【正文】 動(dòng)態(tài)特性與魯棒性 。在電動(dòng)機(jī)的數(shù)字控制系統(tǒng)中，一般采用的是 PID 控制，但由于 PID 控制有其一定的局限性，在有些場合中難以獲得滿意的控制效果。對可調(diào)速的傳動(dòng)系統(tǒng)，可分為直流調(diào)速和交流調(diào)速。但缺點(diǎn)是效率低、機(jī)械特性軟、不能在較寬范圍內(nèi)平滑調(diào)速，所以目前極少采用。另一方面又可減少能量的損耗，提高效率。但是汞弧變流器仍存在一些缺點(diǎn) :維修還是不太方便，特別是水銀蒸汽對維護(hù)人員會(huì)造成一定的危害等。在快速響應(yīng)性上，機(jī)組是秒級，而晶閘管變流裝置為毫秒級。 (3)提高控制單元水平，使其具有控制、監(jiān)視、保護(hù)、診斷及其自動(dòng)復(fù)原等多種功能。 基于模糊 PID 控制 的 直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng) 3 (3)改變電樞電路電阻 ?Ra， 在電動(dòng)機(jī)電 樞 外串 聯(lián) 電阻進(jìn)行調(diào)速，只能有級調(diào)速 ，平滑性差、機(jī)械特性軟、效率低。 一般情況下，調(diào)速和穩(wěn)速在各種場合下都能碰到，我們給出調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能指標(biāo)。調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)中調(diào)速范圍、靜差率與額定速降之間有一定的關(guān)系。 (一 )跟隨性能指標(biāo) a)上升時(shí)間 tr 在典型階躍響應(yīng)跟隨過程中，輸出量從零起第 一次上升到穩(wěn)態(tài)值 ?C 所經(jīng)過的時(shí)間。 b)恢復(fù)時(shí)間 tv 從階躍擾動(dòng)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(jìn)入某基準(zhǔn)量 Cb 的 ? 5%(或 ? 2%)范圍內(nèi)所需要的時(shí)間 （ Cb 稱為抗擾指標(biāo)中輸出量的基準(zhǔn)值 ） 。調(diào)速系統(tǒng)的內(nèi)環(huán)是電流環(huán) ,用以保證啟動(dòng)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(dòng)系統(tǒng)盡可能以最大的加速度啟動(dòng)達(dá)到穩(wěn)定轉(zhuǎn)速后使電流轉(zhuǎn)矩同負(fù)載轉(zhuǎn)矩平衡 ,穩(wěn)定轉(zhuǎn)速 ,達(dá)到“時(shí)間最優(yōu)控制” ,到達(dá)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。 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(yàn)規(guī)則動(dòng)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(dòng)態(tài)響應(yīng)，又有較 高的穩(wěn)定程度。采用 PI 控制器的單閉環(huán)系統(tǒng)，雖然實(shí)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(fù)反饋環(huán)節(jié)，限制了起制動(dòng)的最大電流。我們希望使電流在起動(dòng)時(shí)始終保持在最大允許值上，電動(dòng)機(jī)輸出最大轉(zhuǎn)矩，從而可使轉(zhuǎn)速直線上升，過渡過程時(shí)間大大縮短。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(jì)，可看作純比例環(huán)節(jié)。 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。 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。其中 ?為電流反饋系數(shù)。 以轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 ASR 為核心的轉(zhuǎn)速環(huán) 基于模糊 PID 控制 的 直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng) 9 轉(zhuǎn)速環(huán)是由轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 ASR 和轉(zhuǎn)速負(fù)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?zhàn)饔帽３洲D(zhuǎn)速穩(wěn)定，最終消除轉(zhuǎn)速偏差。當(dāng)轉(zhuǎn)速上升時(shí)，也有類似的調(diào)節(jié)過程。 當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到給定值且略有超調(diào)時(shí)，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(fù)反饋環(huán)起調(diào)節(jié)作用，使轉(zhuǎn)速保持恒定，即 n= Un*/?保持不變，見圖23 中 n0A 段虛線。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(jī)特性”。 基于模糊 PID 控制 的 直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng) 11 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)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= Kn1+?ns ?ns (26) WACR=Ki1+?is ?is (27) 結(jié)合單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖，可得雙閉環(huán)調(diào) 速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖，見圖 24。