【文章內(nèi)容簡介】 n0= ?n (21) Ui*= Ui= ?Id= ?IdL (22) Uct = UdoKs = Cen+IdRKs = CeUn*/?+IdLRKs (23) 從上述式子可知，在穩(wěn)定工作點(diǎn)上，轉(zhuǎn)速 n 由給定電壓 Un*決定，而轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出量 Ui*由負(fù)載電流 IdL 決定，控制 電壓 Uct 由轉(zhuǎn)速 n 和 Id 的大小決定。很明顯，比例調(diào)節(jié)器的輸出量總是由輸入 量決定；而比例積分調(diào)節(jié)器與比例調(diào)節(jié)器不同，它的輸出與輸入無關(guān)，而是由它后面所接的環(huán)節(jié)決定。 另外，轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)和電流反饋系數(shù)還可以分別通過下面兩式計(jì)算 轉(zhuǎn)速反饋系數(shù) ?= Unm*nmax (24) 電流反饋系數(shù) ?= Uim*Idm (25) 其中， Unm*和 Uim *分別是 最大轉(zhuǎn)速給定電壓及轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出限幅電壓。 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。 圖 24 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能 動(dòng)態(tài)跟隨性能 在雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中，電流負(fù)反饋能夠?qū)h(huán)內(nèi)的傳遞函數(shù)加以改造，使等效時(shí)間常 數(shù)減小，經(jīng)過電流環(huán)改造后的等效環(huán)節(jié)作為轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的被控對(duì)象，可使轉(zhuǎn)速環(huán)的動(dòng)態(tài)跟隨性能得到明顯改善。 動(dòng)態(tài)抗擾性能 (1)抗負(fù)載擾動(dòng)性能。由調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖可以看出，負(fù)載擾動(dòng)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。因此雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)能夠提高系統(tǒng)對(duì)負(fù)載擾動(dòng)的抗擾性能。 (2)抗電網(wǎng)電壓擾動(dòng)。電網(wǎng)電壓擾動(dòng)和負(fù)載擾動(dòng)作用點(diǎn)在系統(tǒng)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖中的位置不同，系統(tǒng)相應(yīng)的動(dòng)態(tài)抗擾性能也不同。電網(wǎng)電壓擾動(dòng)被包圍在電流環(huán)內(nèi)，當(dāng)電網(wǎng)電壓波動(dòng)時(shí)，可通過電流反饋及時(shí)得到抑制。 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。①使轉(zhuǎn)速 n 跟隨給定電壓 Un*變化 ，穩(wěn)態(tài)無靜差。②對(duì)負(fù)載變化起抗擾作用。 ③其輸出限幅值決定允許的最大電流 。 電流 調(diào)節(jié)器的 作用。①電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)，保證獲得最大電流，起動(dòng)時(shí)間短，使系統(tǒng)具有較好的動(dòng)態(tài)特性。②在轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)過程中，使電流跟隨其給定電壓 Ui*變化 。③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，起到安全保護(hù)作用。故障消失后，系統(tǒng)能夠自動(dòng)恢復(fù)正常。④對(duì)電網(wǎng)電壓波動(dòng)起快速抑制作用。 [1][3] 基于模糊 PID 控制 的 直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng) 13 第 3 章 系統(tǒng)控制方案 經(jīng)典控制 (PID) PID 控制是工業(yè)控制過程中應(yīng)用最多的一種控制方式，其原因是 :第一，由于 PID 控制器具有簡單而固定的形式，在很寬的操作條件范圍內(nèi)都能保持較好的魯棒性 ； 第二，給設(shè)計(jì)人員提供了一種簡單而直接的調(diào)節(jié)方式。三種不同形式的控制作用組合用來跟蹤被控對(duì)象的不同變化速度，使調(diào)節(jié)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)誤差更小。對(duì)于一些非線性復(fù)雜對(duì)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。 PID具有結(jié)構(gòu)簡單，參 數(shù)物理意義明確，動(dòng)態(tài)和靜態(tài)特性優(yōu)良等顯著優(yōu)點(diǎn)，在各種新控制理論不斷出現(xiàn)的今天，在工業(yè)過程中仍占據(jù)主要位置。 在 PID 控制算法中，存在比例、積分、微分 3 種控制作用。