【正文】 的精確量進(jìn)行模糊化變成模糊量。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)。 [10][13] 模糊控制的基本理論 模糊控制是以模糊集合論、模糊語(yǔ)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(guò) 20 多年的發(fā)展，在模糊控制理論和應(yīng)用研究方面均取得重大成功。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(chǎng)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。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(guò)隸屬度和模糊子集表達(dá)的模糊量，也就是說(shuō)，將原 來(lái) 通過(guò)精確量數(shù)據(jù)描述系統(tǒng)輸 入輸出之間的內(nèi)在聯(lián)系 (精確數(shù)學(xué)模型 )，轉(zhuǎn)化成一種相應(yīng)的由條件語(yǔ)句 IF(輸 入語(yǔ)言變量 模糊子 集 )、 THEN(輸出語(yǔ)言變量模糊子集 )表達(dá)的模糊關(guān)系，這便是系統(tǒng)的模糊模型。經(jīng)典數(shù)學(xué)以特征函數(shù)討論問(wèn)題，而模糊數(shù)學(xué)以隸屬函數(shù)討論問(wèn)題。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(wú)量的技術(shù)。它有一整套和傳統(tǒng)控制 方法完全不同的理論和方法。模糊控制以語(yǔ)句規(guī)則描述控制過(guò)程，使習(xí)慣了用精確數(shù)學(xué)刻 畫(huà) 控制過(guò)程的人們感到不易適應(yīng)和迷惑 。 這種控制的控制規(guī)則充分反映了人的智能活動(dòng)。模糊控制的核心是在于它用具有模糊性的語(yǔ)言條件語(yǔ)句，作為控制規(guī)則去執(zhí)行控制。模糊控制就是建立在人類思維模糊性的基礎(chǔ)上的。模糊控制在各種領(lǐng)域出人意料地解決了傳統(tǒng)控制方法無(wú)法或難以解決的問(wèn)題，并取得了 很好的效果 。 模糊控制的采用解決了大量過(guò)去人們無(wú)法解決的問(wèn)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(wú)法解決的控制問(wèn)題。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(guó)的科學(xué)家們圍繞模糊理論開(kāi)展了 廣泛的研究，從而推動(dòng)了模糊理論的迅速發(fā)展。 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 。 (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(wú)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)。 2)轉(zhuǎn)速 濾波時(shí)間常數(shù) Ton=。 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。 電流開(kāi)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)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)。 電流濾波時(shí)間常數(shù) Toi=。 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。 [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(guò)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=。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。 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。 在工業(yè)過(guò)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。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。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 。 PID具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(guò)程中仍占據(jù)主要位置。三種不同形式的控制作用組合用來(lái)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。④對(duì)電網(wǎng)電壓波動(dòng)起快速抑制作用。③當(dāng)電動(dòng)機(jī)過(guò)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。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。 ③其輸出限幅值決定允許的最大電流 。①使轉(zhuǎn)速 n 跟隨給定電壓 Un*變化 ，穩(wěn)態(tài)無(wú)靜差。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(guò)電流反饋及時(shí)得到抑制。 (2)抗電網(wǎng)電壓擾動(dòng)。