【正文】 集成電路芯片構(gòu)造模糊控制器；采用可編程門陳列構(gòu)造模糊控制器。(3)模糊控制器對外界環(huán)境的適應(yīng)性及適應(yīng)技術(shù)。(5)模糊控制器和被控對象的匹配技術(shù)。用模糊控制能夠容忍干擾和元件的變化，使系統(tǒng)的適應(yīng)性更好[3]。接著介紹了常規(guī)PID控制在直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中的應(yīng)用，在直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中，傳統(tǒng)的控制策略是電流調(diào)節(jié)器和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器均采用PID調(diào)節(jié)器。為了使控制效果更好，最后把模糊控制的控制策略應(yīng)用到直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中，電流調(diào)節(jié)器仍然用PID調(diào)節(jié)器，轉(zhuǎn)速環(huán)采用模糊PID控制結(jié)構(gòu)。接著MATLAB環(huán)境中，實現(xiàn)了兩種控制方法的建模和仿真，并對兩種控制方法的調(diào)速性能進行了分析和比較。建立系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型的基本步驟如下：(1)根據(jù)系統(tǒng)中各個環(huán)節(jié)的物理規(guī)律，列出描述該環(huán)節(jié)動態(tài)過程的微分方程。(3)組成系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖，并求出系統(tǒng)的傳遞函數(shù)。 圖21 直流電機等效控制電路由圖中可以看出電樞回路總電阻和電感包括電力電子變換器內(nèi)阻、電樞電阻和電感以及可能在主電路中接入的其他電阻和電感，規(guī)定的方向如圖所示。在忽略粘性摩擦及其彈性轉(zhuǎn)矩的理想情況下，電機軸上動力學(xué)方程為： (22)額定勵磁下的感應(yīng)電動勢和電磁轉(zhuǎn)矩分別為： (23)和 (24)式中，：電動機軸上的飛輪慣量()；：電動機空載轉(zhuǎn)矩在內(nèi)的負載轉(zhuǎn)矩()；：電動機的電勢常數(shù)()；：電動機的轉(zhuǎn)矩系數(shù)()，且。代入式(31)和式(32)，并參考式(33)和(34)，整理后可以得到： (25) (26)其中為負載電流(A),且。圖22 直流電動機的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖由上圖可以看出，直流電動機有兩個輸入量，一個是施加在電樞上的理想空載電壓，另一個是負載電流。圖23 直流電動機動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖的變換和簡化當(dāng)電動機在無負載擾動理想空載的情況下，將上面定義的參數(shù)代入式(21)和式(22)，并參考式(23)和(24)，整理后可以得到： (29)在零初始條件下對式(29)進行拉普拉斯變換可以得到直流電動機傳遞函數(shù)的數(shù)學(xué)模型： (210)下面我們以實際的電動機為例，在其理想空載的情況下對直流電動機進行建模分析[4]。由以上參數(shù)，可以得到直流電動機空載時候的數(shù)學(xué)模型的傳遞函數(shù)表達式： (211) 直流電動機的調(diào)速方式直流電動機轉(zhuǎn)速的表達式為： (212)式中，：電樞端電壓；：電樞電流；：電樞電路總電阻；：每極磁通量；：電勢常數(shù)。改變電機主磁通：這種方法只能減弱磁通，使電動機從額定轉(zhuǎn)速向上變速，屬于恒功率調(diào)速方法，動態(tài)響應(yīng)較快，雖然能實現(xiàn)無級平滑調(diào)速，但是調(diào)速范圍小。改變電樞電壓Ua：主要通過旋轉(zhuǎn)變流機組、靜止變流裝置、脈寬調(diào)制變換器這三種方式來改變電樞電壓的。具有良好的調(diào)速性能，但系統(tǒng)復(fù)雜、體積大、效率低、運行有噪音、維護不方便，采用晶閘管變流裝置供電的直流調(diào)速系統(tǒng)簡稱VA系統(tǒng)，通過控制電壓的改變來改變晶閘管觸發(fā)控制角a，進而改變整流電壓Ua的大小。脈寬調(diào)制變換器又稱直流斬波器，是利用功率開關(guān)器件通斷實現(xiàn)控制，調(diào)節(jié)通斷時間比例，將固定的直流電源電壓變成平均值可調(diào)的直流電壓，成為DCDC變換器。 