【正文】 根據(jù)隸屬度函數(shù)及直流電動(dòng)機(jī)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的控制經(jīng)驗(yàn)得到模糊控制表 ?？刂七^(guò)程：計(jì)算機(jī)采集被測(cè)參數(shù)的精確值，并將該值與結(jié)定值作比較，得出誤差 e 誤差變化率 ce 作為模糊控制器的輸入語(yǔ)言變量。 { , }p P i c i pK K E E??? （ 4— 10） { , }i i i c i iK K E E??? （ 4— 11） { , }d d i c i dK K E E??? （ 4— 12） 在線運(yùn)行過(guò)程中，控制系統(tǒng)通過(guò)對(duì)模糊邏輯規(guī)則的結(jié)果處理，查表和運(yùn)算，完成 PID參數(shù)在線自校正，其工作流程見(jiàn)圖 。 iK 越大，系統(tǒng)的靜態(tài)誤差消除越快，但 iK 過(guò)大，在響應(yīng)過(guò)程的初期會(huì)產(chǎn)生積分飽和現(xiàn)象，從而引起響應(yīng)過(guò)程的較大超調(diào)。從系統(tǒng)的穩(wěn)定性、響應(yīng)速度、超調(diào)量、穩(wěn)態(tài)精度和 pK 、iK 的作用等方面來(lái)考慮。 模糊化e模糊推理常規(guī)PI D控制器被控對(duì)象ec kp ki kd輸出信號(hào)dd t輸入信號(hào)+ 圖 PID參數(shù)自適應(yīng)模糊控制器結(jié)構(gòu) 模糊 PID控制是從模糊集合論，模糊語(yǔ)言變量和模糊邏輯推理為基礎(chǔ)的一種計(jì)算機(jī)數(shù)字控制，它的基本原理是將輸入語(yǔ)言變量偏差和偏差變化率的精確值變?yōu)槟：俊? 圖 模擬 PID控制的仿真模型 PID控制器采用子系統(tǒng)并封裝，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖 。 已知直流電動(dòng)機(jī)的參數(shù)： 電動(dòng)機(jī)： nomp =150kw， nomn =1000r／ rain, nomi =700A， Ra= ? 。 (2)積分環(huán)節(jié)： 主要用于消除靜差，提高系統(tǒng)的無(wú)差度。 消去中間變量 M ， di 整理可以得到他勵(lì)式直流電動(dòng)機(jī)的微分方程形式的數(shù)學(xué)模型，即 ： 2 2 2 2223 7 5 3 7 5d d d dd m e m e eL G D R d n G D R d n unR C C d t C C d t C? ? ? （ 45） 進(jìn)一步可以得到 22 ndd m m ted n d uT T T nd t d C? ? ? （ 46） 式中： dddLT R? 為 電動(dòng)機(jī)的電磁時(shí)間常數(shù) ， 2375 dmmeG D RT CC? 為 電動(dòng)機(jī)的機(jī)電時(shí)間常數(shù) 。在直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中通常是以他勵(lì)式直流電動(dòng)機(jī)為控制對(duì)象，下面以他勵(lì)式直流電動(dòng)機(jī)為例分析直流電動(dòng)機(jī)數(shù)學(xué)模型，其等效控制電路如圖 圖 直流電機(jī)等效控制電路 系統(tǒng)的輸入量為電機(jī)電樞電壓 dU ，控制系統(tǒng)的輸出量 cX 為電機(jī)的轉(zhuǎn)速 n。因此，在雙閉環(huán)系統(tǒng)中，由電網(wǎng)電壓波動(dòng)引起的轉(zhuǎn)速動(dòng)態(tài)變化會(huì)小得多。 1．抗負(fù)載擾動(dòng) 太原科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 20 由雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖上可以看出，負(fù)載擾動(dòng)作用在電流環(huán)之后，因此，只能靠轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 ASR 來(lái)產(chǎn)生抗負(fù)載擾動(dòng)的作用。但由于在起動(dòng)過(guò)程Ⅰ、Ⅱ兩個(gè)階段中電流不能突變，實(shí)際起動(dòng)過(guò)程與理想啟動(dòng)過(guò)程相比還有一些差距， 不過(guò)這兩段時(shí)間只占全部起動(dòng)時(shí)間中很小的成分，無(wú)傷大局，可稱作“準(zhǔn)時(shí)間最優(yōu)控制”。 太原科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 19 圖 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)起動(dòng)過(guò)程的 電流、轉(zhuǎn)速波形 綜上所述，雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的起動(dòng)過(guò)程有以下三個(gè)特點(diǎn)： （ 1）飽和非線性 控制：隨著 ASR 的飽和與不飽和， 整個(gè)系統(tǒng)處于完全不同的兩種狀態(tài)，在不同 情況下表現(xiàn)為不同結(jié)構(gòu)的線性系統(tǒng)，只能采用分段線性化的方法來(lái)分析，不能簡(jiǎn)單的用線性 控制理論來(lái)籠統(tǒng)的設(shè)計(jì)這樣的控制系統(tǒng)。 