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(lái)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。 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(guò)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。 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(guò)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。 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 10 圖 23 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng) 穩(wěn)態(tài)特性 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)各變量的穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)和穩(wěn)態(tài)參數(shù)計(jì)算 當(dāng)系統(tǒng)的 ASR 和 ACR 兩 個(gè)調(diào)節(jié)器都不飽和且系統(tǒng)處于穩(wěn)態(tài)時(shí)，各變量間的關(guān)系為： Un*= Un= ?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。但由于轉(zhuǎn)速環(huán)是外環(huán)，起主導(dǎo)作用，而電流環(huán)的作用只相當(dāng)轉(zhuǎn)速環(huán)內(nèi)部的一種擾動(dòng)作用而已，只要轉(zhuǎn)速環(huán)的開(kāi)環(huán)放大倍數(shù)足夠大，最終靠 ASR 的積分作用，可消除轉(zhuǎn)速偏差。 此時(shí)，轉(zhuǎn)速環(huán)要求電流迅速響應(yīng)轉(zhuǎn)速 n 的變化，而電流環(huán)則要求維持電流不變。在此情況下，電流負(fù)反饋環(huán)起恒流調(diào)節(jié)作用，轉(zhuǎn)速線性上升，從而獲得極好的下垂特性，如圖 23 中的 AB 段虛線。 [3] 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性及穩(wěn)態(tài)參數(shù) 分析雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性 的關(guān)鍵是掌握轉(zhuǎn)速 PI 調(diào)節(jié)器的穩(wěn)態(tài)特性，它有兩種狀態(tài)：飽和 — 輸出達(dá)到限副值，輸入量的變化不再影響輸出（除非輸入信號(hào)變極性使轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器退飽和）， 這時(shí)轉(zhuǎn)速環(huán)相當(dāng)于開(kāi)環(huán)； 不飽和 — 輸出未達(dá)到限幅值，通過(guò)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)，使輸入偏差電壓 ?Un 在穩(wěn)態(tài)時(shí)為零。當(dāng) n?Un*/?時(shí)，其自動(dòng)調(diào)節(jié)過(guò)程為： 負(fù)載 ↑→n↓→?Un=(Un*??n)↑→|Ui*|↑? 0? |?Ui|↑→Uct↑→Ud↑→n↑最終保持轉(zhuǎn)速穩(wěn)定。 由于 ASR 采用 PI 調(diào)節(jié)器，所以在系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn) 態(tài)時(shí)應(yīng)滿足 ?Un=Un*??n=0，即 n=Un*/?。當(dāng)電流下降時(shí)，也有類似的調(diào)節(jié)過(guò)程。 當(dāng) Ui*一定時(shí)，由于電流負(fù)反饋的調(diào)節(jié)作用，使整流裝置的輸出電流保持在Ui*/?數(shù)值上。由于 ACR 為 PI 調(diào)節(jié)器，穩(wěn)態(tài)時(shí)，其輸入偏差電壓 ?Ui= ?Ui*+Ui= ?Ui*+?Id=0， 即 Id=Ui*/?。若觸發(fā)器要求 ACR 的輸出 Uct 為正極性，由于調(diào)節(jié)器一般為反向輸入，則要求 ACR的輸入 Ui*為負(fù)極性，所以，要求 ASR 輸入的給定電壓 Un*為正極性。圖 22 為雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖。 ASR 輸出限幅值為 Uim*，它決定了主環(huán)中的最大允許電流 Idm。圖中， ASR 和 ACR 均為比例積分調(diào)節(jié)器，其輸出均設(shè)有限幅電路。 GT 和 V 是晶閘管觸發(fā)器和整流裝置，控制晶閘管整流裝置總離不開(kāi) 觸發(fā)電路，因此在分析系統(tǒng)時(shí)，把它們當(dāng)作一個(gè)環(huán)節(jié)來(lái)看。 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的組成 雙閉環(huán)系統(tǒng)組成的思想是，在系統(tǒng)設(shè)立兩個(gè)調(diào)節(jié)器，分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流，兩者之間實(shí)行串級(jí)連接，電流環(huán)在里面，為內(nèi)環(huán)；轉(zhuǎn)速環(huán)在外面，為外環(huán)。另一方而，在一個(gè)調(diào)節(jié)器的情況下，輸入端綜合幾個(gè)信號(hào)，各參數(shù)互相影響，調(diào)整也比較困難。