【文章內(nèi)容簡介】 速發(fā)電機(jī) TA電流互感器 UPE電力電子變換裝置 *nU 轉(zhuǎn)速給定電壓 nU 轉(zhuǎn)速反饋電壓 *iU 電流給定電壓 iU 電流反饋電壓 為了 使轉(zhuǎn)速環(huán)和電流環(huán)的兩種負(fù)反饋都能起作用，故在系統(tǒng)中設(shè)置了兩個(gè)調(diào)節(jié)：基于模糊 PID 算法的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)仿真研究 11 器如圖 31，分別引入了轉(zhuǎn)速負(fù)反饋和電流負(fù)反饋，兩 個(gè)調(diào)節(jié)器進(jìn)行了一個(gè)嵌套，將電流環(huán)作為內(nèi)環(huán)，轉(zhuǎn)速換作為外環(huán)。再用電流調(diào)節(jié)器的輸出去控制電力電子裝置。這樣就形成了一個(gè)轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)的調(diào)速系統(tǒng)。 穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖和靜特性 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)由兩個(gè)帶有限幅環(huán)節(jié)的 PI 調(diào)節(jié)器構(gòu)成如圖 32 所示。 圖 32 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖 α 轉(zhuǎn)速反饋系數(shù) β 電流反饋系數(shù) 由圖 32 所示，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出限幅電壓 *imU 決定了電流調(diào)節(jié)器輸入的最大值，電流調(diào)節(jié)器輸出的限幅電壓 *cmU 作為電力電子變換裝置的輸入值。當(dāng)調(diào)節(jié)器飽和時(shí)，輸出達(dá)到限幅值，輸入量的變換將不再影響調(diào)節(jié)器的輸出值。當(dāng)調(diào)節(jié)器不飽和時(shí)， PI 調(diào)節(jié)器工作在線性狀態(tài)下 ，將輸入的偏差電壓 U? 在穩(wěn)態(tài)時(shí)置為零。所以在一般狀態(tài)下，調(diào)節(jié)器的工作狀態(tài)只有兩種：飽和（輸出限幅值），不飽和（線性狀態(tài)工作）。但是，在調(diào)速系統(tǒng)中，為了達(dá)到實(shí)時(shí)控制和快速跟隨的目的，一般電流調(diào)節(jié)器都不進(jìn)入飽和狀態(tài)。那么調(diào)節(jié)器的靜特性就包括了轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器在飽和狀態(tài)和非飽和狀態(tài)。 （ 1） 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)不飽和狀態(tài) 當(dāng)轉(zhuǎn)速和電流 調(diào)節(jié)器均不飽和時(shí)，在穩(wěn)態(tài)時(shí)則他們的輸入偏差電壓都是零。故： 四川理工學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 12 0* nnUU nn ?? ??? dii IUU ???* 那么： 0* nn nU ?? ? （ 31） 從而得到圖 33 所示的靜特性 CA 段。 與此同時(shí)，由于 ASR 不飽和， *iU ﹤ *imU ，從上述關(guān)系可知： dmII ?d 。也就是說， CA 段靜特性從理想空載狀態(tài)的 dI =0 開始一直延續(xù)到 dI = dmI 。而 dmI 一般都大于額定電流 dNI 。這就是靜特性的運(yùn)行段，也是它的水平特性。 圖 33 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的靜特性 （ 2） 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的飽和狀態(tài) 當(dāng) ASR 輸出達(dá)到限幅值 *imU 時(shí) ，轉(zhuǎn)速外環(huán)呈開環(huán)狀態(tài)，轉(zhuǎn)速的變化對(duì)轉(zhuǎn)速環(huán)不再產(chǎn)生影響，此時(shí)，雙閉環(huán)系統(tǒng)為一個(gè)電流無靜差的單閉環(huán)電流調(diào)節(jié)器。在穩(wěn)態(tài)時(shí)，則有： dmU II in ?? ?*d （ 32） 在式 33 中最大電流 dmI 由設(shè)計(jì)者選定，如圖 AB 段所示，描繪了它的垂直特性，這樣的下垂特性只適用于 0nn? 的情況，否則轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器將退出飽和狀態(tài)。 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性在負(fù)載 電流小于 dmI 時(shí)表現(xiàn)為轉(zhuǎn)速無靜差，這時(shí)，轉(zhuǎn)速負(fù)反饋起主要作用當(dāng)負(fù)載電流達(dá)到最大值后， ASR 退出飽和，電流調(diào)節(jié)器起主：基于模糊 PID 算法的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)仿真研究 13 要作用，系統(tǒng)表現(xiàn)為電流無靜差。