穩(wěn)態(tài)時(shí)，轉(zhuǎn)速等于給定值 gn ，電樞電流 aI 等于負(fù)載電流 lI ， ASR 和 ACR 的 輸入偏差電壓都為零，但由于積分作用，它們都有恒定的輸出電壓。但其輸出卻由于積分作用還維持在限幅值 gimU ，所以電動(dòng)機(jī)仍在以最大電流 amI 下加速，使轉(zhuǎn)速超調(diào)。由于電流 aI 保持恒定值 amI ，即系統(tǒng)的加速度 ntdd 為恒值，所以轉(zhuǎn)速 n 按線性規(guī)律上升，由 d am eU I R C n???知， dU 也線性增加，這就要求 kU 也要線性增加，故在啟動(dòng)過(guò)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。當(dāng)增加到 alII? （負(fù)載電流）時(shí)，電動(dòng)機(jī)開(kāi)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 gimU ， 從而使電樞電流達(dá)到所對(duì)應(yīng)的最大值 amI （在這過(guò)程中 kU , dU 的下降是由于電流負(fù)反饋所引起的），到這時(shí)電流負(fù)反饋電壓與 ACR 的給定電壓基本上是相等的，即 amfig im IUU ??? （ 316） 式中， ? 為 電流反饋系數(shù)。 整流與觸發(fā)關(guān)系為余弦，工程中近似用線性環(huán)節(jié)代替觸發(fā)與放大環(huán)節(jié)，放大系數(shù)為： 太原科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 17 0ctUK U?? （ 315） 繪制雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖如 圖 圖 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖 起動(dòng)過(guò)程分析 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)突加給定電壓 gnU 由靜止?fàn)顟B(tài)起動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器輸出電壓giU 、電流調(diào)節(jié)器輸出電壓 kU 、可控整流器輸出電壓 dU 、電動(dòng)機(jī)電樞電流 I? 和轉(zhuǎn)速 n 的動(dòng)態(tài)響應(yīng)波形過(guò)程如圖 所示。鑒于這一特點(diǎn)，雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)參數(shù)計(jì)算與單閉環(huán)有靜差系統(tǒng)完全不同，而是和無(wú)靜差系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)計(jì)算相似，即根據(jù)各調(diào)節(jié)器的給定與反饋值計(jì)算有關(guān)的反饋系數(shù)。然而，實(shí)際上運(yùn)算放大器的開(kāi)環(huán)放大系數(shù)并不是無(wú)窮大，因此，靜特性的兩段實(shí)際上都略有很小的靜差，見(jiàn)圖 中虛線。 (2)．轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和 這時(shí)， ASR 輸出達(dá)到限幅值 imU? ，轉(zhuǎn)速外環(huán)呈開(kāi)環(huán)狀態(tài)，轉(zhuǎn)速的變化對(duì)系統(tǒng)不再產(chǎn)生影響。 (1)．轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器不飽和 這時(shí)，兩個(gè)調(diào)節(jié)器都不飽和，穩(wěn)態(tài)時(shí)，它們的輸 入偏差電壓都是零，因此， 0nnU U n n??? ? ? ? ? ? （ 35） i i dU U I?? ? ? ? （ 36） 由式 （ 35） 可得： 0nUnn???? （ 37） 從而得到圖 所示靜特性曲線的 CA 段。當(dāng)調(diào)節(jié)器飽和時(shí)，輸出為恒值，輸入量的變化不再影響輸出，除非有反向的輸入信號(hào)使調(diào)節(jié)器退出飽和，換句話說(shuō)，飽和的調(diào)節(jié)器暫時(shí)隔斷了輸入和輸出的聯(lián)系，相當(dāng)于使該調(diào)節(jié)環(huán)開(kāi)環(huán)。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)。另外電流調(diào)節(jié)器的小時(shí)間常數(shù) , 還能夠?qū)σ螂娋W(wǎng)波動(dòng)引起的電動(dòng)機(jī)電樞電流的變化進(jìn)行快速 調(diào)節(jié) ,可以在電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速還未來(lái)得及發(fā)生改變時(shí) ,迅速使電流恢復(fù)到原來(lái)值 ,從而使速度更好地穩(wěn)定于某一轉(zhuǎn)速下運(yùn)行。 