【正文】 這是因?yàn)樵诖罅康哪：刂浦?，不但要考慮給定值和實(shí)際值所形成的誤差，同時(shí)還要考慮誤差的變化率。 對(duì)于這樣一個(gè)系統(tǒng)，當(dāng)有輸入 A 時(shí)，則輸出 B，如果輸 入為 Ac 時(shí)，則有輸出為 C，蘊(yùn)涵關(guān)系為 (A→ B)?(AC→ C)。 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。在客觀現(xiàn)實(shí)中，很多問題是具有模糊性的，傳統(tǒng)的形式邏輯和近代的數(shù)理邏輯都無法解決這類問題。 模糊陳述句是相對(duì)于具有清晰概念的一般陳述句而言。 1. 模糊命題 模糊命題是清晰命題的推廣，它的真值在 [0,1]閉 區(qū) 間中取值，相當(dāng)于隸屬度函數(shù)值。 在模糊控制中，被控對(duì)象的模型是運(yùn)用多個(gè)控制規(guī)則來描述的。 2. 模糊控制規(guī)則的建立 目 前模糊控制規(guī)則的建立大致有四種方法 : 專家經(jīng)驗(yàn)法 :通過對(duì)專家控制經(jīng)驗(yàn)的咨詢形成控制規(guī)則庫。人對(duì)誤差最敏感，其次是誤差的變化，再次是誤差變化的速率。 模糊 控制規(guī)則庫 模糊控制系統(tǒng)是用一系列基于專家知識(shí)的語言來描述的，用一系列模糊條件 29 描述的模糊控制規(guī)則就構(gòu)成了模糊控制規(guī)則庫。 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] （ 33） 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。 1. 描述輸入和輸出變量的詞集 在模糊控制中，輸入輸出變量大小是以語言的形式描述的。 ?A / D計(jì)算控制變量模糊量化處理模糊控制規(guī)則非模糊化處理D / A執(zhí) 行 機(jī) 構(gòu) 被 控 對(duì) 象傳 感 器+給 定 值模 糊 控 制 器 （ 微 機(jī) ）被 控 參 數(shù) 模糊決策 圖 32 模糊控制原理框圖 應(yīng)著重指出，所謂模糊控制，既不是指被控對(duì)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(shí)、概念上的模糊。它的核心部分為模糊控制器，如圖 32中點(diǎn)劃線框中部分所示，模糊控制器的控制規(guī)律由 計(jì)算機(jī)的程序?qū)崿F(xiàn)。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(duì)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。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。 (3)易被人們所接受 (4)構(gòu)造容易 有單片機(jī) 等來構(gòu)造模糊控制系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)與一般的數(shù)字控制原系統(tǒng)無異，模糊控制算法用軟件實(shí)現(xiàn)。 模糊控制是建立在人工經(jīng)驗(yàn)基 礎(chǔ)上的。自從 Mamdani 教授 1974 年首先將模糊理論用于蒸汽機(jī)和鍋爐的控制，開創(chuàng)模糊控制的先河。當(dāng)時(shí)提出反對(duì)模糊集理論主要有兩個(gè)理由 :一是認(rèn)為模 糊隸屬度函 的確定具有主觀臆斷性和人為經(jīng)驗(yàn)技巧色彩，沒有嚴(yán)格的系統(tǒng)方法，因而是不可靠的。改善模糊控制性能的最有效方法是優(yōu)化模糊控制規(guī)則。模糊控制經(jīng)歷了 30 多年的研究和發(fā)展已經(jīng)逐步完善，自從 1974 年 ..Mamdani 首先利用模糊數(shù)學(xué)理論進(jìn)新和進(jìn)行蒸汽機(jī)和鍋爐控制方面的研究獲得成功以后，模糊控制的研究和 應(yīng)用一直十分活躍。結(jié)果發(fā)現(xiàn)一個(gè)復(fù)雜的傳統(tǒng)控制理論似乎難以實(shí)現(xiàn)的控制系統(tǒng)，卻可由一個(gè)操作人員憑著豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)得到滿意的控制效果。 (2)計(jì)算 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= 得 轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)增益 KN= 2Σn22 1Thh? = 22 027 6??= 則 ASR 的比例系數(shù)為 Kn= Σnme2 )1( RTh TCh ??? = ???? ??? = 1/s 所以 WASR = Knssnn 1?? ?= ? ?s s13 113 ? (3)校驗(yàn)近似條件 轉(zhuǎn)速 環(huán)截止頻率 W= 1NWK = KN?n == 1/s 1)電流環(huán) 傳遞函數(shù)簡化 條件 W ≤31ΣiIΤΚ 31 ΣiIΤΚ = 31 = 1/s?Wci，滿足 簡化 條件。 轉(zhuǎn)速 調(diào)節(jié)器 的設(shè)計(jì) ： 轉(zhuǎn)速的超調(diào)和動(dòng)態(tài)速降均可由抗擾指標(biāo)衡量，而抗擾指標(biāo)以典型 ?? 