基于Matlab的模糊PID双闭环直流调速系统的仿真（精）

基于Matlab的模糊PID双闭环直流调速系统的仿真 安徽理工大学李恒韩向锋

摘要本文针对开环直流调速系统启动冲击电流大,转速调节速度慢等特点上,建立了双闭环控制系统,仿真结果显示系统性能指标有了大提高。在此基础上,速度调节器采用模糊控制技术作为外环控制,内环采用PI控制,经M AT-LAB仿真结果表明,直流调速控制系统的性能指标得到了一定的改善。

关键字三相整流双闭环直流调速模糊控制

在现代化的工业生产过程中,许多生产机械要求在一定的范围内进行速度的平滑调节,并且要求有良好的稳态、动态性能。而直流调速系统调速范围广、静差率小、稳定性好,过载能力大,能承受频繁的冲击负载,可实现频繁的无级快速起制动和反转等良好的动态性能,能满足生产过程自动化系统中各种不同的特殊运行要求在高性能的拖动技术领域中,相当长时期内几乎都采用直流电力拖动系统。

开环直流调速由于自身的缺点几乎不能满足生产过程的要求,在应用广泛的双闭环直流调速系统中,传统PID控制已经得到了比较成熟的应用。但是受电动机负载等非线性因素的影响,传统的控制策略在实际应用中难以保持设计时的性能。随着模糊控制技术应用的日渐成熟,又由于模糊控制不依赖于被控对象的精确数学模型,能够克服非线性因素的影响,对调节对象的参数变化具有较强的鲁棒性,所以将模糊控制与传统的PID控制结合可以起到很好的效果。模糊控制系统中,在当对象参数、

1双闭环控制系统

本系统采用电流、转速两个独立调节器的双闭环控制结构,转速调节器的输出就是电流调节器给定,因此电流环能够随转速的偏差调节电动机电枢的电流。当转速低于给定转速时,转速调节器的输出增加,即电流给定上升,并通过电流环调节使电动机电流增加,从而使电动机获得加速转矩,电动机转速上升,并通过电流环调节使电动机电流下降,电动机将因为电磁转矩减小而减速。在当转速调节器饱和输出达到

限幅值时,电流环既以最大电流限制实现电动机的加速,使电动机的起动时间最短,转速、电流双闭环直流调速系统的仿真模型如图1。

图1双闭环调速系统

主电路的建模和模型参数设置与开闭环直流调速系统绝大部分相同,控制电路包括:给定环节、速度调节器ASR、电流调节器ACR、滤波环节、电流反馈环节、速度反馈环节等。给定环节的参数设置为120rad/s,电流反馈系数设为0.33,速度反馈系数设为1.31。

双闭环系统有两个控制器--转速控制器ASR和电流控制器ACR。这两个调节器均采用PI控制。

(a调节器模型(b分支模块

图2带饱和和输出限幅的PI调节器及分支结构

参数设置分别为:ACR:Kcp=13,Kci=2.5,上下限幅值为[130,-130]ASR:Ksp=5.6,Ksi=2.7,上下限幅值为[40,-40],限幅器的上下限设置为:[50,-50]

图3双闭环仿真结果

仿真结果如图3所示。从仿真结果可以看到,启动过程的第一阶段是电流上升阶段。突加给定电压,ASR的输入很大,其输出很快达到限幅值,电流上升也很快,接近其峰值。第二阶段,ASR饱和,转速环相当于开环状态,系统表现为恒值电流给定作用下的电流调节系统,电流基本上保持不变,拖动系统恒加速,转速线性增长。第三阶段,当转速达到给定值后,转速调节器的给定与反馈电压平恒,输入偏差为0,但是由于积分的作用,其输出还是很大,所以出现超调。转速超调之后, ASR输入端出现负偏差电压,使它推出了饱和状态,进入线性调节阶段,使速度保持恒定,仿真结果基本上反映了这一点。

2模糊双闭环控制系统

考虑到外环-转速环是决定控制系统的根本因素,而内环-电流环主要起改变被控对象运行特性以利于外环控制作用,故在直流电机双闭环调速系统中,外环采用模糊控制,内环仍采用传统的PI控制,实现对控制系统的优化。控制系统结构框图如图3下所示:

180 160 140 120 11 80 60 40 20

-20 转速 电流 转 速 n ( r 电 流 a ( A

00.51 1.52 2.53 3.54 时间t(s 66 ··

图4模糊PI 控制系统结构图 2.1转速模糊控制器

转速调节器设计为二维模糊控制器,以速度反馈和给定转速的误差e 及误差的变化ec 作为模糊控制器的输入变量,经模糊控制器进行模糊化后变成模糊量E 和E,经过模糊推理和模糊决策后,得到模糊输出量U,再经反模糊化处理,得到精确的输出量u,并将其作为电流环的给定值,进而通过电流环去控制被控对象。本系统采用一种带自调整因子α(亦称加权系数的模糊控制器,通过调整α的值,可以改变误差E 和误差变化EC 对控制输出量U 的加权程度,从而调整了控制规则。对于一个二维模糊控制系统而言,在控制过程的初始阶段,系统的误差往往较大,当控制过程趋向稳定阶段,系统误差已经较小。控制系统的重要任务是减小超调量,使系统尽快稳定,并且要求在控制规则中,把误差变化值的加权系数增大。转速模糊控制器内部模块如图5所示:

图5转速模糊控制器

模糊控制规则可用下面的一个数学解析式来表示:U =<αE +(1-αEC >α∈[0,1] 在本系统中,对误差及误差变化和控制量的模糊控制集及其论域定义为{±4,±3,±2,±1,0},根据转速误差模糊量E 的当前值,采用不同的α值自调整如下:

U =INT[0.54E +(1-0.54EC]E =±4U =INT[0.43E +(1-0.43EC]E =±3U =INT[0.36E +(1-0.36EC]E =±2

U =INT[0.23E +(1-0.23EC]E =±1U =INT[0.10E +(1-0.10EC]E =±0

最后通过解模糊得到转速控制器实际的输出控制量,作为电流控制器的输入去不断调整触发角。Simlink 仿真中其他模块参数和双闭环参数一样。系统仿真结果如图6所示:

图6模糊双闭环直流调速系统仿真结果

仿真结果验证了模糊PI 双闭环直流调速系统比仅使用PI 双闭环系统的控制性能有了一定的优化。

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