直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)控制直流調(diào)速系統(tǒng)是性能很好、應(yīng)用最廣的直流調(diào)速系統(tǒng)。但是，如果對系統(tǒng)的動態(tài)性能要求較高，例如要求快速起制動，突加負載動態(tài)速降小等等，單閉環(huán)系統(tǒng)難以滿足需要，這主要是因為在單閉環(huán)系統(tǒng)中不能隨心所欲地控制電流和轉(zhuǎn)矩的動態(tài)過程。因為雙閉環(huán)采用轉(zhuǎn)速和電流兩個調(diào)節(jié)器，能同時存在轉(zhuǎn)速和電流兩種負反饋，又能分別在不同的階段起作用。圖中標(biāo)出了兩個調(diào)節(jié)器輸入輸出電壓的實際極性，它們是按照電力電子變換器的控制電壓Uc為正電壓的情況標(biāo)出的，并考慮到運算放大器的倒相作用。為了實現(xiàn)轉(zhuǎn)速和電流兩種負反饋分別起作用，在系統(tǒng)中設(shè)置了兩個調(diào)節(jié)器，即分別是引入轉(zhuǎn)速負反饋和電流負反饋。把轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出當(dāng)作電流調(diào)節(jié)器的輸入，再用電流調(diào)節(jié)器的輸出去控制電力電子變換器UPE。這就形成了轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。圖中標(biāo)出了兩個調(diào)節(jié)器輸入輸出電壓的實際極性，它們是按照電力電子變換器的控制電壓Uc為正電壓的情況標(biāo)出的，并考慮到運算放大器的倒相作用。+++MTG++RP2nU*nR0R0UcUiTALIdRiCiUd++R0R0RnCnASRACRLMGTVRP1UnU*iLMTGUPEM圖24 轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)原理圖圖中，ASR：轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器；ACR—電流調(diào)節(jié)器；TG—測速發(fā)電機 轉(zhuǎn)速和電流調(diào)節(jié)器的作用分析轉(zhuǎn)速和電流兩個調(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，它是轉(zhuǎn)速n很快地跟隨給定電壓Un變化，穩(wěn)態(tài)時可減小轉(zhuǎn)速誤差，如果采用PID調(diào)節(jié)器，則可實現(xiàn)無靜差。（3）其輸出限幅值決定電動機允許的最大電流。（2）對電網(wǎng)電壓的波動起及時抗擾的作用。（4）當(dāng)電動機過載甚至堵轉(zhuǎn)時，限制電樞電流的最大值，起快速的自動保護作用。這個作用對系統(tǒng)的可靠運行來說是十分重要的[8]。調(diào)節(jié)器的設(shè)計一般包括兩個方面：第一選擇調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)，以確保系統(tǒng)穩(wěn)定，同時滿足所需的穩(wěn)態(tài)精度；第二選擇調(diào)節(jié)器的參數(shù)，以滿足動態(tài)性能指標(biāo)。在雙閉環(huán)系統(tǒng)中，應(yīng)該首先設(shè)計電流調(diào)節(jié)器，然后把整個電流環(huán)看作是轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的一個環(huán)節(jié)，再設(shè)計轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器。通常PID控制系統(tǒng)由PID控制器和被控對象組成，其系統(tǒng)原理圖如圖31所示。對于PID控制器的設(shè)計和應(yīng)用中，其核心問題之一就是參數(shù)的整定。當(dāng)比例增益大的時候，PID控制器可以加快調(diào)節(jié)，但是過大的比例增益會使調(diào)節(jié)過程出現(xiàn)較大的超調(diào)量，從而降低系統(tǒng)的穩(wěn)定性，在某些嚴(yán)重的情況下，甚至可能造成系統(tǒng)不穩(wěn)定。積分作用的強弱取決于積分時間常數(shù)，越大，積分作用越強，反之越弱。(3)微分環(huán)節(jié)：主要是為了改善控制系統(tǒng)的響應(yīng)速度和穩(wěn)定性。