【文章內(nèi)容簡介】 則設(shè)計簡單，便于利用。 2) 適用于數(shù)學(xué)模型難以獲取、動態(tài)特性不易掌握或變化非常顯著的對象。 模糊 PID 控制在直流調(diào)速系統(tǒng)中的應(yīng)用 3) 容易被人們所接受。依據(jù)專家或者是操作者的多年的經(jīng)驗來制定容易被人接受的模糊規(guī)則，然而這些規(guī)則便是控制的核心內(nèi)容。所制定的規(guī)則 會特別容易的就被人類接受和理解。例如“小明很饑餓，則小明要多吃一些飯。” 4）它反映出人類的思維。 模糊控制運用模糊量，例如“長短”“高矮”“胖瘦”“輕重”“大小”反映人類的思維 。 模糊控制器的基本結(jié) 構(gòu) 在理論上講，模糊控制器由 N 維關(guān)系 R 表示。關(guān)系 R 可視作受制于 ]11[?區(qū)間內(nèi) N 個變量的函數(shù)。 r 是幾個 N 維關(guān)系的組合，每個 ir 代表一條規(guī)則ir ： THENIF ??? 。控制器的輸入 x 被模糊化為一維關(guān)系 X ，對于多輸入多輸出控制時， X 為 )1( ?N 維。模糊輸出 Y 可以應(yīng)用合成推理規(guī)則進行計算。當(dāng)對 Y 進行解模糊，便可以得到一個精確的輸出數(shù)值 y 。圖 便是具有輸入輸出的理論模糊控制器的原理框圖 。 模 糊 化Y = X 。 R模 糊 判XY yx 圖 理論模糊控制器的原理框圖 模糊控制器需要解決的三大問題 ]6[ 1) 第一個問題是 怎么樣 把確定量轉(zhuǎn)化為 與之相對應(yīng) 的模糊量。 2) 第二個問題是模糊控制規(guī)則形成和推理。 3) 第三個問題是 怎么樣 把模糊量轉(zhuǎn)換為 與之相 對應(yīng)的確定量。 從以上的 三個問題可以知道，模糊控制器的設(shè)計需要解決的問題就是模模糊 PID 控制在直流調(diào)速系統(tǒng)中的應(yīng)用 糊化過程、知識庫、推理決策和精確化 。 模糊控制器的三大模塊庫 ? 模?；? 將模糊控制器輸入量的確定值轉(zhuǎn)換為相應(yīng)模糊語言變量 ? 模糊推理 將已有的控制經(jīng)驗和輸入變量作為設(shè)計的理論依據(jù) ， 通過 模糊變換 得出 新的模糊 經(jīng)驗 作為結(jié)論 ? 清晰化 將模糊推理后得到的模糊集轉(zhuǎn)換為用作控制的數(shù)字值 模糊化的具體步驟 ]12[ 1)根據(jù)確定數(shù) 錯誤 !未找到引用源。 及量化因子 錯誤 !未找到引用源。 求 錯誤 !未找到引用源。 在基本論域上的量化等級 錯誤 !未找到引用源。 。 2)查找語言變量 E 的賦值表，找出 錯誤 !未找到引用源。 在與最大隸屬度對應(yīng)的模糊集合，該模糊集合就代表確實數(shù) 1e 的模糊化結(jié)果。 模糊化過程主要完成測量輸入的變量值，并將數(shù)字表示形式的輸入量轉(zhuǎn)化為通常語言值表示形式的隸屬度函數(shù)值 。 模糊 PID 控制在直流調(diào)速系統(tǒng)中的應(yīng)用 圖 模糊化 對于一個測量值可以對應(yīng) 2 個以上的模糊子集，即可以隸屬于“中”，也可以隸屬于“大”，知識隸屬的程度不同而已。圖 給出了模糊化過程的結(jié)果，即測量值 x 隸屬于“中”的程度為 ，隸屬于“大”的程度為。為了使得任意物理量輸入 x 都能夠映射到模糊集系統(tǒng)中去，即在所有論域內(nèi)的輸入量都可以與某一模糊子集相對應(yīng)，模糊子集的數(shù)目和范圍必須遍及整個論域。每一個物理輸入量至少一個模糊子集的隸屬度必須大于零。模糊化過程主要任務(wù)是定義域內(nèi)所有的語言值的隸屬度函數(shù)。 精確化的過程 通過模糊推理 可以 得到一個模糊集合或者是一個隸屬度函數(shù)，但是在控制系統(tǒng)中， 只能是由 確定值去控制驅(qū)動結(jié)構(gòu)。 在推理得到的模糊集 合中取一個最佳代表的這個過程就被稱為精確化過程。 常用的精確化過程的方法主要有三種： 1） 最大隸屬度法 2） 重心法 3） 加權(quán)平均法 模糊 PID 控制在直流調(diào)速系統(tǒng)中的應(yīng)用 其實精確化的算法還有左取大、右取大、去大平均等。 根據(jù)隸屬度函數(shù)的形狀、推理方法選擇合適的精確化計算方法。 邏輯推理 在模糊控制中最主要的是建立合適正確的模糊控制規(guī)則表。