毕业设计论文基于模糊控制的双闭环直流调速系统设计

《毕业设计论文基于模糊控制的双闭环直流调速系统设计》由会员分享，可在线阅读，更多相关《毕业设计论文基于模糊控制的双闭环直流调速系统设计（47页珍藏版）》请在装配图网上搜索。

1、毕 业 设 计（论 文）基于模糊控制的双闭环直流调速系统设计姓姓 名名_学学 号号_学院（系）学院（系）_ _（电子信息工程系）（电子信息工程系）专专 业业 _电气工程及其自动化电气工程及其自动化_指导教师指导教师_2010 年 6 月 10 日太原科技大学毕业设计（论文）任务书学院（直属系）电子信息工程系 时间： 2009 年 12 月 20 日学 生 姓 名指 导 教 师设计（论文）题目基于模糊控制的直流双闭环调速系统设计主要研究内容1、双闭环直流调速系统及其原理。2、建立数学模型，计算其参数。3、直流电动机的模糊PID控制器设计及应用。4、基于模糊控制的双闭环调速系统仿真。研究方法在 M

2、ATLAB 环境下采用模糊算法对双闭环直流调速系统进行研究。主要技术指标(或研究目标)通过与传统 PID 控制进行比较来发现模糊控制可以大大提高控制效果，具有抗扰性能强，系统响应速度快，动态性能好等优点。教研室意见教研室主任（专业负责人）签字： 年 月 日 目 录摘 要.IIIABSTRACT .IV第 1 章 绪 论.- 1 -1.1 直流调速系统及其发展.- 1 -1.2 模糊控制的发展状况.- 1 -1.3 仿真技术介绍.- 2 -第 2 章 模糊控制的基本理论.- 4 -2.1 模糊控制的理论基础.- 4 -2.2 模糊控制系统的组成.- 4 -2.3 模糊控制在实际中的适用性.- 5

3、 -2.4 模糊控制器的设计方法.- 5 -第 3 章 直流调速系统的原理.- 7 -3.1 方案定论.- 7 -3.1.1 方案比较 .- 7 -3.1.2 方案论证 .- 8 -3.1.3 方案选择 .- 8 -3.2 直流调速系统的原理.- 8 -3.2.1 直流调速系统的调速原理 .- 8 -3.2.2 直流调速系统的性能指标 .- 9 -3.3 电流、转速双闭环直流调速系统的理论分析.- 13 -3.3.1 双闭环调速的工作过程和原理 .- 13 -3.3.2 双闭环直流调速系统的组成及其静特性 .- 13 -3.4 双闭环直流调速系统的数学模型和动态性能分析.- 16 -3.4.1

4、 双闭环直流调速系统的数学模型的建立 .- 16 -3.4.2 起动过程分析 .- 17 -3.4.3 动态抗干扰性分析 .- 19 -3.5 电流环、转速环的 MATLAB 仿真.- 20 -第 4 章 直流电动机的模糊 PID 控制 .- 23 -4.1 直流电动机数学模型的建立.- 23 -4.2 直流电动机的 PID 控制 .- 24 -4.3 模糊自整定 PID 控制器的设计 .- 27 -4.4 模糊自整定 PID 控制器的仿真 .- 30 -4.5 模糊控制在直流双闭环调速系统中应用.- 31 -第 5 章 双闭环调速系统的仿真.- 34 -5.1 模糊控制仿真模型的建立.- 3

5、4 -5.2 仿真实验.- 36 -第 6 章 总 结.- 37 -参考文献.- 38 -致 谢.- 39 -基于模糊控制的双闭环直流调速系统设计摘 要直流双闭环调速系统的性能很好，具有调速范围广、精度高、动态性能好和易于控制等优点，所以在电气传动系统中得到了广泛的应用。直流双闭环调速系统中设置了电流检测环节、电流调节器以及转速检测环节、转速调节器，构成了电流环和转速环。另外本文还将模糊控制应用于直流双闭环调速系统中的转速调节器，设计出模糊转速控制器，并与传统的双闭环凋速系统进行比较。利用MATLAB语言对这两种直流调速系统进行了仿真分析。仿真结果表明，用模糊控制方法得到的转速调节器参数比传统

6、的工程整定方法得到的参数控制性能好，响应快，过渡过程时间短，基本无超调。关键词关键词：直流双闭环调速系统，模糊控制，SIMULINK 仿真Based Fuzzy Control of Double Loop DC Corol SystemAbstract Dc double closed loop speed regulation system performance is very good, with wide speed range, high precision, good dynamic performance and easy to control the advantages i

7、n electrical transmission system, so widely used. Dc double closed loop speed regulation system in the current link set, current regulator and rotational speed regulator, testing links, and constitutes the current loop and speed. Additionally, this article also applies fuzzy control dc double closed

8、 loop speed regulation system of speed regulator, the design of fuzzy controller and speed of traditional double closed loop speed system remains comparison. MATLAB language for both dc speed control system is simulated analysis. Simulation results show that the method of fuzzy control is obtained w

9、ith the speed regulator than traditional engineering setting method of the parameters obtained from the control performance is good, fast response time is short, the transition process, and basic without overshoot.Keywords: DC twoloop speedregulation,fuzzy control,simulation第 1 章 绪 论1.1 直流调速系统及其发展直流

10、调速是指人为的或自动的改变直流电动机的转速,以满足工作机械的要求。从机械特性上看,就是通过改变电动机的参数或外加电压等方法来改变电动机的机械特性,从而改变电动机机械特性和工作特性的交点,使电动机的稳定运转速度发生变化。直流电动机具有调速性能好，起动转矩大，易于在大范围内平滑调速等优点，其调速控制系统历来在工业控制中占有极其重要的地位。随着电力技术的发展，特别是在大功率电力电子器件问世以后，直流电动机拖动将有逐步被交流电动机拖动所取代的趋势，特别是在高精度位置伺服控制系统。在调速性能要求高或要求大转矩的场所，直流电动机仍然被广泛采用，直流调速控制系统中最典型一种调速系统就是速度、电流双闭调速系统

