基于模糊pid控制的直流双闭环调_速系统毕业论文(编辑修改稿)

基于模糊pid控制的直流双闭环调_速系统毕业论文(编辑修改稿)内容摘要：

n0= n (21) Ui*= Ui= Id= IdL (22) Uct = UdoKs = Cen+IdRKs = CeUn*/+IdLRKs (23) 从上述式子可知，在稳定工作点上，转速 n 由给定电压 Un*决定，而转速调节器的输出量 Ui*由负载电流 IdL 决定，控制 电压 Uct 由转速 n 和 Id 的大小决定。 很明显，比例调节器的输出量总是由输入 量决定；而比例积分调节器与比例调节器不同，它的输出与输入无关，而是由它后面所接的环节决定。 另外，转速反馈系数和电流反馈系数还可以分别通过下面两式计算 转速反馈系数 = Unm*nmax (24) 电流反馈系数 = Uim*Idm (25) 其中， Unm*和 Uim *分别是 最大转速给定电压及转速调节器的输出限幅电压。 基于模糊 PID 控制 的 直流双闭环调速系统 11 双闭环调速系统的动态特性 双闭环调速系统的动态数学模型 双闭环调速系统 的转速调节器和电流调节器的传递函数就是 PI 调节器的传递函数， ASR 和 ACR 的传递函数分别为： WASR= Kn1+ns ns (26) WACR=Ki1+is is (27) 结合单闭环调速系统的动态结构图，可得双闭环调 速系统的动态结构图，见图 24。 图 24 双闭环调速系统的动态结构图 双闭环调速系统的动态性能 动态跟随性能 在双闭环调速系统中，电流负反馈能够将环内的传递函数加以改造，使等效时间常 数减小，经过电流环改造后的等效环节作为转速调节器的被控对象，可使转速环的动态跟随性能得到明显改善。 动态抗扰性能 (1)抗负载扰动性能。 由调速系统的动态结构图可以看出，负载扰动作用 (IdL)在电流环之后，和单环调速系统一样，只能靠转速调节器来抑制；但电流环改造毕业设计（论文） 12 了环内的传递函数，更有利于转速外环的控制。 因此双闭环调速系统能够提高系统对负载扰动的抗扰性能。 (2)抗电网电压扰动。 电网电压扰动和负载扰动作用点在系统动态结构图中的位置不同，系统相应的动态抗扰性能也不同。 电网电压扰动被包围在电流环内，当电网电压波动时，可通过电流反馈及时得到抑制。 双闭环调速系统中两个 调节器的作用 转速调节器的 作用。 ①使转速 n 跟随给定电压 Un*变化 ，稳态无静差。 ②对负载变化起抗扰作用。 ③其输出限幅值决定允许的最大电流。 电流 调节器的 作用。 ①电动机起动时，保证获得最大电流，起动时间短，使系统具有较好的动态特性。 ②在转速调节过程中，使电流跟随其给定电压 Ui*变化。 ③当电动机过载甚至堵转时，限制电枢电流的最大值，起到安全保护作用。 故障消失后，系统能够自动恢复正常。 ④对电网电压波动起快速抑制作用。 [1][3] 基于模糊 PID 控制 的 直流双闭环调速系统 13 第 3 章 系统控制方案 经典控制 (PID) PID 控制是工业控制过程中应用最多的一种控制方式，其原因是 :第一，由于 PID 控制器具有简单而固定的形式，在很宽的操作条件范围内都能保持较好的鲁棒性 ； 第二，给设计人员提供了一种简单而直接的调节方式。 三种不同形式的控制作用组合用来跟踪被控对象的不同变化速度，使调节系统的动态误差更小。 对于一些非线性复杂对象，尽管 PID 大多数采用了近似描述和线性化原理，但其最终的模型表示形式应该是确定的，而且利用它能够容易地得到精确定量解。 PID具有结构简单，参 数物理意义明确，动态和静态特性优良等显著优点，在各种新控制理论不断出现的今天，在工业过程中仍占据主要位置。 在 PID 控制算法中，存在比例、积分、微分 3 种控制作用。 比例控制作用对系统误差及时响应，使 PID 控制的对象朝误差减小的方向变化。 缺点是对于具有自平衡能力 (即系统阶跃响应终值为一有限值 )的被控对象存在静差 ， 加大比例作用可以减小静差，会导致系统超调量增大，使系统的动态性能变坏。 