系統(tǒng)為佳 ，因此轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器采用 PI 調(diào)節(jié)器，按典型 ?? 系統(tǒng)設(shè)計(jì)，取 h=5。 (2)計(jì)算 電流調(diào)節(jié)器參數(shù) 電流調(diào)節(jié)器的 超前時(shí)間常數(shù)： ?i=Tl=。 電流 調(diào)節(jié)器 的設(shè)計(jì) ： 電流環(huán)主要作用是限制電流，因此一般將電流環(huán)校正為典型 ?系統(tǒng)，而 電流調(diào)節(jié)器采 用 PI 調(diào)節(jié)器。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。微分控制作用，能感覺出誤差的變化趨勢，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 PID 控制算法中，存在比例、積分、微分 3 種控制作用。 PID 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。 PID 控制器簡單易懂，使用中不需精確的系統(tǒng)模型等先決條件，因而成為應(yīng)用最為廣泛的控制器。反饋理論的要素包括三個(gè)部分：測量、比較和執(zhí)行。 校正后的調(diào)速系統(tǒng)動(dòng)態(tài)框圖如圖 27c 所示。 在一般情況下，希望電流超調(diào)量 ?i 5%，可選 ? =， KI T?i =，則 KI=ωci=iT?21 ， 得到 Ki=Σisl2 TKRT? = ?s2KR (ΣilTT ) (212) 轉(zhuǎn)速 調(diào)節(jié)器的 設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)分為以下幾個(gè)步驟： 流環(huán)的等效閉環(huán)傳遞函數(shù) 接入轉(zhuǎn)速環(huán)內(nèi)，電流環(huán)等效環(huán)節(jié)的輸入量應(yīng)為 U*i(s)，因此電流環(huán)在轉(zhuǎn)速環(huán)中應(yīng)等效為 ????sUsI*id= ???sWcli≈111I?sK? （ 213） 這樣，原來是雙慣性環(huán)節(jié)的電流環(huán)控制對(duì)象，經(jīng)閉環(huán)控制后，可以近似地等效成只有較小時(shí)間常數(shù)的一階慣性環(huán)節(jié)。 15 Ud 0( s )+Ui( s )A C R1 / RTl s + 1U*i( s )Uc( s )KsTss + 1Id( s )?T0 is + 11T0 is + 1 a) +A C RUc( s )Ks/ R( Tss + 1 ) ( Tl s + 1 )Id( s )U*i( s )??T0 is + 1 b) +A C RUc( s )? Ks/ R( Tls + 1 ) ( T? is + 1 )Id( s )U*i( s )? c) +Id( s )U*i( s )?KIs ( TΣ is + 1 ) d) 圖 26 電流環(huán)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖及其簡化 2．電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)的選擇 從穩(wěn)態(tài)要求上看，希望電流無靜差，以得到理想的堵轉(zhuǎn)特性，由圖 26c 可以看出，采用 I 型系統(tǒng)就夠了。 在按動(dòng)態(tài)性能設(shè)計(jì)電流環(huán)時(shí)，可以暫不考慮反電動(dòng)勢變化的動(dòng)態(tài)影響，即?E≈ 0。 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的實(shí)際動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖如圖 25 所示。 [2] 調(diào)節(jié)器的工程設(shè)計(jì)方法 作為工程設(shè)計(jì)方法，首先要使問題簡化，突出主要矛盾。 3）在轉(zhuǎn)速動(dòng)態(tài)過程中，保證獲得電機(jī)允許的最大電流，從而加快動(dòng)態(tài)過程。 2）對(duì)負(fù)載變化起抗擾作用。 13 (2)抗電網(wǎng)電壓擾動(dòng)。 U*n?Uc Id LnUd 0Un+?+UiWA S R( s ) WA C R( s )KsTss + 11 / RTl s + 1RTmsU*iId1 / Ce+E 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 1. 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。 各變量的穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)和穩(wěn)態(tài)參數(shù)計(jì)算 由圖 22 可以看出，雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)工作中， 當(dāng)系統(tǒng)的 ASR 和 ACR兩個(gè)調(diào)節(jié)器都不飽和時(shí)，各變量間的關(guān)系為： Un*= Un= ?n0= ?n (23) Ui*= Ui= ?Id= ?IdL (24) Uct=s0dKU = sdK RInCe ? =sdL*ne /K RIUC ?? (25) 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， 而 控制 電壓 Uc 的大小 由轉(zhuǎn)速 n 和 Id 的大小決定。