个参数在线自调整的调节器,它综合了模糊控制和PI控制各自的优点,对模型的不精确,时变等有很强的鲁棒控制,并能消除系统的静差提高稳态精度,其控制效果优于常规PI调节器和单一的模糊控制.调整控制规则可使系统控制性能进一步优化.该方案具有一定的工程使用价值.参考文献:1陈伯时.电力拖动自动控制系统M.北京:机械工业出版社,1997.2余永权,曾碧.单片机模糊逻辑控制M.北京:航空航天大学出版社,1995.3张元莉,邓彬.微控制器原理及应用M.成都:电子科技大学出版社,1998.ApplicationofFuzzyPIcontrollerindualloopserialspeedvaringsystemLANGLang.,SUNSihai2,CHENYue-dong(1.Dept.ofElec.Engn.,AnhuiUniversityofTechnolcyandScience,Wuhu241000,China;2.HuainanProfessionalTechnologyCollege,Huainan232001,China)Abstract:BysynthesizingthemeritsofFuzzycontrolandusualPIcontrol,fldualcoopserialspodvaringsyste