积分控制能对误差进行记忆并积分，有利于消除系统的静差，不足之处在于积分作用具有滞后特点，积分作用太强会使被控对象的动态品质变坏，以至 于导致闭环系统不稳定。 微分控制作用，能感觉出误差的变化趋势，增大微分控制作用可加快系统响应，使超调量减小，缺点是对于干扰同样敏感，使系统对干扰的抑制能力降低。 在工业过程中，被控对象数学模型已 知的情况下，应用 PID 的 3 种控制作用的控制效果正确调节调节器的各个参数，可以获得比较满意的控制效果。 因为其算法简单，参数调整方便，并具有一定的控制精度，并 在实际中取得良好的效果，因此它已成为当前最为普遍采用的控制算法。 在工程上，直流电机的数学模型不难得到，这使得经典控制在已知被控对象的传递函数才能进行设计的前提得到满 足，大部分数字直流调速控制器就是建立在此基础上。 然而，在实际的传动系统中，电机本身的参数和拖动负载的参数 (转动惯量 )并不如模型那样一成不变，在某些应用场合随工况而变化。 同时，直流电机本身是一个非线性的被控对象，许多拖动负载含有弹性或间隙等非线性因素，因此，被控对象的参数变化与非线性特性，使得线性常参数 PID 调节器顾此失彼，毕业设计（论文） 14 不能使系统在各种工况下都能保持设计时的性能指标，往往使得控制系统的鲁棒性差，特别是对于模型参数大范围变化且具有较强非线性环节的系统，常规 PID调节器难以满足高精度、快响应的控制要求，常常不 能有效克服负载、模型参数的大范围变化以及非线性因素的影响。 上述因素的影响，即一个调好参数的 PID控制器对于在另外一个环境下对具有同样铭牌数据的直流电机进行控制，系统的性能可能会变差，有时甚至造成系统不稳定，工业现场的调试人员不得不重新调节 PID 各参数，这给工程现场调试人员带来很大的不方 便。 [28] 、 图 31 PID 控制原理图 下面是以工程设计方法（ PID 控制 ）设计的双闭环直流调速系统转速和电流控制器 : 设直流电动机的规格如下： UN=220V， IN=， nN=1500r/min， Ce= Vmin/r，允许过载倍数 =， 晶闸管触发整流装置放大 系数 ： Ks =60, 三相桥式电路的平均失控时间 ： Ts=, 电枢回路总电阻： R=, 电磁 时间常数 ： Tl=, 机电时间 常数 ： Tm=, 电流反馈系数 ： = V/A, 速度反馈系数 ： = Vmin/r， 电流滤波时间常数 Toi 及转速滤波时间常数 Ton Toi=Ton=5ms=。 设计要求： 基于模糊 PID 控制 的 直流双闭环调速系统 15 稳态指标：无静差。 动态指标：电流超调量 i%≤5%，转速的跟随性与抗干 扰性都非常好。 电流环的设计 ： (1)确定时间常数 整流装置滞后时间常数 Ts 三相桥式电路的平均失控时间 =。 电流滤波时间常数 Toi=。 电流环小时间常数 Ti 按小时间 常数近似处理，取 Ti=Ts+Toi=。 (2)选择电流调节器结构 电流超调量 i%≤5%，而且 TlTi= = 因此可按典型 I 型系统设计。 电流调节器选用 PI 型，其传递函数为 WACR=Ki1+is is (3)选择电流调节器参数 ACR 超前时间常数： i=Tl=。 电流开环增益：要求电流超调量 i%≤5%时 ，可取 KITi=， 因此 KI=  i = = 1/s 于是， ACR 的比例 系数为 Ki= KIiRKs =   = 所以 毕业设计（论文） 16 WACR= Ki1+isis=    (4)校验近似条件 电流环截止频率 Wci=Ki= 1/s 1)晶闸管装置传递函数近似条件： Wci ≤ 13Ts 13Ts = 13 = 1/sWci，满足近似条件。 2)忽略反电动势对电流环影响的条件： Wci ≥3 1TmTl 3 1TmTl =3 1 1/s= 1/sWci， 满足近似条件。 3)小时间常数近似处理条件： Wci ≤ 13 1TsToi 131TsToi = 13 1 =Wci， 满足近似条件。 转速环的设计 ： (1)确定时间常数 1)电流环等效时间常数为 2Ti=。 2)转速 滤波时间常数 Ton=。 