為了提高生產(chǎn)率和加工質(zhì)量，要求盡量縮短過(guò)渡過(guò)程時(shí)間。加上電機(jī)反電勢(shì)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(lái)。 基于模糊 PID 控制 的 直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng) 7 第 2 章 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng) 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的組成及工作原理 直流調(diào)速系統(tǒng)，傳統(tǒng)上采用速度和電流的雙閉環(huán)調(diào)速 ， 這是從單閉環(huán)自動(dòng)調(diào)速系統(tǒng)發(fā)展起來(lái)的。除此之外，模糊控制又進(jìn)一步提高了調(diào)速系統(tǒng)的畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 6 魯棒性， 對(duì)于我們解決直流電動(dòng)機(jī)雙閉 環(huán) 調(diào)速系統(tǒng)（甚至是交流調(diào)速系統(tǒng)）的控制策略有重要的借鑒意義。因此被控制對(duì)象的參數(shù)變化與非線性特性 ,使得 PID 控制器的參數(shù)往往難以達(dá)到最優(yōu)狀態(tài) ,而且參數(shù)的一成不變也 難以跟隨現(xiàn)場(chǎng)的動(dòng)態(tài)變化。 傳統(tǒng)的直流電動(dòng)機(jī)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)多采用結(jié) 構(gòu)簡(jiǎn)單、性能穩(wěn)定的帶限幅的PID 調(diào)節(jié)控制器 ,在實(shí)際生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng) ,由于各種因素 ,如控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)與實(shí)際有偏差 ,又由于 電機(jī)本身的參數(shù)和拖動(dòng)負(fù)載的參數(shù) (如轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 ) 并不如模型那樣一成不變 ,在某些應(yīng)用場(chǎng)合會(huì)隨工況而變化 。在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際直流調(diào)速系統(tǒng)中 ,應(yīng)用最為廣泛、技術(shù)較為成熟的是采用轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)的直流調(diào)速系統(tǒng)。 對(duì)調(diào)速系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，動(dòng)態(tài)指標(biāo)以抗擾性能為主，而 隨動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)指標(biāo)則以跟隨性為主。 a)動(dòng)態(tài)降落△ Cmax% 基于模糊 PID 控制 的 直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng) 5 系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，突加一個(gè)約定的標(biāo)準(zhǔn)負(fù)擾動(dòng)量，在過(guò)度中引起的輸出量 最大降落值△ Cmax 做動(dòng)態(tài)降落，用輸出量原穩(wěn)態(tài)值 C∞ 1 的百分?jǐn)?shù)表示，系統(tǒng)動(dòng)態(tài)降落后又重新恢復(fù)，達(dá)到新的穩(wěn)態(tài)值 C∞ 2,用 (C∞ 1─ C∞ 2)表示靜差。 b)超調(diào)量 ? 輸出量超出穩(wěn)態(tài)值的最大偏差與穩(wěn)態(tài)值之比 ?=???C CCmax ?100% (18) c)調(diào)節(jié)時(shí)間 ts 從開(kāi)始到輸出穩(wěn)定下來(lái)的一段時(shí)間，一般我們用誤差帶 2%— 5%的 t∞ 來(lái)表示輸出穩(wěn)定。控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)分為跟隨性能指標(biāo)和抗擾性能指標(biāo)兩類。 在直流電動(dòng)機(jī)調(diào)壓調(diào)速中，常以電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速 nnom 為最高轉(zhuǎn)速，若帶額定負(fù)載時(shí)轉(zhuǎn)速降為 ?nnom，則該系統(tǒng)的靜差率應(yīng)該是最低速時(shí)的靜差率，即 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 4 s =minnnnom? (14) 于是， nmin = n0min??nnom=snnom???nnom=s n)1( nom??s （ 15） 而調(diào)速范圍為： D=minmaxnn =minnnnom (16) 將上式 （ 15） 中 nmin 代入式 (16)，得 D=)1( SnSnnomnom?? (17) 對(duì)于同一個(gè)調(diào)速系統(tǒng)，它的特性硬度或 ?nnom 值是一定的。并且，調(diào)速范圍和靜差率這