【正文】 ................ 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(jì) ......................... 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(yàn)規(guī)則 )R................. 28 設(shè)計(jì)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 )........................ 31 第 4 章 系統(tǒng)仿真 ................................................ 32 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） IV 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 ..................................... 34 創(chuàng)建結(jié)構(gòu)圖文件 .................................... 34 結(jié)構(gòu)圖程序設(shè)計(jì) .................................... 34 Simulink 仿真的啟動與停止 ......................... 34 建立仿真模型 ........................................... 35 傳統(tǒng) PID 控制的直流雙調(diào)速系統(tǒng)仿真 .................. 35 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 .............................................. 40 超調(diào)量，穩(wěn)態(tài)靜差分析 ................................... 40 快速性分析 ............................................. 41 抗負(fù)載擾動分析 ......................................... 42 魯棒性分析 ............................................. 43 結(jié)論 ................................................... 44 第 6 章 結(jié)束語 .................................................. 45 致 謝 .......................................................... 46 參考文獻(xiàn) ....................................................... 47 基于模糊 PID 控制 的 直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng) 1 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(jī)械要求能實(shí)現(xiàn)自動調(diào)速。 這樣，一方面可得到平滑的制動特性 。晶閘管變流裝置的放大倍數(shù)在 10000 以上，比機(jī)組 (放大倍數(shù) 10)高 1000 倍，比汞弧變流器 (1000)高 10 倍 。 (2)改變電機(jī)主磁通 ?，只能減弱磁通，使電動機(jī)從額定轉(zhuǎn)速向上變速，屬 恒功率調(diào)速方法，動態(tài)響應(yīng)較慢，雖能無級平滑調(diào)速，但調(diào)速范圍小 。并且，調(diào)速范圍和靜差率這兩項(xiàng)指標(biāo)并不是彼此孤立的，必須同時提才 有意義。 a)動態(tài)降落△ Cmax% 基于模糊 PID 控制 的 直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng) 5 系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行時，突加一個約定的標(biāo)準(zhǔn)負(fù)擾動量，在過度中引起的輸出量 最大降落值△ Cmax 做動態(tài)降落，用輸出量原穩(wěn)態(tài)值 C∞ 1 的百分?jǐn)?shù)表示，系統(tǒng)動態(tài)降落后又重新恢復(fù)，達(dá)到新的穩(wěn)態(tài)值 C∞ 2,用 (C∞ 1─ C∞ 2)表示靜差。因此被控制對象的參數(shù)變化與非線性特性 ,使得 PID 控制器的參數(shù)往往難以達(dá)到最優(yōu)狀態(tài) ,而且參數(shù)的一成不變也 難以跟隨現(xiàn)場的動態(tài)變化。為了提高生產(chǎn)率和加工質(zhì)量，要求盡量縮短過渡過程時間。