當(dāng)負(fù)載電流達(dá)到 Idm后，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和，電流調(diào)節(jié)器起主要調(diào)節(jié)作用，系統(tǒng)表現(xiàn)為電流無靜差，得到過電流的自動(dòng)保護(hù)。穩(wěn)態(tài)時(shí) Id=?*miU = Idm (22) 式中，最大電 流 Idm是由設(shè)計(jì)者選定的，取決于電機(jī)的容許過載能力和拖動(dòng)系統(tǒng)允許的最大加速度。 這就是說， CA 段靜特性從理想空載狀態(tài)的 Id =0 一直延續(xù)到 Id = Idm ，而 Idm一般都是大于額定電流 IdN的。 Ks?1 / CeU*nUcIdEnUd 0Un++A S R+U*iR?A C RUiU P E 圖 22 雙閉環(huán)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) 實(shí)際上，在正常運(yùn)行時(shí)，電流調(diào)節(jié)器時(shí)不會(huì)達(dá)到飽和狀態(tài)的。 穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖和靜特性 為了 分析 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的特性，必須 先繪出 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖 ，如 圖 22 所示 。該環(huán)節(jié)的輸入量是觸發(fā)電路的控制電壓 Uct， 輸出量是理想空載整流電壓 Udo。從閉環(huán)結(jié)構(gòu)上看，電流環(huán)在里面，稱作內(nèi)環(huán)；轉(zhuǎn)速環(huán)在外邊，稱作外環(huán)。 現(xiàn)在的問題是，我們希望能實(shí)現(xiàn) 控制 是， 起動(dòng)過程，只有電流負(fù)反饋，沒有轉(zhuǎn)速負(fù)反饋；穩(wěn)態(tài)時(shí)，只有轉(zhuǎn)速負(fù)反饋，沒有電流負(fù)反饋。加上電機(jī)反電勢隨著轉(zhuǎn)速的上升而增加，使電流達(dá)到最大值之后迅速降下來。 由于模糊控制不需要精確的數(shù)學(xué)模型 ,能夠根據(jù)日常生產(chǎn)中的經(jīng)驗(yàn)規(guī)則動(dòng)態(tài) 7 地輸出 ,能利用其非線性特性，突破 PID 方法的局限，使調(diào)速系統(tǒng)既有快速的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，又有較 高的穩(wěn)定程度。調(diào)速系統(tǒng)的內(nèi)環(huán)是電流環(huán) ,用以保證啟動(dòng)過程中只有電流反饋起作用保證最大允許恒定電流 ,使電力拖動(dòng)系統(tǒng)盡可能以最大的加速度啟動(dòng)達(dá)到穩(wěn)定轉(zhuǎn)速后使電流轉(zhuǎn)矩同負(fù)載轉(zhuǎn)矩平 衡 ,穩(wěn)定轉(zhuǎn)速 ,達(dá)到“時(shí)間最優(yōu)控制” ,到達(dá)穩(wěn)定轉(zhuǎn)速后通過外環(huán)轉(zhuǎn)速環(huán)控制使得轉(zhuǎn)速恒定。 b)恢復(fù)時(shí)間 tv 從階躍擾動(dòng)作用開始，到輸出量基本上恢復(fù)穩(wěn)態(tài)，距新穩(wěn)態(tài)值之差進(jìn)入某基準(zhǔn)量 Cb 的 ? 5%(或 ? 2%)范圍內(nèi)所需要的時(shí)間 ， 定義為恢復(fù)時(shí)間 tv。2%）的范圍為允許誤差帶，將輸出量達(dá)到并不再超出該誤差帶所需的時(shí)間定義為調(diào)節(jié)時(shí)間。 c)調(diào)節(jié)時(shí)間 ts 調(diào)節(jié)時(shí)間又稱過渡過程時(shí)間，它衡量輸出量整個(gè)調(diào)節(jié)過程的快慢。 在跟隨過程中，輸出量從零起第一次上升到穩(wěn)態(tài) C∞所經(jīng)過的時(shí)間 稱作上升時(shí)間，它表示動(dòng)態(tài)響應(yīng)的快速性。 自動(dòng) 控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能指標(biāo) 包括對(duì)給定輸入信號(hào)的 跟隨性能指標(biāo)和 對(duì)擾動(dòng)輸入信號(hào)的 抗擾性能指標(biāo)。 在直流電動(dòng)機(jī)調(diào)壓調(diào)速中， 一般 以電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速 nN 為最高轉(zhuǎn)速，若帶額定負(fù)載時(shí)轉(zhuǎn)速降為 ?nN，則該系統(tǒng)的靜差率應(yīng)該是最低速時(shí)的靜差率，即 s =min0Nnn? =NminN nn n??? 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