11、。调速系统发展趋势为：(1)高频化在功率驱动装置中，低频的半控器件（晶闸管）在中小功率范围将会被高频的全控器件（大功率晶体管）所代替，既可提高系统性能又可改善电网的功率因数。(2)交流化随着交流调速系统成本的逐步降低，不仅现有的直流调速系统将被交流调速所取代，而且大量的原来恒速运行的交流传动系统将改为交流调速系统，原来直流调速所不能达到的高转速，大功率领域，也将采用交流调速系统。(3)网络化大规模多机协同工作的高度自动系统，需要计算机网络的支持，传动设备及控制器作为一个节点连到现场总线或工业控制网上，实现集中或分散的生产过程实时监控。借助于数字和网络技术，智能控制如模糊控制、神经网络控制、自藕

12、控制等深入运用到控制系统的各个方面，各种观测器和辩识技术应用于控制系统中，大大改善了控制系统的性能。1.2 模糊控制的发展状况以往各种传统控制方法均是建立在被控对象的精确数学模型之上的，随着系统复杂程度的提高，将难以建立系统的精确数学模型和满足实时控制的要求。人们期望探索出一种简便灵活的描述手段和处理方法，并进行了种种尝试。结果却发现一个复杂的控制系统，可由一个操作人员凭着丰富的实践经验得到满意的控制效果。如能模拟人的思维方法，把自然语言植入计算机内核，使计算机具有活性和智能。模糊逻辑控制就是使计算机具有活性和智能的一种新颖的智能控制方法。模糊控制系统应用于诸如在测量数据不确切、要处理的数据量

13、过大以致无法判断它们的兼容性、一些复杂可变的被控对象等场合是非常合适的。与传统控制器依赖于系统行为参数的控制器设计方法不同的是模糊控制器的设计依赖于操作者的经验。在传统控制器中，参数或控制输出的调整是根据对一组微分方程描述的过程模型的状态分析和综合来进行的，而模糊控制器参数或控制输出的调整是从过程函数的逻辑模型产生的规则来进行的。改善模糊控制性能的最有效方法是优化模糊控制规则。通常模糊控制规则是通过将人的操作经验转化为模糊语言形式获取的，因此带有相当的主观性。自从扎德1965年发表了首篇有关模糊集理论的论文来，模糊理论和模糊控制开始了它的艰难历程。模糊集合理论无法得到广大学者的认同，尤其是得到

14、权威学者的认可。当时提出反对模糊集理论主要有两个理由：一是认为模糊隶属度函数的确定具有主观臆断性和人为经验技巧色彩，没有严格的系统方法，因而是不可靠的。二是认为模糊逻辑实际上是改头换面的概率理论。由于存在众多权威人士的反对，模糊理论在它的发源地美国的发展相当缓慢。在欧洲，对模糊理论的研究着重在模糊控制上。自从Mamdani教授1974年首先将模糊理论用于蒸汽机和锅炉的控制，开创模糊控制的先河。模糊控制理论的应用研究在70年代的欧洲取得了一些成功，推动了模糊控制理论的研究，同时模糊控制理论也不断地得到人们的认识和重视。在80年代后期，模糊控制理论进入了发展期，包括美国在内的世界各国在模糊控制理论

15、和模糊控制产品的不断发展和不断更新。近十年来模糊控制发展相当迅速。1.3 仿真技术介绍现代电力拖动控制技术已经不再是一些电控设备的简单应用，它已成为电工、自动控制、计算机应用、电力电子学、数字仿真与 CAD 等多门学科互相交叉的新兴学科。八十年代中期，国际上已将其公认为“运动控制系统” 。单纯的数字仿真，几乎已经无法进行运动控制系统的设计研究，而必须应用包括分析、比较、自动寻优、检验等都在计算机上进行的整个设计过程，MATLAB 因其含有极为丰富的专用于控制工程与系统分析的函数，且提供方便的图形功能，它已成为国际控制界应用最广的语言和工具，在 MATLAB 提供的动态系统仿真工具 Simuli

16、nk 中，对系统进行建模将变得非常简单，而且仿真过程是交互的，因此，可以很随意地改变仿真参数，并且立即可以得到修改后的仿真结果。本设计将使用 MATLAB 对设计成型的系统进行仿真，以进一步了解系统的动态性能和稳态性能。第 2 章 模糊控制的基本理论2.1 模糊控制的理论基础模糊逻辑控制就是使计算机具有活性和智能的一种新颖的智能控制方法。与传统控制理论相比，模糊控制有二大优点。第一，模糊控制在许多应用中可以有效便捷地实现人的控制策略和验收。第二，模糊控制可以不需按被控对象的数学模型即可实现较好的控制，因为被控制对象的动态特性已隐含在模糊控制器输入，输出模糊集及模糊规则中。2.2 模糊控制系统的

17、组成一般常用FUZZY控制器结构框图如图2.1所示。图2.1 常用Fuzzy控制器结构框图由FUZZY控制器结构框图可以看见它有三个重要功能1)把系统的偏差从数字量转换为模糊量。2)对模糊量由给定的规则进行模糊推理。3)把推理结果的模糊输出量转化为实际系统接受的精确数字量或模拟量(精确化接口)。由分析可知模糊逻辑控制的过程主要有三步：第一步：模糊化过程。模糊化就是通过传感器把受控对象的相关物理量转换成电量，若传感器的输出量是连续的模拟量，还要通过AD转换成数字量作为计算机的输入测量值，接着将此输入测量值作标准化处理，即把其变化范围映射到相应论域中，再将论域中的该输入数据转换成相应语言变量的术语

18、，并构成模糊集合，这样就把输入的精确量转换为用隶属度函数表示的某一模糊变量的值。由此才能用检测到的输入量作为模糊控制规则中的条件来运用模糊规则进行推理。第二步：模糊逻辑推理。根据事先已制定好的一组模糊条件语句构成的模糊控制规则，运用模糊数字理论对模糊控制规则进行推理，根据模糊规则对输入的一系列条件进行综合评价，以得到一个定性的用语言表示的量，即模糊输出量。第三步：精确化计算。模糊输出量是不能直接去控制执行部件的，在这确定的输出范围中，要确定一个最具有代表性的值作为真正的输出控制量。2.3 模糊控制在实际中的适用性如用模糊控制代替传统控制解决问题，有二个选择标准，第一个是被控对象数学模型未知，但

