pid控制直流调速模糊控制系统仿真毕业论文(编辑修改稿)

pid控制直流调速模糊控制系统仿真毕业论文(编辑修改稿)内容摘要：

即分别是引入转速负反馈和电流负反馈。 二者之间实行嵌套（或称串级）联结，如图24所示。 把转速调节器的输出当作电流调节器的输入，再用电流调节器的输出去控制电力电子变换器UPE。 从闭环结构上看，电流环在里面，称作内环；转速环在外边，称作外环。 这就形成了转速、电流双闭环调速系统。 为了获得良好的静、动态性能，转速和电流两个调节器一般都采用PID调节器。 图中标出了两个调节器输入输出电压的实际极性，它们是按照电力电子变换器的控制电压Uc为正电压的情况标出的，并考虑到运算放大器的倒相作用。 图中还表示了两个调节器的输出都是带限幅作用的，转速调节器ASR的输出限幅电压Uim*决定了电流给定电压的最大值，电流调节器ACR的输出限幅电压Ucm限制了电力电子变换器的最大输出电压Udm [7]。 +++MTG++RP2nU*nR0R0UcUiTALIdRiCiUd++R0R0RnCnASRACRLMGTVRP1UnU*iLMTGUPEM图24 转速电流双闭环直流调速系统原理图图中，ASR：转速调节器；ACR—电流调节器；TG—测速发电机 转速和电流调节器的作用分析转速和电流两个调节器的作用： （1）转速调节器是调速系统的主导调节器，它是转速n很快地跟随给定电压Un变化，稳态时可减小转速误差，如果采用PID调节器，则可实现无静差。 （2）对负载变化起抗扰作用。 （3）其输出限幅值决定电动机允许的最大电流。 （1）作为内环的调节器，在转速外环的调节过程中，它的作用是使电流紧紧跟随其给定电压Ui（外环调节器的输出量）变化。 （2）对电网电压的波动起及时抗扰的作用。 （3）在转速动态过程中，保证获得电动机允许的最大电流，从而加快动态过程。 （4）当电动机过载甚至堵转时，限制电枢电流的最大值，起快速的自动保护作用。 一旦故障消失，系统立即自动恢复正常。 这个作用对系统的可靠运行来说是十分重要的[8]。 第3章 PID控制双闭环直流调速系统的设计直流电机双闭环调速系统的设计主要是设计两个调节器。 调节器的设计一般包括两个方面：第一选择调节器的结构，以确保系统稳定，同时满足所需的稳态精度；第二选择调节器的参数，以满足动态性能指标。 按照设计多环控制系统先内环后外环的一般原则，从内环开始，逐步向外扩展。 在双闭环系统中，应该首先设计电流调节器，然后把整个电流环看作是转速调节系统中的一个环节，再设计转速调节器。 常规PID控制器的原理常规PID控制器是指将偏差的比例、积分和微分通过线性组合构成控制量，对被控对象进行控制。 通常PID控制系统由PID控制器和被控对象组成，其系统原理图如图31所示。 图31 常规PID控制系统原理图由原理图可以看出，系统是根据给定值与实际的输出值构成控制的偏差：PID的控制规律为： (31)或写成传递函数形式为： (32)式中， ： 比例系数； ： 积分时间常数；： 微分时间常数。 对于PID控制器的设计和应用中，其核心问题之一就是参数的整定。 PID各个参数对控制性能如下：(1)比例增益：成比例的反映控制系统的偏差信号，偏差一旦产生，控制器立即产生控制作用，使系统偏差快速向减小的趋势变化。 当比例增益大的时候，PID控制器可以加快调节，但是过大的比例增益会使调节过程出现较大的超调量，从而降低系统的稳定性，在某些严重的情况下，甚至可能造成系统不稳定。 (2)积分作用：主要用来消除静差，以提高系统的无差度。 积分作用的强弱取决于积分时间常数，越大，积分作用越强，反之越弱。 积分作用的引入会使系统稳定性下降，动态响应变慢。 (3)微分环节：主要是为了改善控制系统的响应速度和稳定性。 