在微分作用合適的情況下，系統(tǒng)的超調(diào)量和調(diào)節(jié)時間可以被有效的減小。所以我們不能過強地增加微分調(diào)節(jié)，否則會對控制系統(tǒng)抗干擾產(chǎn)生不利的影響[9]。得到雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖，如圖32所示。圖中Ton為轉(zhuǎn)速反饋濾波時間常數(shù)，Toi為電流反饋濾波時間常數(shù),Ks為電力電子變換器的放大系數(shù), Ts為電力電子變換器的滯后時間常數(shù)，R為電樞回路總電阻, Tl為電樞回路電磁時間常數(shù)，Tm為機電時間常數(shù)，Ce為電動勢系數(shù)，為轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)，為電流反饋系數(shù)。這樣在設(shè)計電流調(diào)節(jié)器時，可暫不考慮反電動勢的反饋作用，再把給定濾波和反饋濾波兩個環(huán)節(jié)等效移到環(huán)內(nèi)，得到忽略反電動勢影響的電流環(huán)的近似結(jié)構(gòu)圖33。忽略反電動勢變化對電流環(huán)動態(tài)影響的條件 3 (312)滿足近似條件。按照上述參數(shù)，電流環(huán)可以達到的動態(tài)跟隨性能指標(biāo)，滿足設(shè)計要求[10]。用電流環(huán)的等效環(huán)節(jié)代替圖33中的電流閉環(huán)后，再把給定濾波和反饋濾波環(huán)節(jié)等效地移到環(huán)內(nèi)，則轉(zhuǎn)速環(huán)結(jié)構(gòu)圖可簡化成圖35。由圖25可見，要把轉(zhuǎn)速環(huán)校正成典型II型系統(tǒng)，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR應(yīng)采用PID調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為 WASR（S）=Kn (315)讓調(diào)節(jié)器零點對消掉對象的較大時間常數(shù)極點，選擇 (316)這樣，調(diào)整系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為Wn（S）= (317)其中，轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)增益KN= (318)按照典型II型系統(tǒng)的參數(shù)選擇方法 (319)KN= (320)選擇中頻寬h=5，由（18）～（20）式得ASR的時間常數(shù)和比例系數(shù)Kn：== (321) Kn=== (322)由此可得轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為WASR（S）= (323)由于沒有考慮反電動勢及負載對轉(zhuǎn)速環(huán)的影響，也沒有考慮轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器在施加給定后很快就會飽和這個非線性，需對（323）式的=，才能使雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的性能較好。轉(zhuǎn)速環(huán)截止頻率為 = (325)電流環(huán)傳遞函數(shù)簡化條件為 (326)滿足簡化條件。 系統(tǒng)框圖建立和仿真根據(jù)前述計算的參數(shù)和雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)模型結(jié)構(gòu)圖。仿真過程為：首先在Simulink中建立仿真模型，如圖 36所示。 圖36 PID控制雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)模型圖37 PID控制雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)模型仿真結(jié)果我們知道設(shè)置雙閉環(huán)控制的一個重要目的就是要獲得接近于理想的起動過程，因此，在分析其動態(tài)性能時，首先要探討起動過程：雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)突加給定電壓Un*由靜止?fàn)顟B(tài)起動時，轉(zhuǎn)速和電流在起動過程中經(jīng)歷電流上升、恒流升速、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)這三個階段，概括起來有三點：（1）轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR從起動到穩(wěn)速運行經(jīng)歷了兩個狀態(tài)，即飽和限幅輸出和線性調(diào)節(jié)狀態(tài)。