雙閉環(huán)模糊控制直流調(diào)速系統(tǒng)仿真模型設(shè)計(畢業(yè)論文)(編輯修改稿)
2024-11-12 07:41 本頁面
【文章內(nèi)容簡介】 載從空載到額定負載下的電機轉(zhuǎn)速降落與理想空載轉(zhuǎn)速之比，它反映系統(tǒng)在負載變化下的相對穩(wěn)定度。 動態(tài)性能指標包括 反映系統(tǒng)響應(yīng)給定作用性能 的跟隨性能指標和 反映系統(tǒng)抵抗 擾動 性能 的抗擾性能指標。 在 某 給定 ()tR 的作用下，系統(tǒng)輸出量 ()tC 的 響應(yīng)可用 跟隨性能指標來描述。不同的給定作用， 輸出響應(yīng)也不一樣。 一般 以 零初始條件下 階躍 給定 下的 輸出響應(yīng) 過程作為典型的跟隨過程 （ 階躍響應(yīng) ） 。階躍響應(yīng)跟隨性能指標 包括 上升時間、超調(diào)量和調(diào)節(jié)時間： 一般 以系統(tǒng) 穩(wěn)態(tài) 運行中，突加階躍擾動后的 響應(yīng) 過程作為典型的抗擾 過渡過程來 定義抗擾動態(tài)性能指標， 主要的 抗擾性能指標 包括 動態(tài)降落和恢復時間 。 在 實際系統(tǒng)中 ， 對于各種動態(tài)指標的要求各不 相 同， 需 根據(jù)生產(chǎn)機械的具體要求而定。一般來說，調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)指標以抗擾性能為主。 雙環(huán)系統(tǒng)具有優(yōu)良的動靜態(tài)特性。在轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器未飽和情況下，雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)表現(xiàn)為轉(zhuǎn)速無靜差，在轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和情況下，雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)表 第 7頁（共 32頁） 現(xiàn)為電流無靜差。除了具有非常好的跟隨性能之外，雙環(huán)系統(tǒng)的抗擾性能，特別是抗電網(wǎng)電壓擾動的性能大大優(yōu)于單環(huán)系統(tǒng)。 三、 模糊控制雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)建模 設(shè)計任務(wù) 某晶閘管供電的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)，整流裝置采用三相橋式電路，基本數(shù)據(jù)如下： 直流電動機： 220V， 136A， 1460r/min,eC = min/r,允許過載倍數(shù) ?=； 晶閘管裝置放大系數(shù)： sK =40； 電樞回路總電阻： R=? ； 時間常數(shù)： lT =， mT =； 三相橋式電路的平均失控時間： sT =； 電流調(diào)節(jié)器超前時間常數(shù)： s? ? ； 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器超前時間常數(shù)： s? ? ； 電流濾波時間常數(shù)： oiT =； 轉(zhuǎn)速濾波時間常數(shù)： onT =； 轉(zhuǎn)速反饋系數(shù) ? = min/r（ ? 10V/ Nn ） 要求建立模糊控制雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)仿真模型并對仿真結(jié)果進行分析。 