因此雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)能夠提高系統(tǒng)對負(fù)載擾動(dòng)的抗擾性能。 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中兩個(gè) 調(diào)節(jié)器的作用 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的 作用。 電流 調(diào)節(jié)器的 作用。故障消失后，系統(tǒng)能夠自動(dòng)恢復(fù)正常。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。 缺點(diǎn)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(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)超調(diào)量增大，使系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能變壞。因?yàn)槠渌惴ê唵危瑓?shù)調(diào)整方便，并具有一定的控制精度，并 在實(shí)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。上述因素的影響，即一個(gè)調(diào)好參數(shù)的 PID控制器對于在另外一個(gè)環(huán)境下對具有同樣銘牌數(shù)據(jù)的直流電機(jī)進(jìn)行控制，系統(tǒng)的性能可能會(huì)變差，有時(shí)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。 電流環(huán)的設(shè)計(jì) ： (1)確定時(shí)間常數(shù) 整流裝置滯后時(shí)間常數(shù) Ts 三相橋式電路的平均失控時(shí)間 =。電流調(diào)節(jié)器選用 PI 型，其傳遞函數(shù)為 WACR=Ki1+?is ?is (3)選擇電流調(diào)節(jié)器參數(shù) ACR 超前時(shí)間常數(shù)： ?i=Tl=。 轉(zhuǎn)速環(huán)的設(shè)計(jì) ： (1)確定時(shí)間常數(shù) 1)電流環(huán)等效時(shí)間常數(shù)為 2T?i=。 ASR 調(diào)節(jié)器選用 PI 型，其傳遞函數(shù)為 WASR= Kn1+?ns?ns (3)選擇 轉(zhuǎn)速 環(huán)調(diào)節(jié)器參數(shù) 按跟隨與抗擾性能都較好的原則，取 h=5，則 ASR 的超前時(shí)間常數(shù)為： ?n= hT?n=5= 轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)增益 KN= h+12h2T?n2 = 6225 = 400 Kn= (h+1)?CeTm2h?RT?n = 0 1 8 3 0 0 3 7 4 ???? ??? = 23 1/s 所以 WASR= Kn1+?ns ?ns= ? ? ? (4)校驗(yàn)近似條件 轉(zhuǎn)速 環(huán)截止頻率 W= KNWl = KN?n = 1/s 1)電流環(huán)的等效條件 W ≤ 15T? i 15TΣi = 1? = 1/s?Wci，滿足等效條件。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 。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。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(yán)密 和明確的數(shù)學(xué)表述。何況，一種技術(shù)是否先進(jìn)，是以其在實(shí)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(huì)優(yōu)秀起來。系統(tǒng)精確數(shù)學(xué)模型的建立，其實(shí)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(dá)式加以描述。模糊控制器 特點(diǎn)中闡述 了 模糊控制對干擾和參數(shù)變化不敏感和模糊控制不用建立數(shù)學(xué)模型的特點(diǎn)，使得模糊控制對在不同環(huán)境下的同一直流電機(jī)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(jìn)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(shí)，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)。 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 20 圖 32 模糊控制原理框圖 實(shí)現(xiàn)一步模糊控制算法的過程描述如下 ： 首先獲取被控制量的精確值，然后將此量與給定值比較得到誤差信號 E，一般選誤差信號 E 作為模糊控制器的一個(gè)輸入量。只是在所采用的控制方法上應(yīng)用了模糊數(shù)學(xué)理論，雖然模 糊控制算法是通過模糊語言描述的，但它所完成的卻是一項(xiàng)完全確定的工 作。一般選用“大、中、小”三個(gè)詞匯來描述模糊控制器的輸入、輸出變量的狀態(tài)，在加上正、負(fù)方向和零狀態(tài)，共有 7 個(gè)詞匯 ： {負(fù)大、負(fù)中、負(fù)小、零、正小、正中、正大 } 其縮寫為 ： 基于模糊 PID 控制 的 直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng) 21 {NB、 NM、 NS、 ZO、 PS、 PM、 PB} 輸入變量的模糊化 某個(gè)變量的實(shí)際變化范圍稱為該變量的基本論域。 