從圖37輸出轉(zhuǎn)速n和電流I的波形可看出，起動電流最初上升迅速但超調(diào)量較小，當(dāng)電機被起動后它很快又返回并保持為額定電流，滿足電機要求。在對系統(tǒng)的抗擾性能進行仿真后，便知這個直流雙閉環(huán)調(diào)速控制系統(tǒng)抗擾性能比較好?？箶_性能指標(biāo)：動態(tài)降落80，%。 小結(jié)通過直流電機轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，對電流調(diào)節(jié)器和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器進行的設(shè)計，選擇了調(diào)節(jié)器的類型，給出了系統(tǒng)動態(tài)結(jié)構(gòu)圖并進行了仿真和分析。第4章 模糊PID雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計在工業(yè)控制過程中經(jīng)常會碰到大滯后、時變、非線性的復(fù)雜系統(tǒng)。模糊控制器是一種近年來發(fā)展起來的新型控制器，其優(yōu)點是不要求掌握受控對象的精確數(shù)學(xué)模型，而根據(jù)人工控制組織控制決策表，然后由該表決定控制量的大小。這種Fuzzy—PID復(fù)合型控制器，對復(fù)雜控制系統(tǒng)和高精度伺服系統(tǒng)具有良好的控制效果，也是近年來十分熱門的研究課題。模糊控制的基本原理框圖如圖41所示。實現(xiàn)一步模糊控制算法的過程描述如下：微機經(jīng)中斷采樣獲取被控制量的精確值，然后將此量與給定值比較得到誤差信號E，一般選誤差信號E作為模糊控制器的一個輸入量。誤差E的模糊量可用相應(yīng)的模糊語言表示，得到誤差E的模糊語言集合的一個子集e（e是一個模糊矢量），再由e和模糊控制規(guī)則R（模糊算子）根據(jù)推理的合成規(guī)則進行模糊決策，得到模糊控制量u。模糊控制器是模糊控制系統(tǒng)的核心，一個模糊控制系統(tǒng)的性能優(yōu)劣，主要取決于模糊控制器的結(jié)構(gòu)、所采用的模糊規(guī)則、合理推理算法，以及模糊決策的方法等因素。模糊控制器的組成框圖如圖42所示。它的主要作用是將真實的確定量輸入轉(zhuǎn)換為一個模糊矢量。12844812NBNMNSNZPZPSPMPBu（e）0論域圖43 三角形隸屬度函數(shù)（2）知識庫由數(shù)據(jù)庫和規(guī)則庫兩部分構(gòu)成。在規(guī)則推理的模糊關(guān)系方程求解過程中，向推理機提供數(shù)據(jù)。模糊規(guī)則通常由一系列的關(guān)系詞連接而成，如ifthen、else、also、end、or等，關(guān)系詞必須經(jīng)過“翻譯”才能將模糊規(guī)則數(shù)值化。例如，某模糊控制系統(tǒng)輸入變量為e（誤差）和ec（誤差變化），它們對應(yīng)的語言變量為E和Ec，可給出一組模糊規(guī)則： R1：if E is NB and EC is NB then U is PB R2：if E is NB and EC is NS then U is PM通常把if…部分稱為“前提部”，而then…部分稱為“結(jié)論部”，其基本結(jié)構(gòu)可歸納為if A and B then C，其中A為論域U上的一個模糊子集，B是論域V上的一個模糊子集。規(guī)則庫是用來存放全部模糊控制規(guī)則的，在推理時為“推理機”提供控制規(guī)則。（3）推理與解模糊接口 推理是模糊控制器中，根據(jù)輸入模糊量，由模糊控制規(guī)則完成模糊推理來求解模糊關(guān)系方程，并獲得模糊控制量的功能部分。最基本的有Zadeh近似推理，它包含有正向推理和逆向推理兩類。推理結(jié)果的獲得，表示模糊控制的規(guī)則推理功能已經(jīng)完成。通常把輸出端具有轉(zhuǎn)換功能作用的部分稱為解模糊接口。它的絕大部分功能都是由計算機程序來完成的。 模糊控制器的類型確定性控制系統(tǒng)中，根據(jù)輸入變量和輸出變量的個數(shù)，可分為單變量控制系統(tǒng)和多變量控制系統(tǒng)。（1）單變量模糊控制器在單變量模糊控制器中，將輸入變量的個數(shù)定義為模糊控制器的維數(shù)。由于僅僅采用偏差值，很難反映受控過程的動態(tài)特性品質(zhì)