19、是它有较强的非线性系统或非线性带时限系统，第二个标准是当PID控制不能取得令人满意的控制效果。目前全世界90的工业过程是PID控制器实现的，PID控制器有效地控制线性系统，非线性系统或带延时的系统。PID控制器只有三个控制参数可调，在许多场合下PI控制或PD控制已能达到预定控制效果。而绝大多数模糊控制器的可调整参数都远大于三个(输入及输出模糊集的数目及形状、模糊规则等)，在控制非线性，时变或大延时系统的性能优于PID控制器。2.4 模糊控制器的设计方法1、确定模糊控制器的输入变量，输出变量(控制量)模糊控制器的维数越高，控制就越精细，但维数过高，模糊控制规则会很复杂，控制算法的实现相当困难，通

20、常采用二维模糊控制器。2、模糊控制规则的设计(1)选择描述输入和输出变量的词集，FUZZY控制器的控制规则表现为一组模糊条件语句，在条件语句中描述输入、输出变量状态的一些词汇的集合称为这些变量的词集。偏差对应的词集分为8个档级，形成8个子集来反映偏差大小，分别是NL、PL、NM、PM、NS、PS、NU、PV，偏差变化率e=的语言变量E分为7个档级，edtd来反映偏差变化率的大小、分别是NL、PL、NM、PM、NS、PS、O，输入变量U分成7个档级，分别是：NL、PL、NM、PM、NS、PS、O。(2)定义各模糊变量的模糊子集定义一个模糊子集，实际上是要确定模糊子集隶属函数曲线的形状，将确定的隶

21、属函数曲线离散化，就得到了有限个点上的隶属度，便构成了一个相应的模糊变量的模糊子集。(3)建立模糊控制器的控制规则是基于手动控制策略的，利用模糊集合理论和语言变量的概念，可以把利用语言归纳的手动控制微略上升为数值运算，于是可以采用计算机完成这个任务以代替人的手动控制实现模糊自动控制，利用语言归纳手动控制策略的过程，就是建立模糊控制器的控制规则的过程。3、确定各元素的隶属度4、精确量与模糊量的相互转换(1)模糊化方法将精确量(数字量)转化为模糊量的过程称模糊化。(2)模糊量到精确量的转换方法模糊控制器的输出是一个模糊量，这个模糊量不能直接控制被控对象，需将它转换为一个精确量，这个转换过程称为清晰

22、化也称判决，判决方法有3种:a)最大隶属度法。选取模糊子集中隶属度最大的元素作为控制量。b)取中位数法选取模糊子集的隶属函数曲线和横坐标所围成区域的面积平分为二部分的数作为判决的效果。c)加权平均法5确定控制策略根据操作人员的操作经验，可以总结出控制规则。应用模糊集合区把这些规则写成一串模糊条件语句，就可构成模糊模型，再根据控制规则表可写出模糊条件语句。6、编制模糊算法的应用程序进行合成运算，判决得到模糊控制表。第 3 章 直流调速系统的原理3.1 方案定论3.1.1 方案比较方案一：单闭环直流调速系统单闭环直流调速系统是指只有一个转速负反馈构成的闭环控制系统。在电动机轴上装一台测速发电机 S

23、F ,引出与转速成正比的电压与给定电压比较后,得偏差电fUdU压 U ,经放大器 FD ,产生触发装置 CF 的控制电压,用以控制电动机的转速,如图 3.1kU所示。图 3.1 方案一原理框图方案二：双闭环直流调速系统该方案主要由给定环节、ASR、ACR、触发器和整流装置环节、速度检测环节以及电流检测环节组成。为了使转速负反馈和电流负反馈分别起作用，系统设置了电流调节器 ACR 和转速调节器 ASR。电流调节器 ACR 和电流检测反馈回路构成了电流环；转速调节器 ASR 和转速检测反馈回路构成转速环，称为双闭环调速系统。因转速环包围电流环，故称电流环为内环，转速环为外环。图 3.2 方案二原理

24、框图在电路中，ASR 和 ACR 串联，即把 ASR 的输出当做 ACR 的输入，再由 ACR 得输出去控制晶闸管整流器的触发器。为了获得良好的静、动态性能，转速和电流两个调节器一般都采用具有输入输出限幅功能的 PI 调节器，且转速和电流都采用负反馈闭环。该方案的原理框图如图 3.2 所示。3.1.2 方案论证方案一采用单闭环的速度反馈调节时整流电路的脉波数 m = 2 ,3 ,6 ,12 其数目总是有限的,比直流电机每对极下换向片的数目要少得多。因此,除非主电路电感 L = ,否则晶闸管电动机系统的电流脉动总会带来各种影响,主要有:(1) 脉动电流产生脉动转矩,对生产机械不利; (2)脉动电

25、流(斜波电流) 流入电源,对电网不利,同时也增加电机的发热。并且晶闸管整流电路的输出电压中除了直流分量外,还含有交流分量。把交流分量引到运算放大器输入端,不仅不起正常的调节作用,反而会产生干扰,严重时会造成放大器局部饱和,从而破坏系统的正常工作。方案二采用双闭环转速电流调节方法，虽然相对成本较高，但保证了系统的可靠性能，保证了对生产工艺要求的满足，既保证了稳态后速度的稳定，同时也兼顾了启动时启动电流的动态过程。在启动过程的主要阶段，只有电流负反馈，没有转速负反馈，不让电流负反馈发挥主要作用，既能控制转速，实现转速无静差调节，又能控制电流使系统在充分利用电机过载能力的条件下获得最佳过渡过程，很好

26、的满足了生产需求。3.1.3 方案选择1.在单闭环调速系统中用一个调节器综合多种信号，各参数间相互影响，难于进行调节器动态参数的调整，系统的动态性能不够好。2.系统中采用电流截止负反馈环节来限制启动电流，不能充分利用电动机的过载能力获得最快的动态响应，即最佳过渡过程。为了获得近似理想的过度过程，并克服几个信号综合于一个调节器输入端的缺点，最好的方法就是将被调量转速与辅助被调量电流分开加以控制，用两个调节器分别调节转速和电流，构成转速、电流双闭环调速系统。所以本文选择方案二作为设计的最终方案。3.2 直流调速系统的原理3.2.1 直流调速系统的调速原理直流电动机具有良好的起、制动性能，宜于在广范