能反映偏差变化趋势，并能在偏差信号值变得很大之前，在系统中引进一个有效的早期修正信号，从而加快系统的动作速度，减少调节时间。 在微分作用合适的情况下，系统的超调量和调节时间可以被有效的减小。 从滤波器的角度看，微分作用相当于一个高通滤波器，因此它对噪声干扰有放大作用，而这是我们在设计控制系统时不希望看到的。 所以我们不能过强地增加微分调节，否则会对控制系统抗干扰产生不利的影响[9]。 双闭环直流调速系统的数学模型额定励磁下的直流电动机可视为一个二阶线性环节，电力电子变换器可按照一阶惯性环节处理，转速、电流调节器均设为PID调节器，以获得良好的动、静态特性。 得到双闭环直流调速系统的动态结构框图，如图32所示。 考虑到实际的检测问题，框图中增加了电流、转速滤波和给定滤波环节，用一阶惯性传递函数表示。 图中Ton为转速反馈滤波时间常数，Toi为电流反馈滤波时间常数,Ks为电力电子变换器的放大系数, Ts为电力电子变换器的滞后时间常数，R为电枢回路总电阻, Tl为电枢回路电磁时间常数，Tm为机电时间常数，Ce为电动势系数，为转速反馈系数，为电流反馈系数。 CeACRRASRU*（s）电流环Idl（s）E（s）图32 双闭环调速系统的动态结构图 电流调节器的设计 电流环结构化简实际系统的电磁时间常数Tl一般都远小于机电时间常数Tm，因而电流的调节过程往往比转速的变化过程快得多，也就是说，比反电动势E的变化快得多，反电动势对电流环来说只是一个变化缓慢的扰动作用，在电流调节器的调节过程中可以近似地认为E基本不变，即。 这样在设计电流调节器时，可暂不考虑反电动势的反馈作用，再把给定滤波和反馈滤波两个环节等效移到环内，得到忽略反电动势影响的电流环的近似结构图33。 ACRIdl（s）图33 电流环化简的动态结构图 电流调节器的参数设计图33表明，电流环的控制对象有三个小惯性环节，且，要校正成典型I型系统，采用PID调节器，其传递函数为WACR（S）=Ki (33)为了让调节器零点对消掉对象的较大的时间常数极点，选择 (34) (35)Id（s）图34 校正成典型I型系统的电流环则电流环的动态结构为图34的典型型式，其中 (36)对于典型I型系统，希望超调量%5%，可取KITs=，即 (37)Ki== (38) WACR（S）= (39)校验近似条件：电流环截止频率： =KI=75s1 (310)晶闸管整流装置传递函数的近似条件 (311)满足近似条件。 忽略反电动势变化对电流环动态影响的条件 3 (312)满足近似条件。 电流环小时间常数近似处理条件 (313)满足近似条件。 按照上述参数，电流环可以达到的动态跟随性能指标，满足设计要求[10]。 转速调节器的设计把已设计好的电流环看作转速调节系统中的一个环节，又因为电流环按典型I型系统设计，其等效电流环为 (314)原来电流环的控制对象是三个惯性环节，其时间常数是Tl、Toi和Ts，闭环后，整个电流环近似为只有一个小时间常数为2Ts的一阶惯性环节，这表明，电流闭环后，改造了控制对象，加快了电流跟随作用。 用电流环的等效环节代替图33中的电流闭环后，再把给定滤波和反馈滤波环节等效地移到环内，则转速环结构图可简化成图35。 ASRId（s）图35 转速环的等效结构图Idl（s）n（s）大多数调整系统的转速环都按典型II型系统进行设计。 由图25可见，要把转速环校正成典型II型系统，转速调节器ASR应采用PID调节器，其传递函数为 WASR（S）=Kn (315)让调节器零点对消掉对象的较大时间常数极点，选择 (316)这样，调整系统的开环传递函数为Wn（S）= (317)其中，转速环开环增益KN= (318)按照典型II型系统的参数选择方法 (319)KN= (320)选择中频宽h=5，由（18）～（20）式得ASR的时间常数和比例系数Kn：== (321) Kn=== (322)由此可得转速调节器的传递函数为WASR（S）= (323)由于没有考虑反电动势及负载对转速环的影响，也没有考虑转速调节器在施加给定后很快就会饱和这个非线性，需对（323）式的=，才能使双闭环调速系统的性能较好。 