【《双闭环调速系统的模糊PID控制器设计案例》4500字】

双闭环调速系统的模糊PID控制器设计案例目录TOC\o"1-3"\h\u28801双闭环调速系统的模糊PID控制器设计案例 1106041.1传统PID控制器的原理和设计 129551.1.1传统PID控制器的控制原理 16361.1.2传统PID控制器的设计 2148281.2模糊PID控制器的原理和设计 587731.2.1模糊控制的基本理论 5212301.2.2模糊PID控制的特点及结构 67131.3双闭环调速系统的模糊PID控制器的设计 71.1传统PID控制器的原理和设计1.1.1传统PID控制器的控制原理传统PID控制器通过它的线性关系，进而利用其来改变偏差量的比例、积分和微分，以便控制对象。控制时，要得到系统需要的特性，就要改变三个参数的值，分别是、、。传统PID控制系统原理图如图12所示。图12传统PID控制系统原理图设计传统PID控制器时，即ASR和ACR，则有（1）先要确定时间常数。（2）其次根据性能要求选择电流调节器结构。（3）而后选择电流调节器参数。PID控制器各校正环节的作用如下：比例环节：这个环节的作用就是成比例地将偏差信号表现出来，当系统工作时，产生信号偏差，PID控制器立即产生相应的控制效果以减少偏差。积分环节：积分环节在系统的避免静态误差中起着重要的作用，其强度由积分时间常数决定。积分时间常数越大，积分效果越弱，反之亦然。微分环节：微分环节主要是体现出反馈系统收到的偏差信号的变化速率，并且它具备预防作用，即会在偏差信号变得很大之前，此环节会发生作用将其改善，以至于减小调节时间。在PID控制算法中，有比例，积分和微分控制功能。当系统出现错误时，比例环节会适时响应，并且PID控制对象会向错误减小的控制方向上改变。不利的是，对于具有自平衡能力的受控对象，存在一定静态错误，只能用加大比例环节来解决。同时，系统超调也会增加，也会破坏系统的动态性能。积分控制可以存储误差并执行积分操作，有利于消除系统的静差。但是，积分作用具有滞后的特征。如果积分作用过强，则会导致控制对象的动态性能劣化和系统的不稳定性。通过增加微分操作，可以加速系统的响应并减少超调量，但也会降低系统的干扰防止能力。综述，传统PID的控制规律为（1.1）1.1.2传统PID控制器的设计本设计所采用电动机参数如表1所示。表1电动机参数名称参数名称参数1500.0021000107000.00950.050.010.080.02520.81250.01100.1810其中，对控制系统的工艺要求为：稳态时，系统无静差；转速超调量；启动时，系统响应迅速。（1）电流调节器的设计电流环主要体现限制电流的能力，把电流环校正成为典Ⅰ型系统，采用PI调节器，传递函数为（1.2）1）确定时间常数晶闸管整流装置滞后时间常数为（1.3）电流滤波的时间常数：。电流环时间常数，按最小时间常数来进行近似处理，取。2）算出电流调节器的参数电流调节器的超前时间常数：。电流开环增益：1/S。电流调节器的比例系数取（1.4）把上式结果代入，就可以得到电流环的传递函数（1.5）3）参数校验晶闸管的传递函数近条件为（1.6）可见，其满足条件。忽略电动机反电动势影响的近似条件为（1.7）可见，其满足条件。高频段微时常数惯性环节近似条件为（1.8）可见，其满足条件。（2）转速调节器的设计系统在运行过程中，由于转速环为主环路，当系统收到干扰，转速环会受到影响，所以其的抗扰性能很重要，而典型Ⅱ型系统的抗扰性能良好，因此转速环采用典型Ⅱ型系统设计，采用PID调节器，求出其传递函数。1）确定时间常数电流环等效时间常数：。转速滤波时间常数：。转速环微小时间常数：。2）算出转速调节器参数当系统没有特殊要求时，h取5，转速调节器的超前时间常数为（1.9）根据上式可求出转速的开环增益为（1.10）则求出转速调节器的比例系数为（1.11）把上式结果代入，得到转速环的传递函数为（1.12）3）参数校验转速环按照两个近似条件来校验，即高阶系统降价近似条件为（1.13）可见，其满足条件。