比例控制作用對(duì)系統(tǒng)誤差及時(shí)響應(yīng)，使 PID 控制的對(duì)象朝誤差減小的方向變化 。 缺點(diǎn)是對(duì)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(duì)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。積分控制能對(duì)誤差進(jìn)行記憶并積分，有利于消除系統(tǒng)的靜差，不足之處在于積分作用具有滯后特點(diǎn)，積分作用太強(qiáng)會(huì)使被控對(duì)象的動(dòng)態(tài)品質(zhì)變壞，以至 于導(dǎo)致閉環(huán)系統(tǒng)不穩(wěn)定。微分控制作用，能感覺出誤差的變化趨勢(shì)，增大微分控制作用可加快系統(tǒng)響應(yīng)，使超調(diào)量減小，缺點(diǎn)是對(duì)于干擾同樣敏感，使系統(tǒng)對(duì)干擾的抑制能力降低。 在工業(yè)過程中，被控對(duì)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(gè)參數(shù)，可以獲得比較滿意的控制效果。因?yàn)槠渌惴ê唵?，參?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。 在工程上，直流電機(jī)的數(shù)學(xué)模型不難得到，這使得經(jīng)典控制在已知被控對(duì)象的傳遞函數(shù)才能進(jìn)行設(shè)計(jì)的前提得到滿 足，大部分?jǐn)?shù)字直流調(diào)速控制器就是建立在此基礎(chǔ)上。然而，在實(shí)際的傳動(dòng)系統(tǒng)中，電機(jī)本身的參數(shù)和拖動(dòng)負(fù)載的參數(shù) (轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 )并不如模型那樣一成不變，在某些應(yīng)用場合隨工況而變化 。同時(shí)，直流電機(jī)本身是一個(gè)非線性的被控對(duì)象，許多拖動(dòng)負(fù)載含有彈性或間隙等非線性因素，因此，被控對(duì)象的參數(shù)變化與非線性特性，使得線性常參數(shù) PID 調(diào)節(jié)器顧此失彼，畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 14 不能使系統(tǒng)在各種工況下都能保持設(shè)計(jì)時(shí)的性能指標(biāo)，往往使得控制系統(tǒng)的魯棒性差，特別是對(duì)于模型參數(shù)大范圍變化且具有較強(qiáng)非線性環(huán)節(jié)的系統(tǒng)，常規(guī) PID調(diào)節(jié)器難以滿足高精度、快響應(yīng)的控制要求，常常不 能有效克服負(fù)載、模型參數(shù)的大范圍變化以及非線性因素的影響。上述因素的影響，即一個(gè)調(diào)好參數(shù)的 PID控制器對(duì)于在另外一個(gè)環(huán)境下對(duì)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。 [28] 、 圖 31 PID 控制原理圖 下面是以工程設(shè)計(jì)方法（ PID 控制 ）設(shè)計(jì)的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)轉(zhuǎn)速和電流控制器 : 設(shè)直流電動(dòng)機(jī)的規(guī)格如下： UN=220V， IN=， nN=1500r/min， Ce= Vmin/r，允許過載倍數(shù) ?=， 晶閘管觸發(fā)整流裝置放大 系數(shù) ： Ks =60, 三相橋式電路的平均失控時(shí)間 ： Ts=, 電樞回路總電阻： R=, 電磁 時(shí)間常數(shù) ： Tl=, 機(jī)電時(shí)間 常數(shù) ： Tm=, 電流反饋系數(shù) ： ?= V/A, 速度反饋系數(shù) ： ?= Vmin/r， 電流濾波時(shí)間常數(shù) Toi 及轉(zhuǎn)速濾波時(shí)間常數(shù) Ton Toi=Ton=5ms=。 設(shè)計(jì)要求： 基于模糊 PID 控制 的 直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng) 15 穩(wěn)態(tài)指標(biāo)：無靜差 。 動(dòng)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。 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 =。 電流濾波時(shí)間常數(shù) Toi=。 電流環(huán)小時(shí)間常數(shù) T?i 按小時(shí)間 常數(shù)近似處理，取 T?i=Ts+Toi=。 (2)選擇電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu) 電流超調(diào)量 ?i%≤5%，而且 TlT?i= = 因此可按典型 I 型系統(tǒng)設(shè)計(jì)。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=。 電流開環(huán)增益：要求電流超調(diào)量 ?i%≤5%時(shí) ，可取 KIT?i=， 因此 KI= ? i = = 1/s 于是， ACR 的比例 系數(shù)為 Ki= KI?iRKs? = ? ? = 所以 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 16 WACR= Ki1+?is?is= ? ? ? (4)校驗(yàn)近似條件 電流環(huán)截止頻率 Wci=Ki= 1/s 1)晶閘管裝置傳遞函數(shù)近似條件： Wci ≤ 13Ts 13Ts = 13 = 1/s?Wci，滿足近似條件。 