可 選 擇 E 和 EC 的論域?yàn)?: {6， 5， 4， 3， 2， 1, 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6} 選擇模糊控制器的輸出變量即系統(tǒng)的控制量 U 的論域?yàn)?: {7， 6， 5， 4， 3， 2， 1, 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7} 隸屬度函數(shù) 為了實(shí)現(xiàn)模糊化，要在上述離散化的精確量與表示模糊語言的模糊量之間建立關(guān)系，即確定論域中的每個(gè) 元 素對各個(gè)模糊語言變量的隸屬度函數(shù)。與模糊控制規(guī)則相關(guān)的主要有 ：過程狀態(tài)輸入變量和控制輸出變量的選擇、模糊控制規(guī)則的建立和模糊控制規(guī)則的完整性、兼容性、抗 干 擾性。因此，模糊控制的輸入變量通常取 E或 E 和 EC 或 E、 EC 和 ER，分別構(gòu)成一維、二維、三維模糊控制器。 觀察法 :通過觀察人類控制行為并將其控制的思想提煉出一套基于模糊條件語言類型的控制規(guī)則從而建立模糊規(guī)則庫。 自組織法 :它能在沒有和有很少經(jīng) 驗(yàn)知識的情況下通過觀察系統(tǒng)的輸入輸出關(guān)系建立控制規(guī)則庫。它的 一般形式為 : 基于模糊 PID 控制 的 直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng) 23 A： e is F 式中， e 是模糊變量， F 是一模糊概念所對應(yīng)的模糊集合。 模糊判斷句的形式為 :x 是 a，它的真值 由 x 對模糊集合 A 的隸屬度給出。解決模糊性問題需要用模糊推理。 Mamdani推理法常用的推理形式有如下 3 中 ： “ if A then B”的推理。 “ if A and B then C”的推理。 [10][12] 模糊控制與 PID 結(jié)合 傳統(tǒng) PID 參數(shù)的設(shè) 定一般采用 NieglerNichols 階躍響應(yīng)方法，根據(jù)純滯后時(shí)間和時(shí)間常數(shù)來整定控制器參數(shù)，這種方法一般適用于純滯后時(shí)間和時(shí)間常數(shù)之比在 ~1 之間，借助作圖法進(jìn)行，參數(shù)整定后保持不變，有時(shí)不能滿足要求。 所謂模糊 PID 控制是指運(yùn)用模糊數(shù)學(xué)的基本理論和方法，把規(guī)則的條件、操作用模糊集表示，并把這些模糊控制規(guī) 則和有關(guān)信息作為知識存入計(jì)算機(jī)知識庫中，然后計(jì)算機(jī)根據(jù)控制系統(tǒng)的實(shí)際響應(yīng)情況，運(yùn)用模糊推理，實(shí)現(xiàn)對 PID 參數(shù)的調(diào)整。而模糊控制魯棒性好，能夠較大范圍的適應(yīng)參數(shù)變化。 PID 控制器結(jié)構(gòu)簡單、明確，能滿足大量工 業(yè)過 程的控制要求。當(dāng)電壓 較大時(shí)采用Fuzzy 控制，響應(yīng)速度快，動(dòng)態(tài)性能好 。 模糊 PID控制器的基本形式 模糊 PID 控制器 可 以分成 ：增益調(diào)整型、直 接控制量型和混合型。 增益調(diào)整的另一種形式是基于誤差驅(qū)動(dòng)的模糊 PID 控制器。根據(jù)整定參數(shù)的形式不同，又有模糊自整定 PID 控制器和模糊自校正 PID 參數(shù)控制器兩種形式。圖 33 給出了幾種不同的單元 ，這些結(jié)構(gòu)單 元可 以組成各種形式的模糊 PI/PD/PID 控制器。這種 FuzzyPID 控制比 PID 控制 具 有更快的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，更小的超調(diào)，同時(shí)它比 Fuzzy控制具有更高的穩(wěn)態(tài)精度 。 [25] 雙閉環(huán)調(diào)速模糊 PID 控制器的設(shè)計(jì) 一般情況下，一維模糊控制器用于一般被控對象，由 于這種控制器輸入變量只選一個(gè)誤差，它的動(dòng)態(tài)性能不佳。這或許是目 前人們廣泛設(shè)計(jì)和應(yīng)用二維模糊控制器的原因所在。 轉(zhuǎn)速環(huán)采用簡單的二維模糊控制器 ,其基本結(jié)構(gòu)如圖 34 所 示 。 同理，采用負(fù)大（ NB） 、 負(fù)中 （ NM） 、 負(fù)小 (NS)、 零 (ZO)、 正小 (PS)、 正中（ PM）、 正大 (PB)7 個(gè)模糊控制狀態(tài)描述轉(zhuǎn)速偏差 EC和控制量 U。直流電機(jī)模糊控制規(guī)則總結(jié)如下表 32，一共有 49 條 控制規(guī)則。 EC 在論域 EC*上的單點(diǎn)模糊控制矢量為 EC39。 以 E=6， EC=6 計(jì)算，此時(shí)有 A?=? ?001 ? ， B?=? ?001 ? 。（ B1?C1） =? ?001 ? 表 33 控制表 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 32 圖 36 模糊 PID 控制器 由 PI 控制器與二維模糊控制器并聯(lián)構(gòu)成的混合控制器 ， 其原理可用圖 36來表示。 隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)展，仿真的發(fā)展經(jīng)歷 模擬仿真、混合仿真、數(shù)字仿真的歷史過程。 Simulink 是 MathWorks 公司于 1990 年推出的產(chǎn)品，是用于 MATLAB 下建立系統(tǒng)框圖和仿真的環(huán)境 。系統(tǒng)也能夠是多采樣頻率的 (Multirate)，也就是不同的系統(tǒng)能夠以不同的采樣頻率結(jié)合起來。另外， Simulink 還提供一套圖形動(dòng)畫的處理方法，使用戶可以方便地觀察到仿真的整個(gè)過程。同時(shí)，在右邊會(huì)打開該模塊的子窗口，用于選擇需要的模塊。激活 Simulink(如前所述 )。激活線性單元 模塊組 Linear，選中所需要的單 元 圖標(biāo)，如求和器等，將它拖入新打開的用戶文件窗口的空白處釋放。在用戶文件窗口上，用鼠標(biāo)在各拖入的單 元 之間作連 線。 [5][11] 基于模糊 PID 控制 的 直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng) 35 建立仿真模型 傳統(tǒng) PID控制的直流雙調(diào)速系統(tǒng)仿真 (1)打開 MATLAB 中的 Simulink 工具箱，將所需模塊拖入模型編輯窗口并將