第 8頁（共 32頁） 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu) 圖 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖 oiT 電流反饋濾波時間常數(shù) onT 轉(zhuǎn)速反饋濾波時間常數(shù) 建立 仿真模型的 基本 操作 當打開 MATLAB 軟件時 ， 就會出現(xiàn) MATLAB 的軟件界面，然后點 擊 MATLAB 命令窗口工具欄中 從左到右第 8 個 圖標 ， 這樣就能 進入 SIMULINK 窗口。 但是因為MATLAB 的版本有很多， 版本不同，版本的模塊瀏覽器的表示形式 就會不一樣 ，但 是這并 不影響 MATLAB 軟件的 基本功能的使用。如圖 所示。 1） 打開模型 的 編輯窗口： 用鼠標左鍵 單擊工具欄中 建立 新模型的圖標 ，也可以 在菜單中 選擇 File→ New→ Model 這幾 項 都 能 進入 模型編輯窗口 。 2） 復制相關(guān)模塊： 首先 雙擊 建立仿真模型需要的 子模塊庫圖標， 這樣就能打開它 ， 然后 選中 仿真要用到的 子模塊， 最后將 子模塊 拉進 模型編輯窗口 中 。 在本次仿真 模型設(shè)計 中，需要的子模塊有： Source 組中的 Step（階躍輸入）；Math Operations 組中的 Sum（加法器）模塊和 Gain（增益）模塊； Continuous組中的 Transfer Fen（控制器）模塊和 Integrator（積分）模塊； Sinks 組中的 Scope（示波器）等。 第 9頁（共 32頁） 圖 SIMULINK 模塊瀏覽器窗口 3） 修改 SIMULINK 中 模塊參數(shù)： 用鼠標左鍵 雙擊模塊圖案， 就會 彈出 關(guān)于該圖案的對話框， 然后 通過修改對話框 里面的 內(nèi)容來 進行 設(shè)定模塊的參數(shù)。 具體 的 操作 步驟是：首 先 用鼠標左鍵 雙擊 Sum 模塊，打開如圖 話框， 然后 在 List of Signs 欄目 中，擁有 加法器三路輸入的符號，其中 |表示該路沒有信號。本次仿真需要用到減法器，就用 |+取代原來的 |++符號。 為了讓圖形 變得美觀和整潔， 有時候需要旋轉(zhuǎn)加法器三路輸入符號， Ctrl+I 是將模塊旋轉(zhuǎn) 180 度， Ctrl+R 是將模塊旋轉(zhuǎn) 90 度，還有可以改變 |+它 們 三個 的位置，這樣就能保證仿真模型中不會 因為加法器而 出現(xiàn)太多彎線條，使仿真模型看起來比較工整。 第 10 頁（共 32頁） 圖 加法器模塊對話框 用鼠標左鍵 雙擊 Transfer F 模塊，則將 打開 如圖 窗口 ， 其中Numerator 為 分子 和 Denominator 為分母 。 圖 傳遞函數(shù)模塊對話框 第 11 頁（共 32頁） 用鼠標左鍵 雙擊 Step 模塊 ，就 可以把 Step time（階躍時間）從默認的 1改到 0。 本次仿真，需 要 將 階躍時間從默認值 1改到 10， 階躍輸入模塊對話框如圖 。 圖 階躍輸入模塊對話框 用鼠標左鍵 雙擊 其中的 Gain 模塊， 則將 打開如圖 ，在 模塊 Gain 欄目中填寫所需要的放大系數(shù)。 圖 Gain 模塊對話框 第 12 頁（共 32頁） 用鼠標左鍵雙擊其中的 Integrator模塊 ，則將 打開如圖 ，選擇 Limit output 框， 然后 它 下面 就填寫積分飽和值的范圍。 圖 Integrator 模塊對話框 4） SIMULINK 的 模塊連接： 以 鼠標左鍵單擊 起點 模塊 的 輸出端， 拖動 鼠標 至終點模塊輸入端處 ， 則在兩模塊之間產(chǎn)生→線。 如果 一 條連接線要分為幾條 ， 那么 就 應(yīng)該在模型中畫 分支線 。首先 把 電腦 的光標 滑 動到分支線上 起點處 ； 然后 按 住 鼠標的右鍵， 當 看到 光標 從箭頭 變?yōu)槭中?時 ， 滑 動鼠標 到你想要連接的模塊輸入端 ， 其他的幾個也是這樣操作， 這 就是分支線的繪制 過程 。 