基于模糊控制的双闭环直流调速系统控制器设计研究

1、2006年第5期文章编号:1006 2475(2006)05 0088 03计算机与现代化JISUANJI YU XIANDAIHUA总第129期基于模糊控制的双闭环直流调速系统控制器设计研究曾令美1,关军明2(1.武汉化工学院计算机科学与工程学院,湖北武汉 430073;2.武汉理工大学自动化学院,湖北武汉 430070)摘要:介绍了基于模糊控制的双闭环直流调速系统控制器的设计方案,并比较分析了传统PI与模糊控制的实例,提供了对传统直流双闭环调速系统的一种改进方案。关键词:模糊控制;双闭环直流调速系统;改造中图分类号:TP273 文献标识码:AResearchonDesigningDualC

2、losedLoopControllerofDCMotorBasedonFuzzyLogicalControlTheoryZENGLing mei1,GUANJun ming2(1.SchoolofComputerScienceandEngineering,WuhanInstituteofChemicalTechnology,Wuhan 430073,China;2.CollegeofAutomationEngineering,WuhanUniversityofTechnology,Wuhan 430070,China)Abstract:Thispaperintroducesadesigntot

3、hedualclosedloopcontrollerofDCmotorbasedonfuzzylogicalcontroltheory,comparesandanalysestraditionalPIcontrollerandFLCcontrollerthroughanexamples,providesaamelioratingschemetothetraditionalclosedloopcontrollerofDCmotor.Keywords:Fuzzylogicalcontrol;dualclosedloopcontrollerofDCmotor;amelioration0 引 言直流电

4、动机具有良好的起、制动性能,在电力拖动自动控制系统,如轧钢机及其辅助机械、矿井卷扬机等领域中得到了广泛应用。在工业现场的实际直流调速系统中,应用最为广泛、技术较为成熟的是采用转速、电流双闭环的直流调速系统。调速系统的内环是电流环,用以保证启动过程中只有电流反馈起作用保证最大允许恒定电流,使电力拖动系统尽可能以最大的加速度启动达到稳定转速后使电流转矩同负载转矩平衡,稳定转速,达到 时间最优控制 ,到达稳定转速后通过外环转速环控制使得转速恒定。传统的直流电动机双闭环调速系统多采用结构简单、性能稳定的带限幅的PI调节控制器,在实际生产现场,由于各种因素,如控制系统的传递函数与实际有偏差,又电机本身的

5、参数和拖动负载的参数(如转动惯量)并不如模型那样一成不变,在某些应用场合会随工况而变化;同时,电机本身是一个非线性的被控对象,许多拖动负载含有弹性或间隙等非线性因素。因此被控制对象的参数变化与非线性特性,使得PI控制器的参数往往难以达到最优状态,而且参数的一成不变难以跟随现场的动态变化。由于模糊控制不需要精确的数学模型,能够根据日常生产中的经验规则动态地输出,对于我们解决直流电动机双闭环调速系统的控制策略有重要的借鉴意义。利用模糊控制的动态调节作用,对传统的双闭环直流电机调速系统进行改造,是本文的主要内容。1 模糊控制的基本原理模糊控制是一种典型的智能控制方法,广泛地应用于自然科学和社会科学的

6、许多领域,其最大的特点是将专家的经验和知识表示为语言控制规则,并用这收稿日期:2005 06 28作者简介:曾令美(1965 ),女,湖北天门人,武汉化工学院计算机科学与工程学院实验中心主任,工程师,学士,研究方向:计算机应用与开发;关军明(1971 ),男,湖北丹江口人,武汉理工大学自动化学院工程师,硕士,研究方向:自动控制。2006年第5期曾令美等:基于模糊控制的双闭环直流调速系统控制器设计研究89些控制规则去控制系统,这样它可以不依赖于被控制对象的精确数学模型,能够克服非线性因素的影响,对被控制对象的参数具有较强的鲁棒性。建立模糊控制器的主要步骤有以下几步:首先明确对象的变量(输入变量、

7、输出变量、状态变量),根据变量的论域或生产区间划分为许多模糊子集,并给每个模糊子集分配一个语言符号,然后分配决定每个模糊子集的隶属度函数,这是变量的模糊化;然后根据日常生产中的经验或专家系统给出如下所示的关系规则库:Ifx=?andy=?thenz=?(x、y为输入变量,z为输出变量)根据以上规则汇总可以推导出模糊输出;最后对输出去模糊化得到确定的输出。模糊控制器的框图如图1所示。设置双闭环控制的一个重要目的就是要获得接近于理想的起动过程,因此,在分析其动态性能时,有必要首先探讨起动过程。图3给出了双闭环调速系统在突加给定电压UN时的动态结构图,由图可以看出,在起动过程中转速调节器ASR经历了