然而實(shí)際的運(yùn)算放大器的開環(huán)放大倍數(shù)并不是無窮大，特別是為了避免零 漂 而采用“準(zhǔn) PI 調(diào)節(jié)器”時(shí)，靜特性的線段有微小的偏差，如圖 33 虛線所示。 各變量參數(shù)的計(jì)算 由雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖可以看出，其工作在穩(wěn)定狀態(tài)下，當(dāng)兩個(gè)調(diào)節(jié)器都不飽和時(shí)，各個(gè)變量的關(guān)系如下所示： 0* nnUU nn ?? ??? （ 33） dLdii IIUU ?? ???* （ 34） sdLnesdesd K IUCK RInCKUU ????? ?/*0c （ 35） 由上式可以得到如下關(guān)系： （ 1） 轉(zhuǎn)速 n 是由給定電壓 *nU 決定的。 （ 2） ASR 的輸出量 *iU 是由負(fù)載電流 dLI 決定的， 而轉(zhuǎn)速 n 和 dI 決定控制電壓 cU的大小。 由此可得出雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)和電流反饋系數(shù)之間的關(guān)系： 轉(zhuǎn)速反饋系數(shù) ? ： max*nmnU?? （ 36） 電流反饋系數(shù) ? ： dmimIU*?? （ 37） 四川理工學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 14 轉(zhuǎn)速、電流反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型和過程動(dòng)態(tài)分析 圖 34 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖 34 所示。 其中 ASRW 為轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)； ACRW 為電流調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)；1?STKS S為電力電子變換器的傳遞函數(shù)。 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)過程分析 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)突加給定電壓 *nU 由靜止?fàn)顟B(tài)起動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器輸出電壓 *iU 、電流調(diào)節(jié)器輸出電壓 cU 、可控整流器輸出電壓 0dU 、電動(dòng)機(jī)電樞電流 LId 和轉(zhuǎn)速 n 的動(dòng)態(tài)響應(yīng)波形過程如圖 35 所示。由于在起動(dòng)過程中轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 ASR 經(jīng)歷了不飽和、飽和、退飽和三種情況，整個(gè)動(dòng)態(tài)過程就分成圖中標(biāo)明的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三個(gè)階段。 （ 1） 第 Ⅰ 階段為電流上升階段 （ 0 1t ） ： 當(dāng)突加給定電壓 *nU ，由 于電動(dòng)機(jī)的機(jī)電慣性較大，電動(dòng)機(jī)還來不及轉(zhuǎn)動(dòng)（ n=0），轉(zhuǎn)速負(fù)反饋電壓 0?nU ，這時(shí)nnn UUU ??? * 很大，使 ASR 的輸出突增為 0iU? ， ACR 的輸出為 0cU ，可控整流器的輸出為 0dU ，使電樞電流 dI 迅速增加。當(dāng)增加到 dI LId (負(fù)載電流）時(shí)，電動(dòng)機(jī)開始轉(zhuǎn)動(dòng)，以后轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 ASR 的輸出很快達(dá)到限幅值 imU ，從而使電樞電流達(dá)到所對(duì)應(yīng)的最大值 dmI ,此時(shí) 電流負(fù)反饋電壓與 ACR 的給定電壓基本上是相等：基于模糊 PID 算法的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)仿真研究 15 的，即 ： dmiim IUU ??? （ 28） ? 為電流反饋系數(shù)。 （ 2） 第Ⅱ階段是恒流升速階段（ 21t t? ）：從電流升到最大值 dmI 開始，到轉(zhuǎn)速升到給定值為止，這是啟動(dòng)過程的主要階段，在這個(gè)階段中， ASR 一直是飽和的，轉(zhuǎn)速負(fù)反饋不起調(diào)節(jié)作用，轉(zhuǎn)速環(huán)相當(dāng)于開環(huán)狀態(tài)，系統(tǒng)表現(xiàn)為恒流調(diào)節(jié)。由于電流 dI 保持恒定值 dmI ，即系統(tǒng)的加速度 tndd 為恒值，所以轉(zhuǎn)速 n 按線性規(guī)律上升，由 nCRIU edd ?? 知 , dU 也線性增加，故在啟動(dòng)過程中電流調(diào)節(jié)器是不應(yīng)該飽和的，晶閘管可控整流環(huán)節(jié)也不應(yīng)該飽和。 