双闭环直流调速系统的设计与仿真论文Word文档格式.doc

双闭环直流调速系统的设计与仿真论文Word文档格式.doc

《双闭环直流调速系统的设计与仿真论文Word文档格式.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《双闭环直流调速系统的设计与仿真论文Word文档格式.doc（50页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

指导老师：

XXX

摘要

本文以控制系统的传递函数为基础，采用工程设计方法对最常用的转速、电流双闭环调速系统进行设计，并用MATLAB/Simulink软件对系统进行了仿真。

首先对双闭环直流调速系统采用常规PID控制进行设计，电流调节器和转速调节器都采用了PID控制器，并分别对电流环和转速环的动态性能和抗扰动性能进行了仿真分析。

其次，由于转速调节器起主要作用，所以对转速环采用模糊控制，并设计了模糊控制器，对双闭环直流调速系统进行仿真分析，并与常规PID控制进行了对比，仿真结果表明，模糊控制有良好的动态特性，很强的抗干扰能力。

关键词：

直流调速PID控制模糊控制系统仿真

Abstract

Thearticleisbasedonthetransferfunctionoftakingcontrolsystem,usingtheengineeringdesignofthemostcommonlyusedmethodofthespeedandthecurrentdoubleclosedloopspeedregulationsystemtodesign,withMATLAB/Simulinksoftwaresystemsimulated.First,thedoubleclosedloopdcspeedcontrolsystemareadoptedtheconventionalPIDcontroltodesign,currentregulatorandspeedregulatorhasadoptedPIDcontroller,thedynamicperformanceandantidisturbanceperformanceofthecurrentringandspeedloopsimulationanalysisrespectively.Second,sincespeedregulatorplaystheleadingrole,sousingfuzzycontrolforspeedloop,anddesignedafuzzycontrollersimulationanalysistodcspeedcontrolsystemofdoubleloop,andcomparedtotheconventionalPIDcontrol,thesimulationresultsshowthatFuzzycontrolhavegooddynamiccharacteristic,stronganti-interferenceability.

Keywords:

DcspeedregulationPIDcontrolfuzzycontrolsystemsimulation

目录

摘要 I

Abstract II

1绪论 1

1.1课题研究背景 1

1.2直流调速系统的国内外研究概况 1

1.3模糊控制理论的发展与特点 2

1.4研究双闭环直流调速系统的目的和意义 3

1.5论文的主要研究内容 3

2直流电机双闭环调速系统 4

2.1直流电动机的起动与调速 4

2.2直流调速系统的性能指标 9

2.3双闭环直流调速系统的组成 13

2.4直流他励电动机的数学模型 14

2.5可控硅整流装置的数学模型 16

2.6本章小结 17

3常规PID控制双闭环直流调速系统的设计 18

3.1双闭环调速系统的工程设计方法 18

3.2双闭环直流调速系统的设计 21

3.3设计实例 26

3.4Matlab/Simulink仿真 31

3.5仿真结果分析 33

3.6本章小结 33

4模糊PID双闭环直流调速系统的设计 34

4.1模糊控制系统与模糊控制器 34

4.2直流调速系统的模糊控制 35

4.3系统的仿真和分析 38

4.4本章小结 40

5结论 42

致谢 43

参考文献 44

II

双闭环直流调速系统的设计与仿真

1绪论

1.1课题研究背景

直流调速是现代电力拖动自动控制系统中发展较早的技术。

就目前而言，直流调速系统仍然是自动调速系统的主要形式，在许多工业部门，如轧钢、矿山采掘、纺织、造纸等需要高性能调速的场合得到广泛的应用。

然而传统双闭环直流电动机调速系统多数采用结构比较简单、性能相对稳定的常规PID控制技术，在实际的拖动控制系统中，由于电机本身及拖动负载的参数（如转动惯量）并不像模型那样保持不变，而是在某些具体场合会随工况发生改变；

与此同时，电机作为被控对象是非线性的，很多拖动负载含有间隙或弹性等非线性的因素。

因此被控制对象的参数发生改变或非线性特性，使得线性的常参数的PID控制器往往顾此失彼，不能使得系统在各种工况下都保持与设计时一致的性能指标，常常使控制系统的鲁棒性较差，尤其对模型参数变化范围大且具的非线性环节较强的系统，常规PID调节器就很难满足精度高、响应快的控制指标，往往不能有效克服模型参数变化范围大及非线性因素的影响[1]。

