基于模糊PID控制雙閉環(huán)可逆直流脈寬PWM調(diào)速系統(tǒng)

摘 要：直流電動(dòng)機(jī)具有啟停性能良好、速度控制容易，且在寬范圍內(nèi)可以平滑調(diào)速的特點(diǎn)，所以在輕工業(yè)、化工、機(jī)械制造及冶金領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。由于傳統(tǒng)的控制理論對(duì)于線性明確系統(tǒng)有很強(qiáng)的控制能力，但對(duì)于非線性難以精確描述的系統(tǒng)，則無(wú)法準(zhǔn)確的控制。為優(yōu)化雙閉環(huán)可逆直流脈寬PWM調(diào)速系統(tǒng)、減小雙閉環(huán)控制系統(tǒng)中傳統(tǒng)PI控制器速度超調(diào)、解決模糊直流電機(jī)控制系統(tǒng)中電流環(huán)PI參數(shù)調(diào)節(jié)不能很好地發(fā)揮電流反饋?zhàn)饔玫膯?wèn)題，提出一種雙閉環(huán)模糊控制系統(tǒng)。實(shí)現(xiàn)了對(duì)轉(zhuǎn)速和電流的有效控制。

關(guān)鍵詞：模糊PID;雙閉環(huán);電機(jī)調(diào)速

模糊控制其實(shí)質(zhì)上是一種非線性控制方法，是智能控制的一部分。模糊控制的最大特點(diǎn)是既有系統(tǒng)化的理論，又有大量的實(shí)際應(yīng)用背景。模糊控制的發(fā)展最初在西方遇到了較大的障礙;然而在東方尤其是日本，得到了迅速的發(fā)展和廣泛的應(yīng)用。近20多年來(lái)，模糊控制發(fā)展比較迅速，不論在理論上還是技術(shù)上都有了很大的突破，在自動(dòng)控制領(lǐng)域成為了一個(gè)有代表性的部分。模糊PID控制調(diào)速系統(tǒng)是通過(guò)雙閉環(huán)控制系統(tǒng)中電流環(huán)和速度環(huán)對(duì)系統(tǒng)輸出曲線的影響，實(shí)時(shí)跟蹤實(shí)際轉(zhuǎn)速和給定轉(zhuǎn)速所產(chǎn)生的誤差變化進(jìn)行參數(shù)調(diào)整。在此過(guò)程中需要根據(jù)實(shí)際條件進(jìn)行規(guī)制整定。本文針對(duì)傳統(tǒng)PID控制控制器速度超調(diào)，加入負(fù)載時(shí)波動(dòng)大等缺點(diǎn)，提出了模糊PID控制雙閉環(huán)可逆直流脈寬PWM調(diào)速系統(tǒng)。

1 雙閉環(huán)模糊PID晶閘管不可逆調(diào)速控制系統(tǒng)建模與仿真

1.1 模糊PID 控制器的設(shè)計(jì)

本文的雙模糊閉環(huán)直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，速度環(huán)和電流環(huán)均采用模糊PID 控制[1-2]，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

1.2 系統(tǒng)建模與仿真

本次研究中使用晶閘管、直流電機(jī)作為控制對(duì)象，不同以往使用線性化的控制對(duì)象傳遞函數(shù)。由已知條件求得參數(shù)如表1所示。

轉(zhuǎn)速環(huán)、電流環(huán)使用PI調(diào)節(jié)器，使用工程整定法整定比例，積分系數(shù)，求得參數(shù)如下：kpn=235，kn=0.52，kpi=35.6，ki=0.003。

雙閉環(huán)模糊PID晶閘管不可逆調(diào)速控制系統(tǒng)在MATLAB中的仿真模型[3-4]如圖2所示。由以下幾部分組成交流電源、移相控制環(huán)節(jié)、晶閘管整流器、電動(dòng)機(jī)模塊和觸發(fā)器構(gòu)成，其中控制電路由轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器（ASR）和電流調(diào)節(jié)器（ACR）組成，其仿真結(jié)果如圖3所示。