圖 35 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)啟動(dòng)過程的轉(zhuǎn)速和電流波形 （ 3） 第 Ⅲ 階段是轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段 ( 2t 之后 )。轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器在這個(gè)階段中起作用。開四川理工學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 16 始時(shí)轉(zhuǎn)速已經(jīng)上升到給定值， ASR 的給定電壓 *nU 與轉(zhuǎn)速負(fù)反饋電壓 nU 相平衡，輸入偏差 nU? 等于零。但其輸出卻由于積分作用還維持在限幅值，所以電動(dòng)機(jī)仍在以最大電流 dmI 下加速，使轉(zhuǎn)速超調(diào)。超調(diào)后 , nU 〉 0 , nU? 〈 0，使 ASR 退出飽和，其輸出電壓（也就是 ACR 的給定電壓） 才從限幅值降下來 .但是 ,由于 dI 仍大于負(fù)載電流 lI ，在開始一段時(shí)間內(nèi)轉(zhuǎn)速仍繼續(xù)上升。到 ld II ? 時(shí)，電動(dòng)機(jī)才開始在負(fù)載的阻力下減速， 直到 穩(wěn)定（如果系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)品質(zhì)不夠好，可能振蕩幾次以后才穩(wěn)定）。在這個(gè)階段中 ASR 與 ACR 同時(shí)發(fā)揮作用，由于轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器在外環(huán)，ASR 處于主導(dǎo)地位，而 ACR 的作用則力圖使 dI 盡快地跟隨 ASR 輸出 *iU 的變化。所以說直流調(diào)速系統(tǒng)是一個(gè)隨動(dòng)系統(tǒng)。 由上述可 知，雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，在啟動(dòng)過程的大部分時(shí)間內(nèi)， ASR 處于飽和限幅狀態(tài)，轉(zhuǎn)速環(huán)相當(dāng)于開路，系統(tǒng)表現(xiàn)為恒電流調(diào)節(jié)，從而可基本上實(shí)現(xiàn)理想過程。雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速響應(yīng)一定有超調(diào)，只有在超調(diào)后，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器才能退出飽和，使在穩(wěn)定運(yùn)行時(shí) ASR 發(fā)揮調(diào)節(jié)作用，從而使在穩(wěn)態(tài)和接近穩(wěn)態(tài)運(yùn)行中表現(xiàn)為無靜差調(diào)速。故雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)具有良好的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)品質(zhì)。 [13] [14] 所以由上可知轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的作用： （ 1） 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器是調(diào)速系統(tǒng)的主導(dǎo)調(diào)節(jié)器，它使轉(zhuǎn)速 n 很快的跟隨給定電壓 *nU的變化，穩(wěn)態(tài)時(shí) 可減小轉(zhuǎn)速誤差，如果采用 PI 調(diào)節(jié)器則可以實(shí)現(xiàn)無靜差。 （ 2） 對(duì)負(fù)載變化起抗擾作用。 （ 3） 其輸出限幅值決定電動(dòng)機(jī)允許的最大電流。 電流調(diào)節(jié)器的作用： （ 1） 作為內(nèi)環(huán)的調(diào)節(jié)器，在轉(zhuǎn)速外環(huán)的調(diào)節(jié)過程中，它的作用是使電流緊緊跟隨其給定電壓 *iU 的變化。 （ 2） 對(duì)電網(wǎng)電壓波動(dòng)起及時(shí)抗擾作用。 （ 3） 在轉(zhuǎn)速動(dòng)態(tài)過程中，保證獲得電動(dòng)機(jī)允許最大電流，從而加快動(dòng)態(tài)過程。當(dāng)電動(dòng)機(jī)過載甚至堵轉(zhuǎn)時(shí)，限制電樞電流的最大值，起快速的自動(dòng)保護(hù)作用。一旦故障消失，系統(tǒng)立即自動(dòng)恢復(fù)。 ：基于模糊 PID 算法的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)仿真研究 17 第 4 章 模糊 控制簡介 模糊控制的 特點(diǎn) 模糊控制是以模糊集合論作為數(shù)學(xué)基礎(chǔ)，以人工經(jīng)驗(yàn)為依據(jù)，把實(shí)際生產(chǎn)中的經(jīng)驗(yàn)加以總結(jié)和描述，并用模糊控制語言表達(dá)出來的控制理論。從 1965 年 提出模糊理論開始，模糊控制經(jīng)歷了 49 年的研究和發(fā)展已經(jīng)逐步走向成熟 [10]。 