【正文】 的同一直流電機對象(在不同環(huán)境下，同一對象的參數(shù)或許已經(jīng)發(fā)生了不小的變化)進行控制，或是已經(jīng)調(diào)好的模糊控制系統(tǒng)應(yīng)用于參數(shù)稍有變化的控制對象時，系統(tǒng)性能沒有多大變化，使得現(xiàn)場調(diào)試人員不必為同一控制對象設(shè)置不同的調(diào)試參數(shù)。系統(tǒng)精確數(shù)學(xué)模型的建立，其實質(zhì)是應(yīng)用一定的數(shù)學(xué)處理手段，基于待辨識系統(tǒng)的大量測量數(shù)據(jù)，找出體現(xiàn)系統(tǒng)輸入與輸出之間的內(nèi)在聯(lián)系，并通過一定的數(shù)學(xué)表達式加以描述。何況，一種技術(shù)是否先進，是以其在實際應(yīng)用中是否取得良好效果而體現(xiàn)的，絕不僅是因?qū)ζ淙唛L的論證或美妙的描述就會優(yōu)秀起來。傳統(tǒng)控制方法以數(shù)學(xué)公式描述控制過程，往往可以給出十分嚴密和明確的數(shù)學(xué)表述。模糊控制與傳統(tǒng)控制有著本質(zhì)的區(qū)別，它不像經(jīng)典控制那樣需要用精確數(shù)字所描述的傳遞函數(shù)，也不像現(xiàn)代控制理論那樣需要用矩陣表示的狀態(tài)方程。模糊邏輯應(yīng)用最有效并最廣泛的領(lǐng)域就是模糊控制。模糊理論主要包括模糊集合理論、模糊邏輯、模糊推理、模糊決策和模糊控制等方面的內(nèi)容，模糊理論最成功的應(yīng)用領(lǐng)域是模糊控制。n=5= 轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)增益KN= = = 400Kn= = = 23 1/s所以WASR= Kn= (4)校驗近似條件轉(zhuǎn)速環(huán)截止頻率W= = KNtn = 1/s1)電流環(huán)的等效條件W ≤ = = 1/sWci，滿足等效條件。n=Ton+2T229。i=。i=，因此KI= = = 1/s于是，ACR的比例系數(shù)為Ki= KI ==所以WACR= Ki= (4)校驗近似條件電流環(huán)截止頻率Wci=Ki= 1/s1)晶閘管裝置傳遞函數(shù)近似條件：Wci ≤ = = 1/sWci，滿足近似條件。i=Ts+Toi=。電流環(huán)的設(shè)計：(1)確定時間常數(shù)整流裝置滯后時間常數(shù)Ts三相橋式電路的平均失控時間=。上述因素的影響，即一個調(diào)好參數(shù)的PID控制器對于在另外一個環(huán)境下對具有同樣銘牌數(shù)據(jù)的直流電機進行控制，系統(tǒng)的性能可能會變差，有時甚至造成系統(tǒng)不穩(wěn)定，工業(yè)現(xiàn)場的調(diào)試人員不得不重新調(diào)節(jié)PID各參數(shù)，這給工程現(xiàn)場調(diào)試人員帶來很大的不方便。因為其算法簡單，參數(shù)調(diào)整方便，并具有一定的控制精度，并在實際中取得良好的效果，因此它已成為當(dāng)前最為普遍采用的控制算法。缺點是對于具有自平衡能力(即系統(tǒng)階躍響應(yīng)終值為一有限值)的被控對象存在靜差，加大比例作用可以減小靜差，會導(dǎo)致系統(tǒng)超調(diào)量增大，使系統(tǒng)的動態(tài)性能變壞。對于一些非線性復(fù)雜對象，盡管PID大多數(shù)采用了近似描述和線性化原理，但其最終的模型表示形式應(yīng)該是確定的，而且利用它能夠容易地得到精確定量解。故障消失后，系統(tǒng)能夠自動恢復(fù)正常。電流調(diào)節(jié)器的作用。 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中兩個調(diào)節(jié)器的作用轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的作用。因此雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)能夠提高系統(tǒng)對負載擾動的抗擾性能。 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)特性 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)數(shù)學(xué)模型雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)就是PI調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)，ASR和ACR的傳遞函數(shù)分別為：WASR= Kn (26)WACR=Ki (27)結(jié)合單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖，可得雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖，見圖24。因此，雙閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)特性具有近似理想的“挖土機特性”。當(dāng)轉(zhuǎn)速達到給定值且略有超調(diào)時，轉(zhuǎn)速環(huán)的輸入信號變極性，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器退飽和，轉(zhuǎn)速負反饋環(huán)起調(diào)節(jié)作用，使轉(zhuǎn)速保持恒定，即n= Un*/a保持不變，見圖23中n0A段虛線。當(dāng)轉(zhuǎn)速上升時，也有類似的調(diào)節(jié)過程。 以轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR為核心的轉(zhuǎn)速環(huán)轉(zhuǎn)速環(huán)是由轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR和轉(zhuǎn)速負反饋環(huán)節(jié)組成的閉合回路，其主要作用是通過轉(zhuǎn)速檢測元件的反饋作用保持轉(zhuǎn)速穩(wěn)定，最終消除轉(zhuǎn)速偏差。