高频段时间常数惯性环节近似条件为（1.14）可见，其满足要求。1.2模糊PID控制器的原理和设计1.2.1模糊控制的基本理论在转速电流双闭环调速系统中，模糊控制的主要作用是处理系统的传递函数出现误差、自身负载等参数引起的非线性动态变化情况，模糊控制在近几年发展迅速，与传统控制相比，有如下优点：（1）可以不用知道被控对象的数学模型；（2）可以反映人类智慧思维的智能控制；（3）易被人们所接受；（4）构造容易；（5）鲁棒性好。模糊控制的理论基础。整个实现过程为：从工作的地方获取准确的控制量，这些控制量当作系统运行后的反馈量，把其与给定量相比，通过A/D转换这项环节后，就可以获得模糊的输入信号，然后转换为数字信号。此时的数字信号附带模糊属性，可作为模糊控制器的输入信号输入到模糊控制中。在模糊控制器里，输入的数字模糊信号，经过模糊控制器里的各项工序以及特定的模糊规则，模糊控制基本原理图如图13所示，经过去模糊处理，D/A转换，这样就可以通过获得现场控制信号来调节现场机器的操作。图13模糊控制基本原理图1.2.2模糊PID控制的特点及结构模糊PID控制是利用计算机技术来实现模拟人的思维，对复杂的控制系统进行合理控制。结合PID控制和模糊控制可以知道：（1）目前，大多数的被控对象，都能被模糊控制、PID控制所适应；（2）在不知道精确的被控对象时，模糊控制方法比PID控制更有优势；（3）PID稳态控制性能好，但是动态特性不良好；而模糊控制恰好相反，其动态特性好，稳态特性差；（4）PID控制不具有自适应控制能力，对于非线性系统，其达不到理想的控制效果；而模糊控制鲁棒性较好，面对大范围的参数变化，都能适应。模糊PID控制器大致分为以下三类：（1）增益调整型模糊PID控制器；（2）直接控制量型模糊PID控制器；（3）混合型模糊PID控制器。混合型PID控制器出现后，一些学者提出了应用磨合控制进行初始的快速响应调整，之后应用传统的PID控制器进行细节的调整，将两者进行结合，既有动态响应的快速，超调量极小以及极好的鲁棒性，稳态精度能达到更高。目前，二维模糊控制器已被广泛使用，本文采用混合型模糊PID控制器，即二维模糊控制器结构如图14所示。图14二维模糊控制器结构图1.3双闭环调速系统的模糊PID控制器的设计在设计模糊控制器时，基于模糊控制的基础知识，一维模糊控制器通常知道对受控对象没有高要求，并且其动态性能非常一般。因此，我们决定将双闭环系统的传统控制器与模糊控制器组合。速度环路是确定控制系统性能的主要因素。电流环路主要用于改变电机的运行特性。转速环路采用二维模糊控制器。以确保系统具有常规PID控制器的能力，以应对系统稳定工作时出现的静差，同时系统又具备动态非线性变化的模糊控制能力。双闭环调速系统模糊PID控制原理图如图15所示。图15双闭环调速系统模糊PID控制原理图电流环保留传统PID控制方式，而转速环采用模糊控制理论来设计模糊控制器。调速系统的模糊控制器的设计分为以下几步：（1）模糊化及隶属度函数的选取根据模糊控制理论可知，把模糊控制器设计为一个双输入三输出的结构，模糊控制器结构原理图如图16所示。图16模糊控制器结构原理图模糊化的方法为，假设误差e的论域为[-He，He]，误差变化量ec的论域为[-Hec，Hec]，输出变量的论域为[-Pe，Pe]，然后将这些论域分为n类，得到模糊子集论域即[-n，-n+1，…，0，…，n-1，n]常用的模糊化方法是将普通论域（b，c）转换成模糊论域（-n，n）的公式为（1.15）通常选择模糊论域中所含元素为模糊词集总数的两倍以上。隶属度是指，一个确定的变量在模糊语言变量中的归属度。其确定的方法包括模糊统计法等。输入输出变量采用负大（NB）、负中（NM）、负小（NS）、零（ZO）、正小（PS）、正中（PM）、正大（PB）7个模糊控制状态，描述偏差e。其中e的范围为[-3，3]，ec的取值范围为[-3，3]。