太原科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 13 電流、轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的理論分析 雙閉環(huán)調(diào)速的工作過(guò)程和原理 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的工作過(guò)程和原理 : 電動(dòng)機(jī)在啟動(dòng)階段 ,電動(dòng)機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速 (電壓 )低于給定值 ,速度調(diào)節(jié)器的輸入端存在一個(gè)偏差信號(hào) ,經(jīng)放大后輸出的電壓保持為限幅值 ,速度調(diào)節(jié)器工作在開(kāi)環(huán)狀態(tài) ,速度調(diào)節(jié)器的輸出電壓作為電流給定值送入電流調(diào)節(jié)器 , 此時(shí)則以最大電流給定值使電流調(diào)節(jié)器輸出移相信號(hào) ,直流電壓迅速上升 ,電流也 隨即增大直到等于最大給定值 , 電動(dòng)機(jī)以最大電流恒流加速啟動(dòng)。調(diào)速系統(tǒng)突加額定負(fù)載擾動(dòng)時(shí)的動(dòng)態(tài)降落稱作動(dòng)態(tài)降落 maxn? ﹪ 。 2) 抗擾性能指標(biāo) 一般是以系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行中，突加負(fù)載的階躍擾動(dòng)后的動(dòng)態(tài)過(guò)程作為典型的抗擾過(guò)程，并由此定義抗擾動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)，可見(jiàn)圖 。 (c）調(diào)節(jié)時(shí)間 st 調(diào)節(jié)時(shí)間又稱過(guò)渡過(guò)程時(shí)間，它衡量系統(tǒng)整個(gè)調(diào)節(jié)過(guò)程的快慢。一般希望在階躍響應(yīng)中輸出量 ()tC 與其穩(wěn)態(tài)值 C? 的偏差越小越好，達(dá)到C? 的時(shí)間越快越好。自太原科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 11 動(dòng)控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)包括對(duì)給定信號(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)。一個(gè)調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速范圍，是指在最低速時(shí)還能滿足所提靜差率要求的轉(zhuǎn)速可調(diào)范圍。這表明平行機(jī)械特性低速時(shí)靜差率較大，轉(zhuǎn)速的相對(duì)穩(wěn)定性就越差。具體是指電動(dòng)機(jī)穩(wěn)定工作時(shí)，在一條機(jī)械特性線上，電動(dòng)機(jī)的負(fù)載由理想空 載增加到額定值時(shí)，對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速降落 edn? 與理想空載轉(zhuǎn)速 0n 之比，用百分?jǐn)?shù)表示為 %100%100 000 ?????? n nnnns eded （ 33） 顯然，機(jī)械特性硬度越大，機(jī)械特性硬度越大， edn? 越小，靜差率就越小，轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定度就越高。 直流調(diào)速系統(tǒng)的性能指標(biāo) 根據(jù)各類典型生產(chǎn)機(jī)械對(duì)調(diào)速系統(tǒng)提出的要求，一般可以概括為靜態(tài)和動(dòng)態(tài)調(diào)速指標(biāo)。 在上式中， eK 是常數(shù)，電流 I 是由負(fù)載決定的，因此，調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速可以有三種方法： （ 1）調(diào)節(jié)電樞供電電壓 U ； （ 2） 減弱勵(lì)磁磁通 ? ； （ 3） 改變電樞回路電阻 R 。 直流 調(diào)速系統(tǒng)的原理 直流調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速原理 直流電動(dòng)機(jī)具有良好的起、制動(dòng)性能，宜于在廣范圍內(nèi)平滑調(diào)速，所以由晶閘管 —直流電動(dòng)機(jī) (V— M)組成的直流調(diào)速系統(tǒng)是目前應(yīng)用較普遍的一種電力傳動(dòng)自動(dòng)化控制系統(tǒng)。 方案選擇 ，各參數(shù)間相互影響，難于進(jìn)行調(diào)節(jié)器動(dòng)態(tài)參數(shù)的調(diào)整，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能不夠好。并且 晶閘管整流電路的輸出電壓中除了直流分量外 ,還含 有交流分量。