27、围内平滑调速，所以由晶闸管直流电动机(VM)组成的直流调速系统是目前应用较普遍的一种电力传动自动化控制系统。它在理论上实践上都比较成熟，而且从闭环控制的角度看，它又是交流调速系统的基础。从生产机械要求控制的物理量来看，电力拖动自动控制系统有调速系统、位置随动系统（伺服系统） 、张力控制系统、多电机同步控制系统等多种类型，各种系统往往都是通过控制转速来实现的，因此，调速系统是最基本的电力拖动控制系统。直流电动机的转速和其它参量的关系和用式（31）表示 eKIRUn （3-1）式中：为电动机转速，为电枢供电电压，为电枢电流，为电枢回路总电nUIR阻，单位为，为由电机机构决定的电势系数。eK在上式中

28、，是常数，电流是由负载决定的，因此，调节电动机的转速可以有eKI三种方法：（1）调节电枢供电电压；U（2） 减弱励磁磁通；（3） 改变电枢回路电阻。R对于要求在一定范围内无级平滑调速的系统来说，以调节电枢供电电压的方式最好。改变电阻只能实现有级调速；减弱励磁磁通虽然能够平滑调速，但调速的范围不大，往往只是配合调压方案，在基速（额定转速）以上做小范围的弱磁升速。因此，自动控制的直流调速系统往往以改变电压调速为主。3.2.2 直流调速系统的性能指标根据各类典型生产机械对调速系统提出的要求，一般可以概括为静态和动态调速指标。静态调速指标要求电力传动自动控制系统能在最高转速和最低转速范围内调节转速，并

29、且要求在不同转速下工作时，速度稳定；动态调速指标要求系统启动、制动快而平稳，并且具有良好的抗扰动能力。抗扰动性是指系统稳定在某一转速上运行时，应尽量不受负载变化以及电源电压波动等因素的影响。1、静态性能指标1）调速范围生产机械要求电动机在额定负载运行时，提供的最高转速与最低转速之比，maxnminn称为调速范围，用符号表示 D minmaxnnD （3- 2） 2）静差率静差率是用来表示负载转矩变化时，转速变化的程度，用系数 来表示。具体是指s电动机稳定工作时，在一条机械特性线上，电动机的负载由理想空载增加到额定值时，对应的转速降落与理想空载转速之比，用百分数表示为edn0n %100%100

30、000nnnnnseded （3-3）显然，机械特性硬度越大，机械特性硬度越大，越小，静差率就越小，转速edn的稳定度就越高。然而静差率和机械特性硬度又是有区别的。两条相互平行的直线性机械特性的静差率是不同的。对于图 3.3 中的线 1 和线 2，它们有相同的转速降落=，但由1edn2edn于，因此。这表明平行机械特性低速时静差率较大，转速的相对稳定性0201nn21ss就越差。在 1000r/min 时降落 10r/min，只占 1%；在 100r/min 时也降落 10r/min，就占10%；如果只有 10r/min，再降落 10r/min 时，电动机就停止转动，转速全都降落完0n了。由图

31、 3.3 可见，对一个调速系统来说，如果能满足最低转速运行的静差率 s，那么，其它转速的静差率也必然都能满足。图 3.3 不同转速下的静差率事实上，调速范围和静差率这两项指标并不是彼此孤立的，必须同时提才有意义。一个调速系统的调速范围，是指在最低速时还能满足所提静差率要求的转速可调范围。脱离了对静差率的要求。任何调速系统都可以得到极高的调速范围；反过来，脱离了调速范围，要满足给定的静差率也就容易得多了。2 动态性能指标生产工艺对控制系统动态性能的要求经折算和量化后可以表达为动态性能指标。自动控制系统的动态性能指标包括对给定信号的跟随性能指标和对扰动输入信号的抗扰性能指标。1) 跟随性能指标在给

32、定信号（或称参考输入信号）的作用下，系统输出量的变化情况可用( ) tR( ) tC跟随性能指标来描述。当给定信号表示方式不同时，输出响应也不一样。通常以输出量的初始值为零，给定信号阶跃变化下的过渡过程作为典型的跟随过程，这时的动态响应又称为阶跃响应。一般希望在阶跃响应中输出量与其稳态值的偏差越小越( ) tCC好，达到的时间越快越好。常用的阶跃响应跟随性能指标有上升时间、超调量和调C节时间：(a）上升时间rt在典型的阶跃响应跟随过程中，输出量从零起第一次上升到稳态值所经过的时C间称为上升时间，它表示动态响应的快速性，见图 3.4。图 3.4 典型的阶跃响应过程和跟随性能指标(b）超调量 在典

33、型的阶跃响应跟随系统中，输出量超出稳态值的最大偏离量与稳态值之比，用百分数表示，叫做超调量： %100%maxccc （3-4）超调量反映系统的相对稳定性。超调量越小，则相对稳定性越好，即动态响应比较平稳。 (c）调节时间st调节时间又称过渡过程时间，它衡量系统整个调节过程的快慢。原则上它应该是从给定量阶跃变化起到输出量完全稳定下来为止的时间。对于线性控制系统来说，理论上要到t才真正稳定，但是实际系统由于存在非线性等因素并不是这样。因此，一般在阶跃响应曲线的稳态值附近，取(或)的范围作为允许误差带，以响应52曲线达到并不再超出该误差带所需的最短时间定义为调节时间。2) 抗扰性能指标一般是以系统

34、稳定运行中，突加负载的阶跃扰动后的动态过程作为典型的抗扰过程，并由此定义抗扰动态性能指标，可见图 3.5。常用的抗扰性能指标为动态降落和恢复时间：图 3.5 典型的抗扰过程(a）动态降落maxC系统稳定运行时，突加一定数值的扰动（如额定负载扰动）后引起转速的最大降落值叫做动态降落，用输出量原稳态值的百分数来表示。输出量在动态降maxC1C落后逐渐恢复，达到新的稳态值212,ccc是系统在该扰动作用下的稳态降落。动态降落一般都大于稳态降落（即静差） 。调速系统突加额定负载扰动时的动态降落称作动态降落。maxn(b）恢复时间ft从阶跃扰动作用开始，到输出量基本上恢复稳态，距新稳态值之差进入某基准2