為了 實現(xiàn)模糊控制的 控制效果達(dá)到最佳狀態(tài) ，就必須研究不確定性推理的規(guī)律 ，而模糊邏輯推理就是主要研究不確定性推理的重要方法之一 。 扎德 于 19721974 年間系統(tǒng)的建立了模糊邏輯理論， 提出了模糊限定詞、語言變量、語言變量、語言真值和近似推理等概念，制定了模糊推理的規(guī)則，為模糊推理奠定了基礎(chǔ)。模糊邏輯原則上是一種擬人思維，要用從 01 之間的確切數(shù)值一個模糊命題的真假程度，有時候是很困難的，人們在日常生活中交流信息用的大多數(shù)是自然語言，而這種自然語言是用充滿了不確定性的描述來表達(dá)具有模糊性的現(xiàn)象和事物。自然語言的模糊性是由于使用率大量的模糊化詞來組成自言語言。因此， 從理論上講 ，一切具有模糊性的語言都 可以 稱為模糊語言，在不同的條件下一種模糊概念可以代表不同的含義 。 通常推理方法都是很嚴(yán)格的，而 二值推理只需要有確定的小前提，則一定會得出確定的結(jié)果。例如，前提：如果 A，則 B:如果 B,則 C。結(jié)論：如果A，則 C?？墒牵谏钪?，人們得到的信息卻不是精確的，反而大多數(shù)都是模糊的，或者事實本身就很模糊。 模糊推理常用的四種方法 （ 1） Mamdani 模糊推理方法 （ 2） Larsen 模糊推理的方法 模糊 PID 控制在直流調(diào)速系統(tǒng)中的應(yīng)用 （ 3） TakagiSugeno 模糊推理算法 （ 4） Tsukamoto 模糊推理算法 在本次設(shè)計中，主要選擇 Mamdani 模糊推理方法 ， Mamdani 模糊推理 是模糊控制中普遍使用的方法，它本質(zhì)上是一種合成推理方法。 語言變量值的選取 根據(jù)系統(tǒng)控制精度的要求不同，誤差、誤差變化率和控制量的變化量，可以選擇 3 個， 7 個， 8 個等級甚至更多。分為 3 個等級：大、中、小。如果分為 7 個等級，則常選用正大、正中、正小、零、負(fù)小、負(fù)中、負(fù)大等 7個語言變量值，在本論文中，用一下 7 個變量 NB、 NM 、 NS 、 ZE 、 PB 、PM 、 PS 來表示語言變量。 3 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的仿真 直流電機 系統(tǒng)采用控制的主要原因 由于 PID 控制 用途廣泛、使用靈活 ， PID 系列 的 產(chǎn)品 已經(jīng)快要到 成熟 的地步 。 而且 PID 控制結(jié)構(gòu)簡單，所以 PID 控制器 只需對 比例 、 積分 和 微分 3個 錯誤 !未找到引用源。 參數(shù)的 進行 設(shè)定 。有的時候在系統(tǒng)控制中也可以只有兩個參數(shù)，但是 不管怎么操作它的比例控制單元是不可或缺的 ，那么我們有以下三個主要原因使用 PID 控制來對電機進行控制。 1)PID 應(yīng)用 范圍廣 雖然許多工業(yè)過程是時變的或非線性 的 ，但是我們只需通過對 它 進行簡化就可以 改變 成動態(tài)特性不隨時間變化和基本線性的系統(tǒng)，這樣 就可以 達(dá)到模糊 PID 控制在直流調(diào)速系統(tǒng)中的應(yīng)用 PID 的可 控制 。 2) PID 參數(shù)較易整定 PID 的 參數(shù) pK ， 錯誤 !未找到引用源。 和 錯誤 !未找到引用源。 可以根據(jù) 控制 過程的動態(tài)特性及時 進行參數(shù) 整定。如果 在控制 過程 中 動態(tài)特性變化， 比如在電機運行過程中 由負(fù)載的變化 而 引起系統(tǒng)動態(tài)特性變化，那么 ，PID 參數(shù)就可以重新整定。 3)PID 控制器在實踐中也不斷地得到改進 在科技不斷進步的同時， PID 控制器也在不斷地升級和完善 。 PID 控制器 也逐步發(fā)展為 最簡單 、 最 實用 的控制器。 系統(tǒng)采用控制主要解決的問題 ]4[ 1) 啟動的快速性問題 由于 PI 調(diào)節(jié)器 具有 非線性 的 特性， 所以在電機性能容許的情況下，讓電機起動的速度加快。在系統(tǒng) 調(diào)節(jié) 的 過程中，比例環(huán)節(jié) 在 反映速度控制過程中的偏差 的同時還可以 自動 按照 比例 進行 調(diào)節(jié)， 在最短的時間內(nèi) 減小偏差 。