大惯量变转速泵控马达调速系统模糊控制

1、机床与液压20041No11077大惯量变转速泵控马达调速系统模糊控制彭天好1,徐兵2,杨华勇2(11安徽理工大学机械系,安徽淮南232001;21浙江大学流体传动及控制国家重点实验室,杭州310027)摘要:对大惯量负载的变转速泵控马达调速系统进行了模糊控制及模糊PID控制的实验研究,并与常规PID控制的实验结果进行了对比,获得了有益的结论,为提高这类系统的控制特性提供了借鉴。关键词:大惯量;变转速泵控马达;调速系统;模糊控制中图分类号:TH137文献标识码:A文章编号:1001-3881(2004)10-077-2FuzzyControlofGreatInertiaVariableRota

2、tionalSpeedPump-control-motorSpeedGoverningSystemPENGTian2hao1,XUBing2,YHua2(11DepartmentofMechanicalEngineering,of,Huainan232001,China;21StateKeyandControl,China)Abstract:Fuzzycontrolandinertiavariablerotationalspeedpump-control-motorspeedgovern2ingsystemwerewerecomparedwithoneofgeneralPIDcontrol.S

3、omeusefulconclusionswereobtained,andareferenceisofferedofimprovingthiskindofsystemscontrolcharacteristics.Keywords:Greatinertia;Variablerotationalspeedpump-control-motor;Speedgoverningsystem;Fuzzycontrol0引言大惯量变转速泵控马达调速系统由于大的转动惯量和液压系统的调节死区,使得控制系统存在较大的时滞,控制系统响应慢,动、静态性能均较差。针对这一问题,本文对大惯量负载的变转速泵控马达调速系统进行

4、了模糊控制及模糊PID控制的实验研究,并与常规PID控制的实验结果作了对比。1变转速泵控马达调速实验系统变转速泵控马达调速实验系统如图1所示。电机2(55kW)转速的调节由改变变频器1的控制电压实现,而变频器的控制电压由计算机19加以控制。泵3为定量泵,当转速变化时泵输出不同的流量,从而对执行元件马达进行调速。模拟负载为液压加载,加载大小由比例溢流阀16控制。图中9为模拟负载惯量(814kgm2),10是转矩转速传感器,23是与转矩转速传感器配套的转矩转速仪。在系统中还分布有多个压力传感器,以测得不同部位的压力。11变频器21电机31主泵41滤油器51单向阀615个压力传感器71电磁换向阀或比

5、例伺服阀81图2模糊控制系统框图马达91惯性轮101转矩转速传感器111加载泵121安全阀131加载低压回路溢流阀141液动换向阀151单向阀161比例溢流阀171循环补油泵源181I/O及A/D转换器191计算机控制系统201I/O及D/A转换器211安全阀或溢流阀221电磁换向阀231转矩转速仪图1实验装置原理图2模糊控制实验研究模糊控制系统框图如图2所示,图中被控对象为变转速泵控马达调速实验系统。马达转速误差e和误差变化ec为二维模糊控制器的输入量,给变频器的控制电压u为模糊控制器的输出量。图中KX、KY、KZ为量化因子,E、EC、U为模糊变量。为了提高模糊控制器的执行速度,预先离线计算

6、出模糊控制查询表(FC查询表),实际运行时只要根据误差e和误基金项目:安徽省教育厅自然科学基金项目(NO:2004KJ129)78差变化ec进行查表就可以。211模糊控制器的设计定义模糊变量E、EC、U的模糊子集:“负大”(NB),“负中”(NS),“负小”(NM),“零”(ZE),“正小”(PS),“正中”(PM),“正大”(PB),各模糊子集取三角形隶属度函数;模糊变量E、EC的离散论域为E=EC=-6,-5,-4,-3,-2,-1,0,1,2,3,4,5,6,模糊变量U的离散论域为U=-7,-6,-5,-4,-3,-2,-1,0,1,2,3,4,5,6,7。设误差e的论域为e=-x,x,

7、误差变化ec的论域为ec=-y,y,控制量u的论域为u=-z,z,由此可初步确定各量化因子KX=6/x,KY=6/y,KZ=z/7。总结手动控制规则并结机床与液压20041No110PID控制时的阶跃响应曲线。可以看出,基本模糊控,1则,经过Mamdani1,最终便可确定FC制阶跃响应曲线无超调,但不能完全消除稳态误差,常规PID控制有一定的超调,要经过一定的振荡才能趋于稳定,常规PID控制可以完全消除稳态误差。图中还表明,启动时响应曲线均有较大的时滞,主要原因是泵的排量(40mL/r)较小,液压系统存在一定的内泄漏,致使开始几秒钟内液压系统未能建立起足够大的压力推动马达旋转。但和常规PID控