8、不饱和、饱和、退饱和3个阶段,整个启动的过渡过程可分为三个阶段,在图中分别标以!、#,其中第一阶段是电流上升阶段,由于转速调节器的输入偏差电压U数值较大,使其输出很快达到限幅值,尽管转速反馈信号不断上升,但这样ASR的输出一直处于限幅状态,这实际上相当于速度环处于开环状态,ASR的输出即ACR的输入一直处于最大值,这样将使ACR的输出产生一跃变,使得可控硅晶闸管整流装置输出电压突增到一定值,因而强迫电流迅速上升,最终以电流不再迅猛增长标志该阶段的结束。第二阶段是恒流升速阶段,是起动过程的主要阶段,从电流上升到最大值开始,直到转速上升到给定值为止。在此阶段中,由于ASR的输入偏差始终为正,使得其

9、输出是饱和的,转速环相当于开环,系统只有电流环单闭环工作,表现为恒值电流给定条件下的电流调节系统,ACR的作用使得电枢电流基本保持恒定,而转速和电动势则按线性规律增长。第三阶段是转速调节阶段,在此阶段从转速上升到给定值开始,到最后阶段ASR与ACR都不饱和,ASR起主导作用,而ACR则为一个电流随动系统,尽量地跟随ASR的输出量。由上面的分析可以看出,模糊逻辑控制器设计的基本要点为:模糊策略和模糊运算器的解释或模糊化;知识库;规则库;决策逻辑;非模糊策略和非模糊化运算器的解释。本文对模糊控制器的设计主要集中在以上几个方面。2 直流双闭环调速系统的控制模型图2给出了转速、电流双闭环调速系统的控制

10、模型。为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用,系统设定了两个PI调节器,分别调节转速和电流,其中转速调节器ASR的输出作为电流调节器ACR的输入,下面对该调速系统的动态响应作一个初步的分析,通过对动态特性的分析,找出控制器设计的要点及最优控制策略。图3 输出转速图及输出电流图由上面的分析可以看出,设计的控制器必须能够解决转速调节器ASR的饱和非线性控制问题,当ASR饱和时,转速环开环,系统为电流单闭环系统;而ASR不饱和时,系统为无静差系统,设计时应采用分段线性化的方法。控制器必须使起动第二阶段尽量达到 时间最优控制 或 最短时间控制 ,保持电流为允许的最大值,充分发挥电动机的过载能力,使起动

11、上述系统中:Tl=L/R为电枢回路的电磁时间常数,Tm=GD2R/375/Ce/Cm为电力拖动系统的机电时过程尽可能快;控制器应抑制转速较大的超调,但必须具有超调使得ASR退出饱和。由于模糊逻辑控制,90计 算 机 与 现 代 化2006年第5期将之应用于双闭环直流调速系统是切实可行的。e、输入偏差变化率de以及输出变量m,其中选取e的论域为-6,6,de的论域取为(-400,400),m的论域取为(-50,50),在本例中采用等腰三角形隶属度函数模型如图6所示。模糊控制规则如表1所示。图1 模糊控制规则表输出NBNBNMNSeZOPSPMPBNBNBNMNMNSZOPSNMNBNBNMNSZ

12、OPSPMNSNBNMNSNSZOPSPMdeZONBNMNSZOPSPMPBPSNBNSZOPSPSPMPBPMNBNSZOPSPMPMPBPBNBNSPSPMPMPBPB3 双闭环直流调速系统实例分析及模糊控制仿真下面通过对一个双闭环直流调速系统实例作传统的PI控制及与模糊控制的响应进行比较,建立模型。我们利用MATLAB软件的SIMULINK工具箱对其进行仿真。实例中直流电动机采用晶闸管三相桥式全控整流电路供电,直流电机数据为:220V,136A,1460r/min,电枢电阻为0.2 ,允许过载系数为1.5。晶闸管装置:放大系数Ks=40;电枢回路总电阻:R=0.5 ;电枢回路总电感:L

13、=15Mh;电动机轴上的总飞轮力矩:GD=22.5N*m;电流反馈系数:B=0.05V/A;转速反馈系数:a=0.007V*min/r。由上面的给定值可以计算出Tl=0.03s,电力拖动系统的机电时间常数Tm=0.18s,Ce=0.132V*min/r。根据工程经验,设计转速调节PI控制器为WASR(s)=8.75(0.0867s+1)/0.0867/s设计电流调节PI控制器为WACR(s)=1.022(0.03s+1)/0.03/s我们运用MATLAB仿真工具SIMULINK进行仿真,得到的仿真波形如图4和图5所示。22根据上述模型所得到的仿真曲线如图7和图8所示。图7 模糊控制转速曲线 图8 模糊控制电流曲线通过上面的仿真曲线可以看出,采用模糊控制器控制的仿真曲线在上升过程中的超调较小,动态响应较快,可以证明采用模糊控制器的直流双闭环调速系统具有较好的动态性能。4 结束语模糊控制是一门新兴的智能控制技术,现在在日常生活及工业生产中都可以看到它的影子,将之运用图4 PI控制转速图 图5 PI控制电流曲线于传统的控制模型并加以改造,可以使传统控制焕发出新的生命力。参考文献:1 美TimothyJRoss.模糊逻辑及其工程应用M.钱同惠,沈其聪,等译.北京:电子工业出版社,2001.2 尔桂花,窦曰轩.运动