直流电动机调速系统模糊控制的仿真

直流电动机调速系统模糊控制的仿真摘 要 针对直流电动机调速系统的非线性和构造参数易变化等特点，本文设计了模糊控制 器，建立了转速环为模糊控制的双闭环调速系统。 为了验证模糊控制器的控制效果， 本文对 直流电动机的参数变化、负载突变等不同情况进展了仿真研究，并将仿真结果与常规 PID 控制进展比拟。结果说明，模糊控制器在电机参数变化或负载突变时具有较好的控制性能。关键词 直流电动机 控制器 仿真1引言直流电动机具有良好的起、 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、 矿井卷杨机等领域中得到了广泛应用。 然而传统直流电动机双闭环调 速系统大多采用构造简单、性能稳定的常规 PID 控制技术，由于在实际的传动 系统中，电机本身的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，使得线性的常参数的 PID 调节器常常顾此失彼，不能使系统在各种工 况下都能保持设计时的性能指标， 往往使得控制系统的鲁棒性差， 特别是对于模 型参数大 X 围变化且具有较强非线性环节的系统，常规 PID 调节器难以满足高 精度、快响应的控制要求，常常不能有效克制负载、模型参数的大 X 围变化以 及非线性因素的影响 1。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许多 领域 1，其最大的特点是将专家的经历和知识表示为语言控制规那么，并用 这些控制规那么去控制系统，这样它可以不依赖于被控制对象的准确数学模型， 能够克制非线性因素的影响，对被控制对象的参数具有较强的鲁棒性。为了验证模糊控制器具有对被控制对象参数变化适应能力强的特点，本文以实际 的直流电动机双闭环调速系统为例，设计了相应的模糊控制器，建立了直流电动 机双闭环调速系统模糊控制的仿真模型，仿真结果说明，模糊控制器在负载突变 或电机参数变化时具有较好的控制性能，充分表达了其适应于非线性时变、滞后 系统的控制以及鲁棒性强的特点。2双闭环调速系统的模糊控制2.1调速系统的模糊控制模型根据经典的直流电动机双闭环调节系统的构造，考虑到外环转速环是决定控制系统的根本因素，而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， 本文在建立直流电动机双闭环调速系统的模糊控制模型中，转速环采用模糊控制 器，而内环仍然采用传统的PI调节器。考虑实际电动机的运行，在电流环 PI调 节器的设计中积分作用项加上了内限幅环节， 而电流调节器的输出那么加上了外 限幅环节（在仿真中内限幅值取土50，外限幅值取土500）。在仿MA软件AB/SIMULINK环境下建立常规PI电流调节器模型如图1所示。整个调速系统的模 糊控制模型如图2所示。wordzl.m I电祇坏円调节器粮窣分析tu 2 WftiHriHlJ机朗曲矗境的模fifl柠制枪P2.2转速环模糊控制器的设计转速环采用简单的二维模糊控制器，其根本构造如图3所示，输入量为直流电动机转子角速度给定值和实际值的偏差 e以及偏差的变化量de,其输出为电流的给 定值，进一步作为电流调节器的输入。为了方便起见，在模糊控制器的设计中， 其输入输出的语言变量值取一样，其相应的隶属度函数如表1所示。考虑输入设定值的大小将影响到模糊控制器论域的设定，假定输入给定值（转子角速度给定）的X围为0,80,而模糊控制器的输入、输出变量的论域分别取为：e= -150,150，de= -30,30, u= -100,100。根据表 1 的隶属度函数以及直流电动机双闭环调速系统的控制经历，得到如表2所示的模糊控制规那么表。根据设计的模糊控制器，考虑到实际控制系统的非线性，同样在转速环设计 中增加了相应的限幅环节，建立其转速环的模糊控制器模型如图4所示。二境模穩悴制蛊*举给构 1* 2巧1zJj00000o0.4Iruo曲d1,1w11.70.4FS00VJJI静reHI祐Fit*NS亦內mPB15强nZEPSFMHIrai Virh也HlninZLIMtv国转迪州的柜禅拧骷耀快里3.2转速的稳态调节特性图7和图8为转子角速度给定值从40rad/s变化到80rad/s的转速响应曲线和电枢 电流响应曲线，其中标识1、标识2分别表示转速环采用常规 PID控制和模糊控 制时的仿真曲线（以下标识的含义一样）。3.3电枢电阻变化时响应特性图9和图10为电枢电阻增加10时的转速响应曲线和电枢电流响应曲线。从仿真曲线可以看出，模糊控制器对电枢电阻增加时的控制效果影响不大，而采用常规PID控制时，动态控制效果差，过渡时间长。3.4负载突变时的响应特性图11和图12是负载阶跃为30N m时的转速响应曲线和电枢电流响应曲线。 从 仿真曲线可以看出，模糊控制器对负载突变具有良好的适应能力，电枢电流的过渡过程时间短，并最终到达给定值；而采用常规PID控制时，当负载突变后电枢电流开场失调，导致输出转速很难跟随给定值。IQOW闘70何如抑対纫!0-T?I 2345?89 10ItR用,箱子甬站FTftfr衣响W彩變 厂 1, - 一 枫40MM冏创4030 *rp IL- m洛燧卿晁丑I2345678IOTH tit电枢电茨响旋曲钱00l5 i l.S 2 J 3-5 44 J 31*1 7 K性曲戏切柚2aMBa間4n2v1 .1- 1 -IT2r0t 2345&If IQ 小ms嵐啊电匱胸应曲住恥 I I J 23 JA 4 J JIB ?轻干劇律rt窮城fig00_S t l_S 2 1.5 J 35 44左 iN H弼轴00締旳如却1 1- 1t二K护誉护1% 10 ife图HZ 0,1 Oj O.J U.4 lt.s 加 0,1 D.S QB 1 HM HiH于命證圧响用曲线vfiglsUJ開12 也耀呕洼!麵曲魅4结论针对直流电动机调速系统的非线性和构造参数易变化等特点，本文设计了相应的模糊控制器，同时建立转速环为模糊控制的双闭环调速系统。通过仿真分析并与 常规PID控制比拟说明，当输入阶跃变化、电机参数突变、负载突变等情况下， 模糊控制器能起到良好的控制性能；而常规的 PID控制器尽管能到达一定的效 果，但是当电机参数变化、负载突变时，根本上不具备参数变化的适应能力。另 外，仿真研究进一步验证了模糊控制可以不依赖于被控制对象的准确数学模型， 能够克制非线性因素的影响，可以将模糊控制器进一步应用于交、 直流电力拖动 系统的控制中。参考文献1周炼，谢运祥模糊控制器在交流调速中的应用现状及前景微电机，2000(2).2李士勇.模糊控制 神经控制和智能控制论.XX工业大学，1998.3楼顺天，施阳.基于MATLAB的系统分析与设计.XX电子科技大学，2000.4Riad B, Chedid, Chadi EL Chamali. Adaptive Fuzzy Control for Wind Diesel Weak Power Systems.lEEE Trans. Vol.15, March 2000, 1996, 16(5): 346348.