其中b為電流反饋系數(shù)。ACR和ASR的輸入、輸出信號的極性，主要視觸發(fā)電路對控制電壓的要求而定。ACR輸出限幅值為Uctm，它限制了晶閘管整流器輸出電壓的最大值Udm。其調(diào)速系統(tǒng)原理如圖21所示：圖21 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)圖中ASR和ACR分別代表轉(zhuǎn)速、電流調(diào)節(jié)器，TG為測速計，可看作純比例環(huán)節(jié)。我們希望使電流在起動時始終保持在最大允許值上，電動機輸出最大轉(zhuǎn)矩，從而可使轉(zhuǎn)速直線上升，過渡過程時間大大縮短。采用PI控制器的單閉環(huán)系統(tǒng)，雖然實現(xiàn)了轉(zhuǎn)速的無靜差調(diào)速，但因其結(jié)構(gòu)中含有電流截止負反饋環(huán)節(jié)，限制了起制動的最大電流。由于模糊控制不需要精確的數(shù)學(xué)模型,能夠根據(jù)日常生產(chǎn)中的經(jīng)驗規(guī)則動態(tài)地輸出,能利用其非線性特性，突破PID方法的局限，使調(diào)速系統(tǒng)既有快速的動態(tài)響應(yīng)，又有較高的穩(wěn)定程度。調(diào)速系統(tǒng)的內(nèi)環(huán)是電流環(huán),用以保證啟動過程中只有電流反饋起作用保證最大允許恒定電流,使電力拖動系統(tǒng)盡可能以最大的加速度啟動達到穩(wěn)定轉(zhuǎn)速后使電流轉(zhuǎn)矩同負載轉(zhuǎn)矩平衡,穩(wěn)定轉(zhuǎn)速,達到“時間最優(yōu)控制”,到達穩(wěn)定轉(zhuǎn)速后通過外環(huán)轉(zhuǎn)速環(huán)控制使得轉(zhuǎn)速恒定。b)恢復(fù)時間tv從階躍擾動作用開始，到輸出量基本上恢復(fù)穩(wěn)態(tài)，距新穩(wěn)態(tài)值C∞2之差進入某基準(zhǔn)量Cb的5%(或2%)范圍內(nèi)所需要的時間（Cb稱為抗擾指標(biāo)中輸出量的基準(zhǔn)值）。b)超調(diào)量s輸出量超出穩(wěn)態(tài)值的最大偏差與穩(wěn)態(tài)值之比s=180。在直流電動機調(diào)壓調(diào)速中，常以電動機額定轉(zhuǎn)速nnom為最高轉(zhuǎn)速，若帶額定負載時轉(zhuǎn)速降為Dnnom，則該系統(tǒng)的靜差率應(yīng)該是最低速時的靜差率，即s = (14)于是，nmin = n0minDnnom=Dnnom= （15）而調(diào)速范圍為：D== (16)將上式（15）中nmin代入式(16)，得D= (17)對于同一個調(diào)速系統(tǒng)，它的特性硬度或Dnnom值是一定的。 (一)調(diào)速范圍D生產(chǎn)機械要求電動機提供的最高轉(zhuǎn)速nmax和最低轉(zhuǎn)速nmin之比叫做調(diào)速范圍，用字母D表示: D = (12)其中nmax和nmin一般都指電機額定負載時的轉(zhuǎn)速。在一般意義上，對調(diào)速系統(tǒng)轉(zhuǎn)速控制要求大致有三方面：(1)調(diào)速——在一定的最高轉(zhuǎn)速和最低轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，分檔地(有級)或平滑地(無級)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速。由(11)式可知，直流電機轉(zhuǎn)速n的控制方法有三種:(1)調(diào)節(jié)電樞電壓Ua，改變電樞電壓從而改變轉(zhuǎn)速，屬恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速方法，動態(tài)響應(yīng)快，適用于要求大范圍無級平滑調(diào)速的系統(tǒng)。(2)提高電力電子器件的生產(chǎn)水平，使變流器結(jié)構(gòu)變得簡單、緊湊。晶閘管變流裝置的放大倍數(shù)在10000以上，比機組(放大倍數(shù)10)高1000倍，比汞弧變流器(1000)高10倍。特別是它的系統(tǒng)快速響應(yīng)性是發(fā)電機——電動機系統(tǒng)不能比擬的。這樣，一方面可得到平滑的制動特性。這種方法簡單易行，設(shè)備制造方便，價格低廉。s daily life as the main mechanicelectronic energy conversion device for a century or more. PID control is often adopted in the digital control system of motor. But PID control has some scarcity, good control effects have been obtained difficultly in some instances.The paper is based on the analysis of the intelligent control, elaborating the present development condition of the PID control and the fuzzy control and the principle of the fuzzy control. Taking the fuzzy PID control as the research object, this paper presents a fuzzy PID controller for binary closed loop DC speed regulating system，and transient and steadystate performance and robustness of