8、制时比较,基本模糊控制启动时响应曲线的时滞要小,这也说明了基本模糊控制具有更快的响应特性。图5和图6PID控制时的,基本模糊控制器输出的PID控制器输出的控制信,而且基本模糊控制器初始就可,而PID控制器初始只能从0开始而后缓慢地变化,这就是为什么模糊控制器比常规PID控制器具有更快的响应特性的原因。3模糊PID控制实验研究基本模糊控制器是一个二维模糊控制器,它是以误差E和误差变化EC为输入语言变量,因此它具有类似于常规PID控制器的作用,能获得良好的动态特性,但难以消除稳态误差。对于常规PID控制器而言,积分控制作用能消除稳态误差,但动态响应慢,比例控制作用动态响应快,而比例积分控制作用既能

9、获得较高的稳态精度,又具有较高的动态响应。因此,把PID控制与基本模糊控制相结合,构成模糊PID复合控制,是改善模糊控制器稳态性能的一种途径2。311模糊PID复合控制器图7是模糊PID复合控制器的结构框图,它由一个常规PID控制器和一个基本二维模糊控制器并联而成。复合控制器的输出由常规PID控制器输出u2和基本模糊控制器输出u1相叠加,即u=u1+u2,可使系统成为无差模糊控制系统。PID控制器的作用主要在于消除稳态误差,改善稳态性能;而基本模糊控制器的作用主要在于提高响应的快速性,获得优良的动态特性及强的鲁棒性。图7模糊PID复合控制框图212实验结果实验时给定马达转速400r/min。图

10、3是基本模糊控制阶跃响应曲线,作为对比,图4给出了常规312实验结果图8是模糊PID控制阶跃响应曲线。将图8和图3(基本模糊控制阶跃响应曲线)比较可以看出,前(下转第201页)机床与液压20041No110201本实验系统提供了学生采用计算机进行检测的场合,学生可针对检测的任务选择检测元件以连接,并可模拟或实际输入检测数据,以获得检测结果。2总结节流调速实验和基本回路实验的模拟均属于程序性模拟,是按照真实实验的步骤和每个步骤的动作顺序进行模拟的。模拟实验是利用计算机多媒体技术模拟真实的实验环境,在交互控制下将实验的每个过程进行表现和展示来完成。好的计算机模拟实验软件要做到以下三点:(1);(2

11、),主要反映在使用;3)计算机辅助教学的,力争使视、动画、声音、图片、图形和文本多种媒体相辅相成,生动形象地表现教学内容,调动学生学习积极性。随着计算机技术、通讯技术、多媒体技术以及人工智能技术的不断发展,计算机辅助教学正朝着网络化和智能化的方向发展。最后使液压缸运动起来并进行测量。这一部分的重点在于油路的连接和后面的调试部分,油路的连接可采用VB的鼠标定位,然后自动绘出管路。511213,采用计算机检测已成为实验教学的一个重要手段,它提高了检测精度、检测效率,同时完成了过去仪表检测所不能完成的任务,如溢流阀启闭特性的检测等。计算机检测分析系统包括数据采集、数模转换、数据处理、结果输出等几部分

12、,系统框图如图6示。参考文献【1】章宏甲等1液压传动M1北京:机械工业出版社,19921【2】关浩等1基于虚拟仪器技术的液压传动CAT系统J1组合机床与自动化加工技术,2001(12)1【3】骆艳洁等1液压传动多媒体辅助实验探讨J1液压与气动,2002(8)1【4】梁曼1“液压传动”课程实验CAI的研制J1机床与液压,2002(3)1图6系统结构框图(上接第78页)者能消除稳态误差,控制系统的静态性能得到改善;在动态性能方面,两者都可以实现无超调,启动时模糊PID复合控制响应曲线的时滞要大于基本模糊控制时响应曲线的时滞,这是因为采用模糊PID复合控制以后模糊控制的作用图8模糊PID控制有所削弱

13、导致初始输出的阶跃响应曲线控制量不如仅采用基本模糊控制时的大。将图8和图4(常规PID控制阶跃响应曲线)相比较知,在静态性能方面,两者都无稳态误差;但在动态性能方面,采用模糊PID复合控制器的马达转速阶跃响应曲线无超调,而采用常规PID控制时有一定的超调,动态响应的调节时间要长,启动时响应曲线的时滞也要大于模糊PID复合控制时响应曲线的时滞。4结束语本文对大惯量负载的变转速泵控马达调速系统进行了模糊控制及模糊PID控制的实验研究,并与常规PID控制的实验结果进行了对比。对比实验表明:基本模糊控制与常规PID控制相比,响应快、动态特性好,但难以消除稳态误差;模糊PID复合控制兼有基本模糊控制响应快、动态特性好和PID控制能消除稳态误差的双重优点,比常规PID控