太原科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 8 該方案的原理框圖如圖 所示。電流調(diào)節(jié)器 ACR 和電流檢測(cè)反饋回路構(gòu)成了電流環(huán)；轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 ASR 和轉(zhuǎn)速檢測(cè)反饋回路構(gòu)成轉(zhuǎn)速環(huán)，稱為雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。 太原科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 7 第 3 章 直流調(diào)速系統(tǒng)的原理 方案定論 方案比較 方案一：?jiǎn)伍]環(huán) 直流調(diào)速系統(tǒng) 單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)是指只有一個(gè)轉(zhuǎn)速負(fù)反饋構(gòu)成的閉環(huán)控制系統(tǒng)。 b)取中位數(shù)法 選取模糊子集的隸屬函數(shù)曲線和橫坐標(biāo)所圍成區(qū)域的面積平分為二部分的數(shù)作為判決的效果。 (3)建 立模糊控制器的控制規(guī) 則是基于手動(dòng)控制策略 的， 利用模糊集合理論和語(yǔ)言變量的概念，可以把利用語(yǔ)言歸納的手動(dòng)控制微略上升為數(shù)值運(yùn)算，于是可以采用計(jì)算機(jī)完成這個(gè)任務(wù)以代替人的手動(dòng)控制實(shí)現(xiàn)模糊自動(dòng)控制，利用語(yǔ)言歸納手動(dòng)控制策略的太原科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 6 過(guò)程，就是建立模糊控制器的控制規(guī)則的過(guò)程。 模糊控制器的設(shè)計(jì)方法 確定模糊控制器的輸入變量，輸出變量 (控制量 ) 模糊控制器的維數(shù)越高，控制就越精細(xì)，但維數(shù)過(guò)高，模糊控制規(guī)則會(huì)很復(fù)雜，控制算法的實(shí)現(xiàn)相當(dāng)困難，通常采用二維模糊控制器。 模糊 控制在實(shí)際中的適用性 如用模糊控制代替?zhèn)鹘y(tǒng)控制解決問(wèn)題，有二個(gè)選擇標(biāo)準(zhǔn)，第一個(gè)是被控對(duì)象數(shù)學(xué)模型未知，但是它有較強(qiáng)的非線性系統(tǒng)或非線性帶時(shí)限系統(tǒng)，第二個(gè)標(biāo)準(zhǔn)是當(dāng) PID控制不能取得令人滿意的控制效果。 第二步：模糊邏輯推理。 3)把推理結(jié)果的模糊輸出量轉(zhuǎn)化為實(shí)際系統(tǒng)接受的精確數(shù)字量或模擬量 (精確化接口 )。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)較好的控制 ， 因?yàn)楸豢刂茖?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。 本設(shè)計(jì)將使用 MATLAB 對(duì)設(shè)計(jì)成型的系統(tǒng)進(jìn)行仿真，以進(jìn)一步了解系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)性能 。近十年來(lái)模糊控制發(fā)展相當(dāng)迅速。在歐洲，對(duì)模糊理論的研究著重在模糊控制上。模糊集 合 理論無(wú)法得到廣大學(xué)者的認(rèn)同，尤其是得到權(quán)威學(xué)者的認(rèn)可。在傳統(tǒng)控制器中， 參數(shù)或控制輸出的調(diào)整是 根據(jù) 對(duì)一組微分方程描述的過(guò)程模型的狀態(tài)分析和 綜合 來(lái)進(jìn)行的，而模糊控制器參數(shù)或控制輸出的調(diào)整是從過(guò)程函數(shù)的 邏輯 模型產(chǎn)生的規(guī)則來(lái)進(jìn)行的。如能模擬人的思維方法，把自然語(yǔ)言植入計(jì)算機(jī)內(nèi)核，使計(jì)算機(jī)具有活性和智能。借助于數(shù)字和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，智能控制如模糊控制 、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、自藕控制等深入運(yùn)用到 控制系統(tǒng)的各個(gè)方面，各種觀測(cè)器和辯識(shí)技術(shù)應(yīng)用于控制系統(tǒng)中，大大改善了控制系統(tǒng)的性能。 在調(diào)速性能要求高或要求大轉(zhuǎn)矩的場(chǎng)所，直流電動(dòng)機(jī)仍然被廣泛采用，直流調(diào)速控制系統(tǒng)中最典型一種調(diào)速系統(tǒng)就是速度、電流雙閉調(diào)速系統(tǒng)。 關(guān)鍵詞 ： 直流 雙閉環(huán) 調(diào)速系統(tǒng)，模糊控制， SIMULINK 仿真 太原科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） IV Based Fuzzy Control of Double Loop DC Corol System Abstract