现取=，则WASR（S）= (324)校验近似条件。 转速环截止频率为 = (325)电流环传递函数简化条件为 (326)满足简化条件。 转速环小时间常数近似处理条件为 (327)满足简化条件[11]。 系统框图建立和仿真根据前述计算的参数和双闭环直流调速系统的动态模型结构图。 用Matlab的Simulink对系统进行仿真。 仿真过程为：首先在Simulink中建立仿真模型，如图 36所示。 然后设定仿真参数，仿真时间1s。 图36 PID控制双闭环直流调速系统模型图37 PID控制双闭环直流调速系统模型仿真结果我们知道设置双闭环控制的一个重要目的就是要获得接近于理想的起动过程，因此，在分析其动态性能时，首先要探讨起动过程：双闭环调速系统突加给定电压Un*由静止状态起动时，转速和电流在起动过程中经历电流上升、恒流升速、转速调节这三个阶段，概括起来有三点：（1）转速调节器ASR从起动到稳速运行经历了两个状态，即饱和限幅输出和线性调节状态。 （2）电流调节器ACR从起动到稳速运行只工作在一种状态，即线性调节状态，（3）如图37所示，电动机的起动特性已经比较接近理想特性，说明该系统的设计对于起动特性来说已经达到预期的要求，有着饱和非线性控制、时间最优控制和转速超调的特点。 从图37输出转速n和电流I的波形可看出，起动电流最初上升迅速但超调量较小，当电机被起动后它很快又返回并保持为额定电流，满足电机要求。 转速在起动电流的作用下平滑上升至电机额定转速稳定运行，其超调量亦非常小。 在对系统的抗扰性能进行仿真后，便知这个直流双闭环调速控制系统抗扰性能比较好。 由图37可得到的系统动态性能指标如下：跟随性能指标：；；1613r/min；超调量=%；。 抗扰性能指标：动态降落80，%。 综上所述，这个调速系统起动特性好、超调量小、抗扰性好，设计比较合理。 小结通过直流电机转速、电流双闭环调速系统数学模型，对电流调节器和转速调节器进行的设计，选择了调节器的类型，给出了系统动态结构图并进行了仿真和分析。 双闭环调速系统是基于“最短时间控制”原则设计的，在充分发挥电机过载能力的同时，可以获得良好的静、动态性能，在实际工程中有一定的应用价值[12]。 第4章 模糊PID双闭环直流调速系统的设计在工业控制过程中经常会碰到大滞后、时变、非线性的复杂系统。 其中，有的参数未知或缓慢变化；有的存在滞后和随机干扰；有的无法获得精确的数学模型。 模糊控制器是一种近年来发展起来的新型控制器，其优点是不要求掌握受控对象的精确数学模型，而根据人工控制组织控制决策表，然后由该表决定控制量的大小。 将模糊控制和PID控制两者结合起来，扬长避短，即具有模糊控制灵活而适应性强的优点，又具有PID控制精度高的特点。 这种Fuzzy—PID复合型控制器，对复杂控制系统和高精度伺服系统具有良好的控制效果，也是近年来十分热门的研究课题。 模糊控制基本原理模糊控制是以模糊集合论、模糊语言变量及模糊逻辑推理为基础的计算机智能控制，其基本概念是由美国加利福尼亚大学著名教授查德（）首先提出的，经过20多年的发展，在模糊控制理论和应用研究方面均取得重大成功[12]。 模糊控制的基本原理框图如图41所示。 它的核心部分为模糊控制器，如图中点划线框中部分所示，模糊控制器的控制规则由计算机的程序实现。 实现一步模糊控制算法的过程描述如下：微机经中断采样获取被控制量的精确值，然后将此量与给定值比较得到误差信号E，一般选误差信号E作为模糊控制器的一个输入量。 把误差信号E的精确量进行模糊化变成模糊量。