35、C量的(或)范围之内所需的时间，定义为恢复时间，其中称为抗扰指bC52ftbC标中输出量的基准值。实际系统中对于各种动态指标的要求各有不同，要根据生产机械的具体要求而定。一般来说，调速系统的动态指标以抗扰性能为主。3.3 电流、转速双闭环直流调速系统的理论分析3.3.1 双闭环调速的工作过程和原理双闭环调速系统的工作过程和原理: 电动机在启动阶段,电动机的实际转速(电压)低于给定值,速度调节器的输入端存在一个偏差信号,经放大后输出的电压保持为限幅值,速度调节器工作在开环状态,速度调节器的输出电压作为电流给定值送入电流调节器, 此时则以最大电流给定值使电流调节器输出移相信号,直流电压迅速上升,电

36、流也随即增大直到等于最大给定值, 电动机以最大电流恒流加速启动。电动机的最大电流(堵转电流)可以通过整定速度调节器的输出限幅值来改变。在电动机转速上升到给定转速后, 速度调节器输入端的偏差信号减小到近于零,速度调节器和电流调节器退出饱和状态,闭环调节开始起作用。对负载引起的转速波动,速度调节器输入端产生的偏差信号将随时通过速度调节器、电流调节器来修正触发器的移相电压,使整流桥输出的直流电压相应变化,从而校正和补偿电动机的转速偏差。另外电流调节器的小时间常数, 还能够对因电网波动引起的电动机电枢电流的变化进行快速调节,可以在电动机转速还未来得及发生改变时,迅速使电流恢复到原来值,从而使速度更好地

37、稳定于某一转速下运行。3.3.2 双闭环直流调速系统的组成及其静特性1、双闭环直流调速系统的组成为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用，可在系统中设置两个调节器，分别调节转速和电流，即分别引入转速负反馈和电流负反馈。两者之间实行嵌套连接，如图 3.6 所示。把转速调节器的输出当作电流调节器的输入，再用电流调节器的输出去控制电力电子变换器 UPE。从闭环结构上看，电流环在里面，称作内环；转速环在外边，称作外环。这就形成了转速、电流双闭环调速系统。图 3.6 转速、电流双闭环直流调速系统原理图其中：ASR-转速调节器 ACR-电流调节器 TG-测速发电机 TA-电流互感器 UPE-电力电子变换器

38、-转速给定电压 Un-转速反馈电压 -电流给定电压 -电流反nUiUiU馈电压。2、 双闭环直流调速系统的静特性分析分析静特性的关键是掌握 PI 调节器的稳态特征，一般存在两种状况：饱和输出达到限幅值，不饱和输出未达到限幅值。当调节器饱和时，输出为恒值，输入量的变化不再影响输出，除非有反向的输入信号使调节器退出饱和，换句话说，饱和的调节器暂时隔断了输入和输出的联系，相当于使该调节环开环。当调节器不饱和时，PI 的作用使输入偏差电压 U 在稳态时总为零。图 3.7 双闭环直流调速系统的稳态结构框图实际上，在正常运行时，电流调节器是不会达到饱和状态的。因此，对于静特性来说，只有转速调节器饱和与不饱

39、和两种情况。(1)转速调节器不饱和这时，两个调节器都不饱和，稳态时，它们的输入偏差电压都是零，因此， （3-0nnUUnn5） （3-iidUUI6）由式（3-5）可得： （3-0nUnn7）从而得到图 3.8 所示静特性曲线的 CA 段。与此同时，由于 ASR 不饱和， iU可知，这就是说，CA 段特性从理想空载状态的 Id=0 一直延续到=。imUdIdmIdIdmI而一般都是大于额定电流的。这就是静特性的运行段，它是一条水平的特性。dmIdnI(2)转速调节器饱和这时，ASR 输出达到限幅值，转速外环呈开环状态，转速的变化对系统不再imU产生影响。双闭环系统变成了一个电流无静差的单电流闭

40、环调节系统。稳态时： （3-imddmUII8）其中，最大电流取决于电动机的容许过载能力和拖动系统允许的最大加速度，dmI由上式可得静特性的 AB 段，它是一条垂直的特性。这样是下垂特性只适合于的n0n情况，因为如果,则,ASR 将退出饱和状态.n0nnUnU双闭环调速系统的静特性在负载电流小于时表现为转速无静差,这时,转速负反dmI馈起主要的调节作用,但负载电流达到时,对应于转速调节器的饱和输出,这时,电dmIimU流调节器起主要调节作用,系统表现为电流无静差,得到过电流的自动保护.这就是采用了两个 PI 调节器分别形成内、外两个闭环的效果。然而，实际上运算放大器的开环放大系数并不是无穷大，

41、因此，静特性的两段实际上都略有很小的静差，见图 3.8 中虚线。图 3.8 双闭环直流调速系统的静特性3、各变量的稳态工作点和稳态参数计算由双闭环直流调速系统的稳态结构图可知，双闭环调速系统在稳态工作时，当两个调节器都不饱和时，各变量之间有以下关系： （3-0nnUUnn9） = （3-iidUUIdlI10） （3-0endldedcsssCUIRUCnIRUKKK11）上述关系表明，在稳态工作点上，转速是由给定电压决定，ASR 的输出量nnU是由负载电流决定的，而控制电压的大小则同时取决于和，或者说，同iUdlIcUndI时取决于和。PI 调节器输出量在动态过程中决定于输入量的积分，到达稳

42、态时，nUdlI输入为零，输出的稳态值与输入无关，而是由它后面环节的需要决定的。后面需要 PI调节器提供多么大的输出值，它就能提供多少，直到饱和为止。鉴于这一特点，双闭环调速系统的稳态参数计算与单闭环有静差系统完全不同，而是和无静差系统的稳态计算相似，即根据各调节器的给定与反馈值计算有关的反馈系数。转速反馈系数： （3-maxnmUn12）电流反馈系数： （3-imdmUI13）两个给定电压的最大值、由设计者给定，受运算放大器允许输入电压和nmUimU稳压电源的限制。3.4 双闭环直流调速系统的数学模型和动态性能分析3.4.1 双闭环直流调速系统的数学模型的建立双闭环直流调速系统数学模型的建立