the system are analyzed. MATLAB numerical simulation shows that it provides higher transient performance and robustness than that of the PID controller.KEY WORDS: DC motor；speed regulating system；PID control；fuzzy PID control；MATLAB simulation 47 目錄摘 要 IABSTRACT II第1章 引 言 1 前言 1 直流調(diào)速系統(tǒng)發(fā)展史 1 直流電動機的調(diào)速方法 2 本論文研究的目的與內(nèi)容 5 第2章 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng) 7 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的組成及工作原理 7 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的組成 7 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的工作原理 8 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性及穩(wěn)態(tài)參數(shù) 9 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性 9 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)各變量的穩(wěn)態(tài)工作點和穩(wěn)態(tài)參數(shù)計算 10 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)特性 11 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)數(shù)學(xué)模型 11 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)性能 11 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中兩個調(diào)節(jié)器的作用 12 第3章 系統(tǒng)控制方案 13 經(jīng)典控制(PID) 13 模糊控制 18 模糊控制的基本理論 19 模糊控制器的數(shù)據(jù)庫 20 模糊控制規(guī)則庫 21 推理決策邏輯 22 模糊控制與PID結(jié)合 24 模糊PID控制器的基本形式 25 雙閉環(huán)調(diào)速模糊PID控制器的設(shè)計 27 確定輸入與輸出變量的模糊子集和論域及其隸屬度 28 確定模糊控制規(guī)則(若干條經(jīng)驗規(guī)則)R 28 設(shè)計模糊推理關(guān)系 29 模糊決策 29 模糊判決(將控制量去模糊化) 30 第4章 系統(tǒng)仿真 32 Matlab/Simulink簡介 32 Simulink的啟動與界面說明 33 啟動Simulink 33 Simulink的菜單 33 Simulink的功能模塊組 33 Simulink的仿真過程 33 創(chuàng)建結(jié)構(gòu)圖文件 33 結(jié)構(gòu)圖程序設(shè)計 34 Simulink仿真的啟動與停止 34 建立仿真模型 34 傳統(tǒng)PID控制的直流雙調(diào)速系統(tǒng)仿真 34 模糊PID控制的直流雙調(diào)速系統(tǒng)仿真 35 第5章 分析及結(jié)論 39 超調(diào)量，穩(wěn)態(tài)靜差分析 39 快速性分析 40 抗負載擾動分析 41 魯棒性分析 42 結(jié)論 43 第6章 結(jié)束語 44 致 謝 45 參考文獻 46 第1章 引 言 前言在現(xiàn)代化的工業(yè)生產(chǎn)過程中，幾乎無處不使用電力傳動裝置，生產(chǎn)工藝、產(chǎn)品質(zhì)量的要求不斷提高和產(chǎn)量的增長，使得越來越多的生產(chǎn)機械要求能實現(xiàn)自動調(diào)速。畢 業(yè) 設(shè) 計（論 文）說 明 書題 目：基于模糊PID控制的直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)系 別：系專業(yè)班級：電氣工程及自動化學(xué)生姓名：指導(dǎo)教師：教 研 室：電氣工程及其自動化教研室提交時間： II 基于模糊PID控制的直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)摘 要一個多世紀(jì)以來，電動機作為最主要的機電能量轉(zhuǎn)換裝置，其應(yīng)用范圍已遍及國民經(jīng)濟的各個領(lǐng)域和人們的日常生活。關(guān)鍵詞：直流電機；調(diào)速系統(tǒng)；PID控制；模糊PID控制；MATLAB仿真ABSTRACTThe application of motor has spread all kinds of fields of national economy and people39。 直流調(diào)速系統(tǒng)發(fā)展史第一，最初的直流調(diào)速系統(tǒng)是采用恒定的直流電壓向直流電動機電樞供電，通過改變電樞回路中的電阻來實現(xiàn)調(diào)速。特別是當(dāng)電動機減速時，可以通過發(fā)電機非常容易地將電動機軸上的飛輪慣量反饋給電網(wǎng)。第三，自出現(xiàn)汞弧變流器后，利用汞弧變流器代替上述發(fā)電機——電動機系統(tǒng)，使調(diào)速性能指標(biāo)又進一步提高。由于它具有體積小、響應(yīng)快、工作可靠、壽命長、維修簡便等一系列優(yōu)點，采用晶閘管供電，不僅使直流調(diào)速系統(tǒng)經(jīng)濟指標(biāo)上和可靠性有所提高，而且在