圖中， ASR 和 ACR 均為比例積分調(diào)節(jié)器，其輸出均設(shè)有限幅電路。由于 ACR 為 PI 調(diào)節(jié)器，穩(wěn)態(tài)時，其輸入偏差電壓 ?Ui= ?Ui*+Ui= ?Ui*+?Id=0， 即 Id=Ui*/?。當(dāng) n?Un*/?時，其自動調(diào)節(jié)過程為： 負(fù)載 ↑→n↓→?Un=(Un*??n)↑→|Ui*|↑? 0? |?Ui|↑→Uct↑→Ud↑→n↑最終保持轉(zhuǎn)速穩(wěn)定。但由于轉(zhuǎn)速環(huán)是外環(huán)，起主導(dǎo)作用，而電流環(huán)的作用只相當(dāng)轉(zhuǎn)速環(huán)內(nèi)部的一種擾動作用而已，只要轉(zhuǎn)速環(huán)的開環(huán)放大倍數(shù)足夠大，最終靠 ASR 的積分作用，可消除轉(zhuǎn)速偏差。由調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖可以看出，負(fù)載擾動作用 (IdL)在電流環(huán)之后，和單環(huán)調(diào)速系統(tǒng)一樣，只能靠轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器來抑制；但電流環(huán)改造畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 12 了環(huán)內(nèi)的傳遞函數(shù)，更有利于轉(zhuǎn)速外環(huán)的控制。 ③其輸出限幅值決定允許的最大電流 。三種不同形式的控制作用組合用來跟蹤被控對象的不同變化速度，使調(diào)節(jié)系統(tǒng)的動態(tài)誤差更小。 在工業(yè)過程中，被控對象數(shù)學(xué)模型已 知的情況下，應(yīng)用 PID 的 3 種控制作用的控制效果正確調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)器的各個參數(shù)，可以獲得比較滿意的控制效果。 動態(tài)指標(biāo)：電流超調(diào)量 ?i%≤5%，轉(zhuǎn)速的跟隨性與抗干 擾性都非常好。 3)小時間常數(shù)近似處理?xiàng)l件： Wci ≤ 13 1TsToi 131TsToi = 13 1? =?Wci， 滿足近似條件。模糊理論因?yàn)槠溥m合于人類的自然思維方式，成為了人 工 智能的重要研究方向，世界各國的科學(xué)家們圍繞模糊理論開展了 廣泛的研究，從而推動了模糊理論的迅速發(fā)展。模糊控制就是建立在人類思維模糊性的基礎(chǔ)上的。它有一整套和傳統(tǒng)控制 方法完全不同的理論和方法。它不用建立數(shù)學(xué)模型，根據(jù)實(shí)際系統(tǒng)的輸入輸出結(jié)果數(shù)據(jù)，參考 現(xiàn)場操作人員的操作運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，就可對系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時控制。 應(yīng)著重指出，所謂模糊控制，既不是指被控對象是模糊的，也不是指控制器是不確定的，它是指在表示知識、概念上的模糊。 比較常使用的模糊化方法是將基本論域分為 n 檔，即取變量的模糊子集論域?yàn)?： {n， n+1， ?， 0， ?， n1， n} 從基本論域 [a,b]到模糊子集論域 [n,+n]轉(zhuǎn)換公式為 : y=2n/(ba)[x(a+b) /2] （ 31） 一般選擇模糊論域中所含 元 素為模糊詞集總數(shù)的二 倍 以上，確保模糊集能較好的覆蓋論域，避免出現(xiàn)失控現(xiàn)象。人對誤差最敏感，其次是誤差的變化，再次是誤差變化的速率。 在模糊控制中，被控對象的模型是運(yùn)用多個控制規(guī)則來描述的。 模糊陳述句是相對于具有清晰概念的一般陳述句而言。 Mamdani 推理法是一種在模糊控制中普遍使用的方法，它實(shí)質(zhì)上是一種 CRI 法。這是因?yàn)樵诖罅康哪：刂浦校坏紤]給定值和實(shí)際值所形成的誤差，同時還要考慮誤差的變化率。而模糊控制使用自然語言方法，控制方法易于掌握，不需要精確的被控對象的數(shù)學(xué)模型 ； (4)PID 控制不具有自適應(yīng)控 制能力，對于時變、非線性系統(tǒng)控制效果不佳，當(dāng)系統(tǒng)參數(shù)發(fā)生變化時，控制性能會產(chǎn)生較大的變化，控制特性可能變壞，嚴(yán)重時可能導(dǎo)致系統(tǒng)的不穩(wěn)定 。主要的問題是合理地獲得 PID參數(shù)的模糊校正規(guī)則，其實(shí)質(zhì)是一種以模糊規(guī)則調(diào)節(jié) PID 參數(shù)的自適應(yīng)控制，即在一般 PID 控制系統(tǒng)基礎(chǔ)上，加上一個模糊控制規(guī)則環(huán)節(jié)。由 于這些性能指標(biāo)需要一個完整控制過程得到，該類控制器 可 以用于自整定或自適應(yīng)方式對增益進(jìn)行動態(tài)調(diào)整。由于各單元 在控制作用上的不完全等效， 可以認(rèn) 為每個單元 是獨(dú)立的。