43、涉及到可控硅触发器和整流器的相关内容，这里仅作简单介绍。全控式整流在稳态下，触发器控制电压与整流输出电压的ctU0U关系为： )cos(cos220ctaKUAUAUU （314）式中：为整流器系数，为整流器输入交流电压，为整流器触发角，为A2UctU触发器移项控制电压，为触发器移项控制斜率。K整流与触发关系为余弦，工程中近似用线性环节代替触发与放大环节，放大系数为： （3-0ctUKU15）绘制双闭环直流调速系统的动态结构框图如图 3.9图 3.9 双闭环直流调速系统的动态结构框图3.4.2 起动过程分析双闭环直流调速系统突加给定电压由静止状态起动时，转速调节器输出电压gnU、电流调节器输出

44、电压、可控整流器输出电压、电动机电枢电流和转速giUkUdUI的动态响应波形过程如图 3.10 所示。由于在起动过程中转速调节器 ASR 经历了不饱n和、饱和、退饱和三种情况，整个动态过程就分成图中标明的、三个阶段。第一阶段是电流上升阶段。当突加给定电压时，由于电动机的机电惯性较大，gnU电动机还来不及转动（n=0） ，转速负反馈电压，这时，很大，0fnUngnfnUUU使 ASR 的输出突增为，ACR 的输出为，可控整流器的输出为，使电枢电流gioUkoUdoU迅速增加。当增加到（负载电流）时，电动机开始转动，以后转速调节器aIalIIASR 的输出很快达到限幅值，从而使电枢电流达到所对应的

45、最大值（在这过程gimUamI中,的下降是由于电流负反馈所引起的） ，到这时电流负反馈电压与 ACR 的给定kUdU电压基本上是相等的，即 amfigimIUU （3-16）式中，为电流反馈系数。速度调节器 ASR 的输出限幅值正是按这个要求来整定的。第二阶段是恒流升速阶段。从电流升到最大值开始，到转速升到给定值为止，amI这是启动过程的主要阶段，在这个阶段中，ASR 一直是饱和的，转速负反馈不起调节作用，转速环相当于开环状态，系统表现为恒流调节。由于电流保持恒定值，即aIamI系统的加速度为恒值，所以转速按线性规律上升，由知，也ntddndameUIRC ndU线性增加，这就要求也要线性增加

46、，故在启动过程中电流调节器是不应该饱和的，kU晶闸管可控整流环节也不应该饱和。第三阶段是转速调节阶段。转速调节器在这个阶段中起作用。开始时转速已经上升到给定值，ASR 的给定电压与转速负反馈电压相平衡，输入偏差等于零。gnUfnUnU但其输出却由于积分作用还维持在限幅值，所以电动机仍在以最大电流下加速，gimUamI使转速超调。超调后，00，使 ASR 退出饱和，其输出电压（也就是 ACRfnUnU的给定电压）才从限幅值降下来，与也随之降了下来，但是，由于仍大于giUkUdUaI负载电流，在开始一段时间内转速仍继续上升。到时，电动机才开始在负载的lIalII阻力下减速，知道稳定（如果系统的动态

47、品质不够好，可能振荡几次以后才稳定） 。在这个阶段中 ASR 与 ACR 同时发挥作用，由于转速调节器在外环，ASR 处于主导地位，而 ACR 的作用则力图使尽快地跟随 ASR 输出的变化。aIgiU稳态时，转速等于给定值，电枢电流等于负载电流，ASR 和 ACR 的输入gnaIlI偏差电压都为零，但由于积分作用，它们都有恒定的输出电压。ASR 的输出电压为 LfigiIUU （3-17）ACR 的输出电压为 sLgekKRInCU （3-18）由上述可知，双闭环调速系统，在启动过程的大部分时间内，ASR 处于饱和限幅状态，转速环相当于开路，系统表现为恒电流调节，从而可基本上实现理想过程。双闭

48、环调速系统的转速响应一定有超调，只有在超调后，转速调节器才能退出饱和，使在稳定运行时 ASR 发挥调节作用，从而使在稳态和接近稳态运行中表现为无静差调速。故双闭环调速系统具有良好的静态和动态品质。图 3.10 双闭环直流调速系统起动过程的电流、转速波形综上所述，双闭环调速系统的起动过程有以下三个特点：（1）饱和非线性控制：随着 ASR 的饱和与不饱和，整个系统处于完全不同的两种状态，在不同情况下表现为不同结构的线性系统，只能采用分段线性化的方法来分析，不能简单的用线性控制理论来笼统的设计这样的控制系统。（2）转速超调：当转速调节器 ASR 采用 PI 调节器时，转速必然有超调。转速略有超调一般

49、是容许的，对于完全不允许超调的情况，应采用其他控制方法来抑制超调。（3）准时间最优控制：在设备允许条件下实现最短时间的控制称作“时间最优控制”,对于电力拖动系统，在电动机允许过载能力限制下的恒流起动，就是时间最优控制。但由于在起动过程、两个阶段中电流不能突变，实际起动过程与理想启动过程相比还有一些差距，不过这两段时间只占全部起动时间中很小的成分，无伤大局，可称作“准时间最优控制” 。采用饱和非线性控制的方法实现准时间最优控制是一种很有实用价值的控制策略，在各种多环控制中得到普遍应用。3.4.3 动态抗干扰性分析一般来说，双闭环调速系统具有比较满意的动态性能，对于调速系统，最重要的动态性能是抗扰

50、性能。主要是抗负载扰动和抗电网电压扰动。1抗负载扰动由双闭环直流调速系统的动态结构图上可以看出，负载扰动作用在电流环之后，因此，只能靠转速调节器 ASR 来产生抗负载扰动的作用。在设计 ASR 时，应要求有较好的抗扰性能指标。2抗电网电压扰动电网电压变化对调速系统也产生扰动作用。在双闭环系统中，由于增设了电流内环，电压波动可以通过电流反馈得到比较及时的调节，不必等它影响到转速以后才能反馈回来，抗扰性能大有改善。因此，在双闭环系统中，由电网电压波动引起的转速动态变化会小得多。3.5 电流环、转速环的 MATLAB 仿真电流环设计为典型系统 （3-19）10.02511.240.025iacrii