雖然比例環(huán)節(jié)可以減小偏差但還會產(chǎn)生靜差，此時可以加入 積分環(huán)節(jié)來消除靜差，而 積分環(huán)節(jié)作用的強弱 主要 取決于積分時間常數(shù) T 的大小 ， T 越大積分作用越弱 ，反之積分作用就越弱。 2） 提高系統(tǒng) 的 抗擾性能 在設(shè)計中轉(zhuǎn)速環(huán)和電流環(huán)的設(shè)計都應(yīng)用 PI 調(diào)節(jié)器，如果系統(tǒng)中加入 PI調(diào)節(jié)器，就可以提高系統(tǒng)的抗干擾性能，還可以對于電網(wǎng)電壓以及負(fù)載轉(zhuǎn)矩的波動產(chǎn)生的擾動進行抑 制和調(diào)節(jié)，而且還可以加快調(diào)節(jié)時間。 模糊 PID 控制在直流調(diào)速系統(tǒng)中的應(yīng)用 電機參數(shù)的選取和計算 在本次設(shè)計中，設(shè)計指標(biāo)定為電流 的 超調(diào)量 為 %5?i? ，空載起動到額定轉(zhuǎn)速時的轉(zhuǎn)速 的 超調(diào)量 為 %10?n? 。過載倍數(shù) ?? ，取電流反饋濾波時間常數(shù) sToi ? ，轉(zhuǎn)速反饋濾波時間常數(shù) sTon ? 。取轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器的飽和值為 V12 ，輸出限幅值為 V10 ，額定轉(zhuǎn)速時轉(zhuǎn)速給定VUn 10?? 。仿真觀察系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速 、 電流響應(yīng)和設(shè)定參數(shù)變化對系統(tǒng)響應(yīng)的影響 ]11[ 。 搭建模型 在本次設(shè)計中 主要使用 MATLAB 中 Power System 模塊來搭建直流電機模型。主回路部分、交流電源、晶閘管整流器 、 觸發(fā)器、移相控制環(huán)節(jié)和電動機等環(huán)節(jié)使用 Power System 模型庫的模塊?？刂苹芈返闹黧w是轉(zhuǎn)速和電流兩個調(diào)節(jié)器，以及反饋濾波環(huán)節(jié)，將這幾部分拼接起來，即組成了晶閘管電動機轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)控制直流調(diào)速系統(tǒng)的仿真模型 ]11[ 。 雙環(huán)的設(shè)計 ]4[ 在本次設(shè)計中主要遵循轉(zhuǎn)速外環(huán)，電流內(nèi)環(huán)的原則。先設(shè)計電流環(huán)，再設(shè)計轉(zhuǎn)速環(huán)。電流截止負(fù)反饋環(huán)節(jié)只能限制電流的沖擊，避免出現(xiàn)過電流的現(xiàn)象。而在轉(zhuǎn)速負(fù)反饋控制中，系統(tǒng)的被調(diào)節(jié)量是轉(zhuǎn)速，所檢測的誤差也是轉(zhuǎn)速。所以在直流電機的調(diào)速系統(tǒng)中只用一個調(diào)節(jié)器很難實現(xiàn)對轉(zhuǎn)速和電流的控制，所以必須選用兩個調(diào)節(jié)器，把轉(zhuǎn)速環(huán)定為外環(huán)，電流環(huán)為內(nèi)環(huán)。在設(shè)計時需要將電流調(diào)節(jié)器串接在轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的后面，這樣就可以形成以轉(zhuǎn)速環(huán)作為外環(huán)、電流環(huán)作為內(nèi) 環(huán)的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)。 模糊 PID 控制在直流調(diào)速系統(tǒng)中的應(yīng)用 在電機起動和制動的過程中，剛開始電流環(huán)開始運行并保持系統(tǒng)的電流，在一定的范圍內(nèi)減小過渡過程的時間。當(dāng)系統(tǒng)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速到達(dá)給定轉(zhuǎn)速時，系統(tǒng)就會自動進入轉(zhuǎn)速控制的方式，此時轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制開始起主導(dǎo)作用，而電流內(nèi)環(huán)起跟隨作用，