e离散后所对应的论域为：E∗同理采用相同的方法描述转速偏差变化量de和控制量U，其中，输入输出变量都采用三角形隶属度函数，转速偏差e的隶属函数表如表2所示。表2转速偏差e的隶属度函数表隶属度模糊集合-6-5-4-3-2-10123456NB10.70.30000000000NM0.30.710.70.300000000NS000.30.710.70.3000000ZO00000.30.710.70.30000PS0000000.30.710.70.300PM000000000.30.710.70.3PB00000000000.30.71（2）确定模糊控制规则目前，制定模糊规则的方法有专家经验法、观察法等。本文采用专家经验法，基于PID控制的控制算法，对输出输出量进行模糊理论控制。PID控制器的控制算法为（1.16）式中，为积分系数，为微分系数，为比例系数，ec(t)为偏差变化率，e(t)为偏差。模糊控制器建立的基础就是，使这些系数与偏差变化率、偏差之间产生联系。根据专家经验法，他们之间的关系应满足：1）如果e较大，则系统的响应可以被加速，并且由于取到积分过大和较小的，从而防止由于e的瞬时增加而导致的微分溢出，因此，必须限制积分效果，取比通常小的值。2）如果e是个中间值，则要降低系统的超调量并适当降低以确保一定的响应速度。同时，应该对和的适度取值。3）如果e小，由于要解决此时稳态误差的问题，和取大，避免给定值附近的输出响应，发生振荡，在考虑系统的抗干扰性能的情况下，通常，取中间值。e由以上规则，经过推理可得到表3的模糊控制规则表；表4的模糊控制规则表；表5的模糊控制规则表。表3的模糊控制规则表eceNBNMNSZOPSPMPBNBNMNSZOPSPMPBZONMPBPBPMPSPSZONSNSPMPMPMPSZONSNSZOPMPMPSZONSNMNMPSPSPSZONSNSNMNMPMPSZONSNMNMNMNB表4的模糊控制规则表eceNBNMNSZOPSPMPBNBNBNBNMNMNSZOZONMNBNBNMNSNSZOZONSNBNMNSNSZOPSPSZONMNMNSZOPSPMPBPSNMNSZOPSPSPMPBPMZOZOPSPSPMPBPBPBZOZOPSPMPMPBPB表5的模糊控制规则表eceNBNMNSZOPSPMPBNBPSNSNBNBNBNMPSNMPSNSNBNMNMNSZONSZONSNMNMNSNSZOZOZONSNSNSNSNSZOPSZOZOZOZOZOZOZOPMPBPSPSPSPSPSPBPBPBPMPMPMPSPSPB综述，其输出U的模糊控制规则如表6所示。表6输出U的模糊控制规则表ecUeNBNMNSZOPSPMPBNBNBNBNBNMNMNSZONMNBNBNBNMNSZOPSNSNBNMNMNSZOPSPMZONBNSNSZOPSPMPBPSNMNSZOPSPMPBPBPMNMNSZOPSPMPBPBPBPSZOPSPMPBPNPB（3）模糊推理决策模糊决策是模糊控制的核心，其实质是模糊逻辑推理。要进行模糊推理决策，需有以下几个要素：1）模糊命题其值在闭区间[0，1]中取，类似于隶属度函数值，它的形式一般为：A：e（模糊变量）isF（模糊集合）。2）模糊语句模糊陈述句主要针对于具有清晰概念的一般陈述句而言。模糊判断句的形式为：x是a。模糊推理句的形式为：“IFaTHENb”。3）模糊推理其最常见的有：Mamdani推理法、CRI法等，其中Mamdani法常见的形式有以下三种：“ifAthenB”的推理；“ifAthenelseC”的推理；“ifAandBthenC”的推理。本文采用“ifAandBthenC”的推理方式，根据工作系统中某一个时间的模糊输入量，推理判断后得出输出量。若在t时刻e的论域上对应的单点模糊控制矢量为，ec在论域上的单点模糊控制矢量为，那么根据下式(1.17)推理出来的是输出量在论域上的模糊矢量。根据式(1.17)就可以来算基于系统不同的输入量下，所对应的模糊向量，对于表5第1