51、sSWKS转速环设计为典型系统 （3-20）697160.6nasrnnsWKsS系统的仿真模型如图3.11：图3.11 转速环的SIMULINK仿真模型图 3.13 电流环的阶跃响应曲线图 3.12 转速环的阶跃响应曲线由仿真可得系统的阶跃响应曲线如图 3.12。由图可知转速很快上升，上升时间为7S。第 4 章 直流电动机的模糊 PID 控制4.1 直流电动机数学模型的建立直流电动机虽然比交流电动机结构复杂，生产运行成本较高，但是它具有启动转矩大，调速范围宽等优势，在轧钢机、电力机车等方面有一定的应用。在直流电机调速系统中通常是以他励式直流电动机为控制对象，下面以他励式直流电动机为例分析直流

52、电动机数学模型，其等效控制电路如图4.1所示图4.1 直流电机等效控制电路系统的输入量为电机电枢电压，控制系统的输出量为电机的转速 n。根据电dUcX压定律，可以得到电枢回路的电压定律的微分方程式： （4-idddddddidei RLLud1）式中：为电动机电枢反电动势，为电动机电枢回路电阻，为电动机电枢dedrDL回路电感，为电动机电枢回路电流。di由于电机产生的反电动势为： （4-deec n2）式中为电动机电势常数，单位。ec1/minVr由式(41)(42)可以得到电机的动方程式： （4-ideddddtdc ni RLud3）电动机的第二个方程为机械运动方程，在无负载的理想机械运动

53、方程的微分型式为： （4-2375ntGD dMd4）式中：为电动机的转矩，为电动机的飞轮惯量，（为电动M2GDm dMC imC机的转矩常数）。消去中间变量，整理可以得到他励式直流电动机的微分方程形式的数学模型，Mdi即： （4-222222375375dddddmemeeL GDRd nGDRd nunRC C dtC C dtC5）进一步可以得到 （4-22nddmmted nduT TTndtdC6）式中：为电动机的电磁时间常数，为电动机的机电时dddLTR2375dmmeGDRTC C间常数。将式(46)在零初始条件下进行拉斯变换可以得到他励式直流电动机的传递函数型式的数学模型 （4

54、- 21/1cerdmmXCWSXT T ST S7）4.2 直流电动机的 PID 控制PID控制器是指将偏差的比例(P)、积分(I)和微分(D)通过线性组合构成控制量，对被控对象进行控制。模拟PID控制系统原理框图如图4.2所示，系统由模拟PID控制器和被控对象构成。图4.2 模拟PID控制系统原理框图PID控制器是一种线性控制器，它根据给定值与实际输出值构成控制偏差：( ) tr( ) ty （4-( )( )( )tttery8）PID的控制规律为： （4-1( )1sspdsiUGKT SETS9）式中：为比例系数，为积分时间常数，为微分时间常数pKiTdTPID控制器各校正环节的作用

55、：(1)比例环节：成比例地反映控制系统的偏差信号，偏差一旦产生，控制器立即产生控制作用，以减小偏差。(2)积分环节：主要用于消除静差，提高系统的无差度。积分作用的强弱取决于积分时间常数，越大，积分作用越弱，反之越强。iTiT(3)微分环节：反映偏差信号的变化趋势(变化速率)，并能在偏差信号变得太大之前，在系统中引入一个有效的早期修正信号，从而加快系统的动作速度，减少调节时间，PID控制器有如下特点：(1)原理简单，实现方便，是一种能够满足大多数实际需要的基本控制器(2)控制器能适用于多种截然不同的对象，算法在结构上具有较强的鲁棒性情况,其控制品质对被控对象的结构和参数波动不敏感。现以直流电动机

56、为被控对象进行模拟PID控制。已知直流电动机的参数：电动机：=150kw，=1000rrain, =700A， Ra=0.05 。主回路：nompnomnnomiRd=0.08，Ld=2mH。负载及电动机转动惯量：=125kg.。2GD2m计算得到此直流电动机的相关参数如下：电势常数：1220700 0.050.185/( .min )1000nomnomaenomUIRCVrN转矩常数：0.1850.18.0.030.03emCCkg mA电磁时间常数：0.0020.0250.08dddLTsR机电时间常数：2125 0.080.8375375 0.18 0.182dmmeGDRTsC C由

57、以上参数可得直流电动机数学模型的传递函数表达式：22211270.50.18510.025 0.80.814050cesrdmmXCWXT T ST SSSSS在SIMULINK下进行仿真，=1000,如图4.3。minr图4.3 模拟PID控制的仿真模型PID控制器采用子系统并封装，其内部结构如图4.4。图4.4 模拟PID控制器仿真结果如图4.5所示。图4.5 模拟PID控制阶跃响应曲线上述传统PID控制器参数范围变化大，要调到想要控制结果工作量大，整定方法过于繁琐。4.3 模糊自整定 PID 控制器的设计模糊控制器的参数自整定方法是应用FUZZY集合理论和方法，把操作人员(专家)的整定经

58、验和技术知识总结成规则模型形成微机的查询表格，微机根据系统的实际响应情况，运用FUZZY推理与决策实现对参数的最佳调整。模糊化e模糊推理常规PID控制器被控对象eckpki kd输出信号ddt输入信号-+图4.6 PID参数自适应模糊控制器结构模糊PID控制是从模糊集合论，模糊语言变量和模糊逻辑推理为基础的一种计算机数字控制，它的基本原理是将输入语言变量偏差和偏差变化率的精确值变为模糊量。根据PID控制参数与偏差 及偏差变化率的精确值变为模糊量，根据PID控制参数与ece偏差 及偏差变化率的模糊函数关系进行模糊决策，实现PID参数的模糊在线自整定,ece如图4.6所示。模糊控制由常规PID控制