3)转速 环小时间常数 Tn 按小时间常数近似处理，取 Tn=Ton+2Ti=。 (2)选择 转速 环调节器结构 由于要求设计无静差，转速调节器必须含有积分环节；又根据动态要求，应基于模糊 PID 控制 的 直流双闭环调速系统 17 按典型 Ⅱ 型系统设计 转速 环。 ASR 调节器选用 PI 型，其传递函数为 WASR= Kn1+nsns (3)选择 转速 环调节器参数 按跟随与抗扰性能都较好的原则，取 h=5，则 ASR 的超前时间常数为： n= hTn=5= 转速环开环增益 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)校验近似条件 转速 环截止频率 W= KNWl = KNn = 1/s 1)电流环的等效条件 W ≤ 15T i 15TΣi = 1 = 1/sWci，满足等效条件。 2)小时间常数合并条件 W ≤13 12TiTon 1312TiTon = 13 1 1/s= 1/sW，满足等效条件。 毕业设计（论文） 18 模糊控制 美国加州 大学的 教授在 1965 年在《信息与控制》杂志上发表了著名的《模糊集合》论文，文中首次提出表达事物模糊性的重要概念 ： 隶属函数，从而模糊理论突破了 19 世纪末笛卡尔的经典集合理论，从此奠定了模糊理论的基础。 模糊理论因为其适合于人类的自然思维方式，成为了人 工 智能的重要研究方向，世界各国的科学家们围绕模糊理论开展了 广泛的研究，从而推动了模糊理论的迅速发展。 模糊理论主 要包括模糊集合理论、模糊逻辑、模糊推理、模糊决策和模糊控制 等 方面的内容，模糊理论最成功的应用领域是模糊控制。 模糊理论在解决不能精确建立数学 模型的系统方面，取得了许多成功，解决了许多精确控制无法解决的控制问题。 模糊 控制是目前在控制领域所采用的三种智能控制方法中最具实际意义的方法。 模糊控制的采用解决了大量过去人们无法解决的问题，并且在工业控制、家用电器和各个领域 已 取得了令人触目的成效。 模糊逻辑应用最有效并最广泛的领域就是模糊控制。 模糊控制在各种领域出人意料地解决了传统控制方法无法或难以解决的问题，并取得了 很好的效果。 现在，人们已 经明确地知道 ： 模糊控制是目前在控制领域中所采用的三种智能控制方法中最具实际意义的方法。 模糊控制就是建立在人类思维模糊性的基础上的。 模糊控制与传统控制有着本质的区别，它不 像 经典控制那样需要用精确数字所描述的传递函数，也不 像 现代控制理论那样需要用矩阵表示的状态方程。 模糊控制的核心是在于它用具有模糊性的语言条件语句，作为控制规则去执行控制。 控制规则往往是由对被控过 程十分熟悉的专门人员给出的，所以模糊控制在本质上来说是一种专家控制。 这种控制的控制规则充分反映了人的智能活动。 传统控制方法以数学公式描述控制过程，往往可以给出十分严密 和明确的数学表述。 模糊控制以语句规则描述控制过程，使习惯了用精确数学刻 画 控制过程的人们感到不易适应和迷惑。 实际上，模糊控制是以一种与传统精确数学完全不同的数学－ 模糊数学为基础理论建立起来的。 它有一整套和传统控制 方法完全不同的理论和方法。 何况，一种技术是否先进，是以其在实际 应用 中 是否取得良好效果而体现的，绝不仅是因对其冗长的论证或美妙的描述就会优秀起来。 模糊控制这种技术，尽管其理论系统尚未完善，但其大量应用的超常成效足以表明它是一种前途无量的技术。 基于模糊 PID 控制 的 直流双闭环调速系统 19 模糊控制以模糊数学理论、模糊语言形式为理论基础，是一种基于模 糊规则的控制系统，这些模糊控制规则是直接从专家经验或现场操作者的经验中进行归纳、优化得出来的，是一种蕴涵着人类智能、推理和决策的控制方式。 经典数学以特征函数讨论问题，而模糊数学以隶属函数讨论问题。 系统精确数学模型的建立，其实质是应用一定的数学处理手段，基于待辨识系统的大量测量数据，找出体现系统输入与输出之间的内在联系，并通过一定的数学表达式加以描述。 建立系统模糊模型的基本思想也是这样，只是将采集到的精确量量测数据进行模糊化处理，转化 成 通过隶属度和模糊子。