2)忽略反電動(dòng)勢(shì)對(duì)電流環(huán)影響的條件： Wci ≥3 1TmTl 3 1TmTl =3 1? 1/s= 1/s?Wci， 滿足近似條件。 3)小時(shí)間常數(shù)近似處理?xiàng)l件： Wci ≤ 13 1TsToi 131TsToi = 13 1? =?Wci， 滿足近似條件。 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=。 2)轉(zhuǎn)速 濾波時(shí)間常數(shù) Ton=。 3)轉(zhuǎn)速 環(huán)小時(shí)間常數(shù) T?n 按小時(shí)間常數(shù)近似處理，取 T?n=Ton+2T?i=。 (2)選擇 轉(zhuǎn)速 環(huán)調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu) 由于要求設(shè)計(jì)無靜差，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器必須含有積分環(huán)節(jié)；又根據(jù)動(dòng)態(tài)要求，應(yīng)基于模糊 PID 控制 的 直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng) 17 按典型 Ⅱ 型系統(tǒng)設(shè)計(jì) 轉(zhuǎn)速 環(huán)。 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。 2)小時(shí)間常數(shù)合并條件 W ≤13 12T?iTon 1312T?iTon = 13 1? 1/s= 1/s?W，滿足等效條件 。 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 18 模糊控制 美國加州 大學(xué)的 教授在 1965 年在《信息與控制》雜志上發(fā)表了著名的《模糊集合》論文，文中首次提出表達(dá)事物模糊性的重要概念 ： 隸屬函數(shù)，從而模糊理論突破了 19 世紀(jì)末笛卡爾的經(jīng)典集合理論，從此奠定了模糊理論的基礎(chǔ)。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(dòng)了模糊理論的迅速發(fā)展。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 。 模糊理論在解決不能精確建立數(shù)學(xué) 模型的系統(tǒng)方面，取得了許多成功，解決了許多精確控制無法解決的控制問題。 模糊 控制是目前在控制領(lǐng)域所采用的三種智能控制方法中最具實(shí)際意義的方法。 模糊控制的采用解決了大量過去人們無法解決的問題，并且在工業(yè)控制、家用電器和各個(gè)領(lǐng)域 已 取得了令人觸目的成效。模糊邏輯應(yīng)用最有效并最廣泛的領(lǐng)域就是模糊控制。模糊控制在各種領(lǐng)域出人意料地解決了傳統(tǒng)控制方法無法或難以解決的問題，并取得了 很好的效果 ?，F(xiàn)在，人們已 經(jīng)明確地知道 ： 模糊控制是目前在控制領(lǐng)域中所采用的三種智能控制方法中最具實(shí)際意義的方法。模糊控制就是建立在人類思維模糊性的基礎(chǔ)上的。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。模糊控制的核心是在于它用具有模糊性的語言條件語句，作為控制規(guī)則去執(zhí)行控制。控制規(guī)則往往是由對(duì)被控過 程十分熟悉的專門人員給出的，所以模糊控制在本質(zhì)上來說是一種專家控制 。 這種控制的控制規(guī)則充分反映了人的智能活動(dòng)。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。模糊控制以語句規(guī)則描述控制過程，使習(xí)慣了用精確數(shù)學(xué)刻 畫 控制過程的人們感到不易適應(yīng)和迷惑 。實(shí)際上，模糊控制是以一種與傳統(tǒng)精確數(shù)學(xué)完全不同的數(shù)學(xué)－ 模糊數(shù)學(xué)為基礎(chǔ)理論建立起來的。它有一整套和傳統(tǒng)控制 方法完全不同的理論和方法。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。模糊控制這種技術(shù)，盡管其理論系統(tǒng)尚未完善，但其大量應(yīng)用的超常成效足以表明它是一種前途無量的技術(shù)。 基于模糊 PID 控制 的 直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng) 19 模糊控制以模糊數(shù)學(xué)理論、模糊語言形式為理論基礎(chǔ)，是一種基于模 糊規(guī)則的控制系統(tǒng)，這些模糊控制規(guī)則是直接從專家經(jīng)驗(yàn)或現(xiàn)場操作者的經(jīng)驗(yàn)中進(jìn)行歸納、優(yōu)化得出來的，是一種蘊(yùn)涵著人類智能、推理和決策的控制方式。經(jīng)典數(shù)學(xué)以特征函數(shù)討論問題，而模糊數(shù)學(xué)以隸屬函數(shù)討論問題。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(shí)系統(tǒng)的大量測(cè)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。建立系統(tǒng)模糊模型的基本思想也是這樣，只是將采集到的精確量量測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行模糊化處理，轉(zhuǎn)化 成 通過隸屬度和模糊子