圖2中上部分是帶模糊PID控制器線路圖，下部只是用PID控制器的線路圖，用來(lái)與模糊PID控制器效果進(jìn)行對(duì)比[5-6]。模糊控制器輸入為誤差及誤差變化率，輸出為比例、積分、微分系數(shù)，輸入輸出的模糊論域都為[-1，1]。

量化因子比例因子的選擇過(guò)程如下：首先對(duì)PID控制的雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行仿真，用示波器觀察誤差及誤差變化率，確定誤差及其變化率的誤差范圍，這樣可以確定兩個(gè)輸入的量化因子。對(duì)比例因子的調(diào)節(jié)使用控制變量法，首先將輸出的三個(gè)比例因子盡量調(diào)小，然后針對(duì)一個(gè)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，調(diào)整到結(jié)果較為理想之后再調(diào)節(jié)下一個(gè)變量。本次調(diào)節(jié)經(jīng)驗(yàn)總結(jié)如下：

①調(diào)節(jié)ASR模糊控制器輸出的比例系數(shù)：增大該系數(shù)會(huì)增加加入負(fù)載之后穩(wěn)態(tài)時(shí)的震蕩，k=2時(shí)，震蕩會(huì)很明顯;

②調(diào)節(jié)ASR模糊控制器輸出的積分系數(shù)：增大該系數(shù)會(huì)增加轉(zhuǎn)速的超調(diào)量;

③調(diào)節(jié)ASR模糊控制器輸出的微分系數(shù)：增大該系數(shù)可以增加加入負(fù)載之后的穩(wěn)態(tài)精度;

④調(diào)節(jié)ACR模糊控制器輸出的各系數(shù)對(duì)系統(tǒng)影響較小，這是由于電流環(huán)輸出波動(dòng)較大，限幅器的使用減小了該控制器的控制效果。

模糊PID與PID空載并在0.45s加入負(fù)載的仿真如圖3所示。

從仿真結(jié)果可以看出使用直流電機(jī)作為控制對(duì)象當(dāng)轉(zhuǎn)速超調(diào)后，此時(shí)啟動(dòng)過(guò)程結(jié)束，電樞電流下降到零，雖然轉(zhuǎn)速超調(diào)，但是由于系統(tǒng)是不可逆調(diào)速，晶閘管裝置不能產(chǎn)生反向電流，所以超調(diào)后不能調(diào)節(jié)到額定轉(zhuǎn)速;模糊PID可以減小電機(jī)轉(zhuǎn)速超調(diào)，并在加入負(fù)載之后轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)時(shí)間短，波動(dòng)小。

2 結(jié)論

本文基于雙閉環(huán)控制理論與傳統(tǒng)模糊電機(jī)控制理論相結(jié)合，提出一種基于建模調(diào)優(yōu)的雙閉環(huán)模糊PID晶閘管不可逆調(diào)速控制系統(tǒng)，雙閉環(huán)控制調(diào)速系統(tǒng)的特點(diǎn)是由兩個(gè)獨(dú)立的調(diào)節(jié)器，一個(gè)是轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器（ASR），另一個(gè)是電流調(diào)節(jié)器（ACR），其中內(nèi)環(huán)為電流環(huán)，外環(huán)為轉(zhuǎn)數(shù)環(huán)，而且電流調(diào)節(jié)器的輸入是轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出，因此電流調(diào)節(jié)器能夠隨轉(zhuǎn)速的偏差改變電動(dòng)機(jī)電樞電流，通過(guò)數(shù)學(xué)模型，根據(jù)反饋控制理論基礎(chǔ)，在Matlab/Simulink中建立系統(tǒng)仿真模型，仿真后，通過(guò)對(duì)仿真結(jié)果的比較分析可知，雙閉環(huán)可逆直流脈寬PWM調(diào)速的模糊PID控制系統(tǒng)比傳統(tǒng)的PID調(diào)速精確性和快速性更好，且平滑性更好，并在直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中，驗(yàn)證方法的有效性。

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作者簡(jiǎn)介：

孫宏存（1996- ），男，漢族，遼寧省東港市人，學(xué)士，研究方向：控制工程。