除此之外，還有許多形式的混合型模糊 PID 控制器，這里就不在一一 介紹。 根據(jù)經(jīng) 典的直流電動機(jī)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu) ,考慮到外環(huán)轉(zhuǎn)速環(huán)是決定控制系統(tǒng)的根本因素 ,而內(nèi)環(huán)電流環(huán)主要起改變電機(jī)的運(yùn)行特性以利于外環(huán)控制的作用 ,故現(xiàn)將轉(zhuǎn)速環(huán)用模糊控制器來代替 ,內(nèi)環(huán)仍采用傳統(tǒng)的 PI 控制 器 。 設(shè)雙輸入、單輸出系統(tǒng)的控制規(guī)則可表述為 : 基于模糊 PID 控制 的 直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng) 29 IF A and B Then C 如： IF E=NB and EC=NB Then U=NB 根據(jù) 模糊控制規(guī)則表的基本思想，結(jié)合模糊控制 結(jié)構(gòu)決定的兩個輸入 量 E、EC 和一個輸出量 U，對人們 調(diào)試直流電機(jī)過程中大量 的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)去偽存真、去粗存精，從中積累總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，形成電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的模糊控制規(guī)則。R （ 34） 由式 (34)可以計(jì)算出不同誤差和誤差變化率值時輸出量所對應(yīng)的模糊向量。 對所求的輸出量模糊集合進(jìn)行清晰化計(jì)算得 Uf =df(U)= )4()()6(1 ?? ??????? = ? 按同樣的步驟，可以計(jì)算出當(dāng) E、 EC 為其他組合時的輸出量 見表 33。它將不同數(shù)學(xué)分支的算法以函數(shù)的形式分類成庫，使用時直接調(diào)用這些函數(shù)并賦予實(shí)際參數(shù)就可以解決問題，快速而且準(zhǔn)確。 Simulink 模型可以用來模擬線性或非線性、連續(xù)或離散或者兩者混合系統(tǒng) ,也就是說它可以用來模擬幾乎所有可遇到的動態(tài)系統(tǒng)。具體操作為 ： [14] Simulink 的啟動與界面說明 啟動 Simulink 在 Matlab 命令平臺上鍵入命令 : Simulink 就能進(jìn)入 Simulink 仿真環(huán)境的子窗口。從名字上看，立即就能看出該程序有兩層含義，首先， Simu39。 [14][26][28] PI 控 制器的參數(shù)由工程設(shè)計(jì)方法確定， 由圖得模糊 PID 控制器輸出 ui*為 ： ui* = ui + uf (35) ui = Ki?i ie (36) uf = f(e,ec) (37) 第 4 章 系統(tǒng)仿真 Matlab/Simulink 簡介 計(jì) 算機(jī)是一種解算工具。 對于表32 第一行第一列的規(guī)則 ， 若 E=NB and EC=NB ThenU=NB 則 可得 ANB= ? ? ?， BNB= ? ? ?，CNB=? ? ? R1A=A1?C1=????????????????????001??? ? ?=????????????????????0000000000??????????? C?1A=A? 表 32 模糊控制規(guī)則表（ U） 設(shè)計(jì)模糊推理關(guān)系 由模糊數(shù)學(xué)知識可知，雙輸入、單輸出控制系統(tǒng)的模糊關(guān)系為 : Ri=AiBiCi （ 32） R=?ni iR1?= ? ??ni iii CBA1? ?? （ 33） 由上述表 3２ 所得的 49條控制規(guī)則，可以得出 49個 16913矩陣，由式 (33)求并集，得出模糊關(guān)系矩陣 R。 輸入量為直流電機(jī)給定電壓與反饋電壓的偏差 E 以及偏差的變化率 EC， 用 E 的導(dǎo)數(shù)來表示輸出取為控制量 U。 目 前被廣泛采用的為二維模糊控制器，這種控制器以誤差和誤差變化為輸入變量，以控制的變化為輸出變量。 圖 33 模糊 PID 控制器的結(jié)構(gòu)單元 混合型模糊 PID 控制器 混合型模糊 PID 控制器 可以有各種形式出現(xiàn)。規(guī)則形式 ： If(e is? )and(?e is? )then(?KP 或 KP is? )and(?KI 或 KI is? )and(?KD或 KD is? ) 該類控制器的 PID 增益參數(shù)是誤差 e 和誤差變化 ?e 的非線性函數(shù)。當(dāng) 電壓 較小時采用 PID 控制，使其靜態(tài)性能好，滿足系統(tǒng)精度要求。 模糊模型使用模糊語言和規(guī)則描述一個系統(tǒng)的動態(tài)特性及性能指標(biāo)?，F(xiàn)代 PID 參數(shù)的整定朝自整定方向發(fā)展，常見的方法有 : (1)專