模糊控制系統(tǒng)主要應(yīng)用在諸如在測(cè)量數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確、要處理的數(shù)據(jù)量過大以至于難以判斷它們的兼容性等一些可變的被控對(duì)象。與傳統(tǒng)控制器相比，模糊控制器的設(shè)計(jì)依賴于操作者的經(jīng)驗(yàn)，它迅速的發(fā)展主要?dú)w結(jié)于模糊控制器的一些特點(diǎn)： （ 1） 無需知道被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型 。 模糊控制是以人對(duì)被控對(duì)象的控制經(jīng)驗(yàn)為依據(jù)而設(shè)計(jì)的控制器。 （ 2） 是一種反應(yīng)人類智慧思維的智能控制 。 模糊控制采用人類思維中的模糊是如“高”、“中”、“低”、“大”、“小”控制量由模糊推理導(dǎo)出。 （ 3） 更容易被人們接受 。 （ 4） 構(gòu)造容易 。 可以用一些常見的器件來構(gòu)造控制系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)與一般的數(shù)字控制系統(tǒng)無異，模糊控制算法可用軟件來實(shí)現(xiàn)。 （ 5） 魯棒性好 。 模糊控制系統(tǒng)去倫被控對(duì)象是線性的還是非線性的，都能執(zhí)行有效的控制，具有良好的魯棒性、適應(yīng)性。 模糊控制的理論基礎(chǔ) 邏輯控制就是使計(jì)算機(jī)具有活性和智能的一 種新穎的智能控制方法。與傳統(tǒng)控制理論相比，模糊控制有二大優(yōu)點(diǎn)。 第一：模糊控制在許多應(yīng)用中可以有效便捷地實(shí)現(xiàn)人的控制策 和驗(yàn)收。 第二：模糊控制可以不需按被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型即可實(shí)現(xiàn)較好 控制，因?yàn)楸凰拇ɡ砉W(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 18 控制對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性已隱含在模糊控制器輸入，輸出模糊集及模糊規(guī)則中。 模糊控制是以模糊集合論、模糊語言變量及模糊邏輯推理為基礎(chǔ)的計(jì)算機(jī)智能控制。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，模糊控制理論的應(yīng)用和研究取得了比較大的進(jìn)步。其基本原理框圖如圖 41 所示。 圖 41 模糊控制基 本原理框圖 機(jī)程序?qū)崿F(xiàn)。它的一般過程為：首先從現(xiàn)場(chǎng)采集到一些精確的控制量，作為負(fù)反饋和給定量做比較后，得到一個(gè)誤差信號(hào) e，再經(jīng)過 A/D 轉(zhuǎn)換變換為數(shù)字信號(hào)。誤差 e 的數(shù)字信號(hào)作為模糊控制器的輸入信號(hào)，由此進(jìn)入模糊控制。輸入的偏差信號(hào)經(jīng)過模糊化得到一個(gè)模糊量，此模糊量一般用相應(yīng)的模糊語言表述，并得到一個(gè)誤差 e 的模糊語言的集合，再由模糊語言集合中的子集和控制規(guī)則根據(jù)推理的合成規(guī)則進(jìn)行模糊決策，就可以得到模糊控制量 u。再經(jīng)過去模糊處理， D/A 轉(zhuǎn)換得到現(xiàn)場(chǎng)控制信號(hào)就可以控制現(xiàn)場(chǎng)機(jī)械的運(yùn)行。 模糊控制器分類及一般結(jié) 構(gòu) 模糊控制器的分類 模糊 PID 控制器按照一般情況下可以分為：增益調(diào)整型模糊 PID 控制器、直接控制量型模糊 PID 控制器和混合型模糊 PID 控制器三種。 （ 1） 增益調(diào)整型模糊 PID 控制器 該類控制器中輸出的物理量直接對(duì)應(yīng)增益參數(shù)，通過應(yīng)用模糊規(guī)則在線對(duì) 3個(gè)增益參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)，是一種基于性能監(jiān)督的增益調(diào)整型模糊 PID 控制器。 其一般結(jié)構(gòu)可以表示為： 執(zhí)行機(jī)構(gòu) 被控對(duì)象 A/D 傳感器 被控參數(shù) 模糊控制器 給 定值 + 計(jì)算機(jī)控制變量 模糊量化處理 模糊控制規(guī)則 去模糊化處理 D/A ：基于模糊 PID 算法的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)仿真研究 19 If(〝 Perform Index is? ) then( pK? is? ) and( IK? is? ) and( DK? is? ) 其中（ Perform Index）是指超調(diào)量、穩(wěn)態(tài)誤差、或者是其他的動(dòng)態(tài)性能。由于這些性能指標(biāo)需要一個(gè)完整的控制過程得到，那么該控制器可以用于自整定或者是自適應(yīng)方式對(duì)增益進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整。 If(〝 e is? ) and( e? is? )then( pK? 或 pK is? ) and( IK? 或