59、部分和模糊推理两部分组成模糊推理部分实质就是一个模糊控制器，根据偏差 ，偏差变化率对PID参数自整定的要求，利用模糊控制规则在ece线对PID参数进行修改，从而使被控对象有良好的动、静态性能。其设计思想是先找出PID参数与偏差 ，偏差变化率之间的模糊关系，在运行中通过不断检测偏差 ，偏ecee差变化率，再根据模糊控制原理对两个参数进行线修改，以满足在不同偏差 和偏差cee变化率时对控制参数的不同要求。从系统的稳定性、响应速度、超调量、稳态精度ce和、的作用等方面来考虑。其中他们的作用如下：pKiK(1)比例系数的作用是加快系统的响应速度，提高系统的调节精度，越大系pKpK统的响应速度越快，系统

60、的调节精度越高，但易产生超调甚至会导致系统不稳定。取值过小，则会降低调节精度，使响应速度缓慢，从而延长调节时间，使系统静态、pK动态特性变坏。(2)积分作用系数的作用是消除系统的稳态误差。越大，系统的静态误差消除iKiK越快，但过大，在响应过程的初期会产生积分饱和现象，从而引起响应过程的较大iK超调。若过小，将使系统静态误差难以消除，影响系统的调节精度。iK(3)微分作用系数的作用是改善系统的动态特性，其作用主要是在响应过程中抑dK制偏差向任何方向的变化，对偏差变化进行提前预报，但过大，会使响应过程提前dK制动，从而延长调节时间，而且会降低系统的抗干扰性能.表4.1 的模糊控制规则表pK ec

61、 Kp NBNMNSOPSPMPBNBPBPBPMPMPSZOZONMPBPBPMPSPSZONSNSPMPMPMPSZONSNSZOPMPMPSZONSNMNMPSPSPSZONSNSNMNMPMPSZONSNMNMNMNBePBZOZONMNMNMNBNB表4.2 模糊控制规则表iK ec Ki NBNMNSOPSPMPBNBNBNBNMNMNSZOZONMNBNBNMNSNSZOZONSNBNMNSNSZOPSPSZONMNMNSZOPSPMPMPSNMNSZOPSPSPMPBPMZOZOPSPSPMPBPBePBZOZOPSPMPMPBPB表4.3 模糊控制规则表dKecKdNBNMN

62、SZEPSPMPBNBPSNSNBNBNBNMPSNMPSNSNBNMNMNSZEMSZENSNMNMNSNSZEZEZENSNSNSNSNSZEPSZEZEZEZEZEZEZEPMPBPSPSPSPSPSPBePBPBPMPMPMPSPSPB、的模糊控制规则表建立好以后，可根据如下方法进行、pKiKdKpKiK的校正。dK、的论域为：ece,=-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5ece其模糊子集为 ,=NB，NM，NS，O，PS，PM，PB，ece设 ,和、均服从正态分布，因此可得出各模糊子集的隶属度，根据ecepKdKiK各模糊子集的隶属度赋值表和各参数模糊控制模型，应用模

63、糊合成推理设计PID修正参数的模糊矩阵表(在程序中执行)查出修正参数带入下式计算。 （4,pPicipKKE E10） （4,iiiciiKKE E11） （4,ddicidKKE E12）在线运行过程中，控制系统通过对模糊逻辑规则的结果处理，查表和运算，完成PID参数在线自校正，其工作流程见图4.7。图4.7 PID参数自校正工作流程图4.4 模糊自整定 PID 控制器的仿真由前所述可编制PID参数自整定模糊控制器的程序，电动机的数学模型如前所述： (414)2270.54050sWSS在O4秒给控制器输出加一个干扰信号，仿真结果如图4.8所示。图4.8 PID参数自整定模糊控制器的干扰响应

64、曲线4.5 模糊控制在直流双闭环调速系统中应用一般模糊控制系统通常采用二维模糊控制结构如图4.9所示：图4.9 二维模糊控制器结构图这类控制器采用误差 、误差变化作为输入语言变量，其控制作用类似于PD控ece制器，它能确保系统的简单性、快速性，且有可能获得良好的动态性能。模糊控制器通常由计算机或单片机构成，控制原理如图4.10所示。控制过程：计算机采集被测参数的精确值，并将该值与结定值作比较，得出误差 误差变化率作为模ece糊控制器的输入语言变量。将 、经模糊化得到模糊量E和EC再由 、和模糊控制eceece规则。图4.10 模糊控制原理框图根据推理的合成规则得到模糊控制量经模糊决策，清晰化得

65、到精确控制量U为方便起见，设输入输出的语言变量值相同，分别为UNB、NM、NS、ZE、PB、PM、PS，相应的隶属度函数表如表4.4所示。表4.4 语言变量值的隶属度函数-5-4-3-2-1012345PB0000000.10.10.40.71PM000000.10.40.710.70.4PS0000.10.40.710.70.40.10ZE000.10.40.710.70.40.100NS00.10.40.710.70.40.1000NM0.40.710.70.40.700000NB10.70.40.10000000速度的给定值=0，1000，模糊控制器的输入、输出论域分别取 =一150，1

66、50，ne=-30，30，=0.03，=0.17，=20。根据隶属度函数及直流电动机双闭环调ceeKecKuK速系统的控制经验得到模糊控制表4.5所示。表4.5 模糊控制规则表DEUNBNMNSZEPSPNPBNBNBNBNBNMNMNSZENMNBNBNBNMNSZEPSNSNBNMNMNSZEPSPMZENBNSNSZEPSPMPBPSNMNSZEPSPMPBPBPMNMNSZEPSPMPBPBEPSZEPSPNPMPBPNPB第 5 章 双闭环调速系统的仿真本设计将使用 MATLAB 对设计成型的系统进行仿真，以进一步了解系统的动态性能和稳态性能，并根据输出波形对系统的参数进行调整以完善系统。系统仿真结构如图 5.1 所示：5.1 模糊控制仿真模型的建立根据直流电动机双闭环调节系统的结构考虑到转速环是不是决定控制系统的根本因素，内环电流环主要起改变电机运行特性以利于外环控制的作用。转速环采用以上模糊控制器，控制模型如图5.2所示。图5.2 转速环的模糊控制器模型创建子系统封装为模糊控制器FUZZY，内环仍采用调节器，仿真模型如图5.3PI所示。图5.3 双闭环直流电动机调速系统的