一維模糊控制 雙閉環(huán) 直流調(diào)速系統(tǒng) MATLAB 仿真 模型 （ 1）一維模糊 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 和 電流調(diào)節(jié)器的仿真模型 一維模糊 ASR轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 的仿真模型如圖 和圖 示。 第 13 頁（共 32頁） 圖 一維模糊 ASR轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 一維模糊 ACR電流調(diào)節(jié)器 的仿真模型如圖 圖 一維模糊 ACR電流調(diào)節(jié)器 根據(jù)一維模糊控制器圖 和圖 所示 ，可以看出一維模糊控制就是在傳統(tǒng) PID 控制器上添加一個模糊邏輯控制器，把傳統(tǒng) PID 輸入信號進行模糊化。 其中傳統(tǒng) PID 控制器部分如圖 所示 。 圖 傳統(tǒng) PID 控制器部分 第 14 頁（共 32頁） 由于傳統(tǒng) PID 控制的傳遞函數(shù) W（ s） = 1()sKs???= 1KKs???。 根據(jù)一維模糊控制器圖 和圖 所示可以看出，模糊控制器的傳遞函數(shù)就是 W（ s） = 1()sKs?? ??。 從上述公式 進一步看出， 雙閉環(huán) 模糊控制 直流調(diào)速系統(tǒng) 就是對 雙閉環(huán) 傳統(tǒng) PID 控制 控制直流調(diào)速系統(tǒng) 的比例部分進行 模糊化，然后經(jīng)過模糊控制規(guī)則， 將 輸出 信號 精確 化 。 下面是一維模糊邏輯控制器 ACR 的部分圖形，如圖 所示。 圖 一維模糊邏輯控制器 ACR 的部分圖形 其中圖 的中間是 模糊邏輯控制器，模糊邏輯控制器就是在這個編輯器中將輸入信號模糊化，在經(jīng)過模糊規(guī)則處理后輸出精確信號。而實現(xiàn)這個過程就要用到 FIS 編輯器，因為模糊邏輯控制器里面的的輸入、輸出和模糊規(guī)則等都要在 FIS 編輯器里面進行 設(shè)計，只有在 FIS 編輯器里面設(shè)計正確了，這個模糊邏輯控制器才能成功運行。 圖 左邊 的 Gain 模塊所起的作用和圖中的名字一樣，叫做量化因子，他的功能就是將輸入信號的 原來的 范圍 縮小到模糊邏輯控制器所設(shè)置的范圍之內(nèi)，這樣，仿真需要的模糊邏輯控制器一個就足夠了。例如，本次仿真設(shè)計的中有 一維模糊 ASR轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 ， 一維 模糊 ACR電流調(diào)節(jié)器 兩個，如果不用量化因子將輸入信號的范圍縮小，那么就會建立兩個模糊 邏輯 控制器，這樣不僅增加了本次雙閉環(huán)模糊控制直流調(diào)速系統(tǒng) 仿真模型設(shè)計的難度，模型太多也更加容易出錯，所以這個量化因子的添加是非常必要的。 圖 右 邊的部分是由于 模糊 邏輯 控制器 的輸出范圍和 模糊控制器規(guī)則的建立有關(guān)而添加的。根據(jù)添加前的仿真模型仿真，那么輸出信號的范圍是 （ 0 2），但是在 FIS 編輯器中建立模糊控制器規(guī)則表 的時候，輸出信號只在正數(shù)范圍不好表示，于是 就在 FIS 編輯器中建立模糊控制器規(guī)則表時范圍自己設(shè)計，然后用圖 第 15 頁（共 32頁） 右邊的部分將輸出信號的范圍調(diào)整到模型要求的范圍中來。 如果圖 邊的部分把它去掉，那么 模糊控制器規(guī)則表 的 建立將會遇到不知道怎樣表 述的困難。 （ 2） 一維模糊控制器規(guī)則表 根據(jù)推理的合成規(guī)則 得到模糊控制量 U? 經(jīng)模糊決策，清晰化得到精確控制量 U? 。 為方便起見，設(shè)輸入輸出的語言變量值相同，分別為 負大、負中、負小、零、正小、正中、正大，用英文字母表示為 NB、 NM、 NS、 Z、 PS、 PM、 PB。及 E的
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