模糊控制是智能控制的一个重要分支，在自然科学和社会科学的很多领域应用广泛，它不依赖于被控制对象的精确的数学模型，而是将专家的经验及知识转化为语言控制规则，用这些控制规则去控制被控系统，能克服各种非线性因素的影响，对被控制对象的参数具有较强的鲁棒性，针对直流电动机这种参数可能发生较大变化的被控对象，采用模糊控制具有重大的研究意义[2]。

1.2直流调速系统的国内外研究概况

随着各种处理器的出现和发展，国外对直流调速系统的研究也在不断的进步和完善，80年代该方面的研究达到最盛的时期。

大型的直流电动机的调速系统一般均采用晶闸管触发脉冲，研究人员对控制算法作了大量的研究：

提出模糊PID算法、自适应PID算法、内模控制的算法和I-P控制器取代PI调节器的算法等。

目前，国外一些电气公司，如瑞典的ABB，德国的西门子、AEG，日本的三菱、东芝，美国的GE、西屋等，均已开发出多个数字直流调速装置，有较成熟的标准化、系列化、模板化的应用产品。

从20世纪60年代初随着我国第一只硅晶闸管试制成功以来，晶闸管直流调速系统得到了广泛的应用和迅速的发展。

目前，我国主要采用综合性最优控制、补偿PID控制、PID算法优化等方法研究数字直流调速系统。

伴随各式新型控制器件的迅速发展，直流电动机晶闸管调速系统正向大功率发展，并实现控制单元小型化、集成化、标准化、积木式组合化。

对某些中小功率装置，正在做到使电动机和控制设备组合一体化。

特别是近年来，全数字化直流调速装置在国外各厂家竟相推出，使得直流调速系统在理论和实践方面都迈上了一个新台阶[3]。

1.3模糊控制理论的发展与特点

模糊控制诞生于1965年，自从1974年英国科学家曼丹尼（E.H.Mamdani）教授成功地将模糊控制应用于锅炉和蒸汽机的控制系统中，模糊控制的研究和应用一直十分活跃。

1975年以后，模糊控制已逐渐得到了广泛的发展并在现实中得到成功的应用。

从此，模糊理论成为专家学者、控制工程师们研究的一个热门课题。

特别是在日本，模糊理论的应用得到空前发展。

我国在模糊理论和应用方面的研究起步较晚，但是发展较快。

在模糊理论研究方面取得了令世人瞩目的成果，特别受到国际模糊界的重视和关注。

例如在1982年汪培庄和龙升照提出采用杰希法描述模糊控制规则的自调方法，为模糊自适应控制的研究提供了新的研究途径。

在模糊技术应用方面，我国最早将模糊理论应用于气象预报和地震中，并且于1987年成功研制了我国第一台模糊推理机。

在我国家电行业模糊控制技术的发展也很快。

模糊控制是一种通过计算机控制技术，运用模糊数学、模糊规则和模糊语言规则的推理方法，构成一种具有反馈环节的闭环控制系统，适用于被控对象没有精确的数学模型或难以建立数学模型的工业过程，是用于解决不确定系统的有效途径之一。

当前，模糊控制广泛应用于化工、机械、食品生产、冶金工业炉窑等多个领域。

与常规控制方法相比，模糊控制的特点有以下四个：

（1）模糊控制是根据专家经验对控制系统的输出与给定进行比较判断，设计模糊规则，系统被控对象的数学模型不需要精确建立，适用于难以获取数学模型或不易掌握动态特性的对象。

（2）模糊控制模拟人脑思维方式的模糊量，控制量由模糊推理导出，是一种反应人脑思维能力的智能控制。

（3）基于精确数学模型的控制算法及系统设计方法，由于初始输出量和性能指标的要求不同，输出结果差异太大；

但模糊控制系统中，模糊语言控制规则却具有相对的独立性，利用这些控制规律间的模糊连接，容易找到折中的选择，使控制效果优于常规控制器。

（4）模糊控制系统无论被控对象是线性的还是非线性的，都能执行有效的控制，具有良好的鲁棒性和适应性[4]。

1.4研究双闭环直流调速系统的目的和意义

双闭环直流调速系统是性能很好，应用最广的直流调速系统。

采用该系统可获得优良的静、动态调速特性。

此系统的控制规律，性能特点和设计方法是各种交、直流电力拖动自动控制系统的重要基础[5]。

通过对转速、电流双闭环直流调速系统的了解，使我们能够更好的掌握调速系统的基本理论及相关内容，在对其各种性能加深了解的同时，能够发现其缺陷之处，通过对该系统不足之处的完善，可提高该系统的性能，使其能够适用于各种工作场合，提高其使用效率。

并以此为基础，再对交流调速系统进行研究，最终掌握各种交、直流调速系统的原理，使之能够应用于国民经济各个生产领域。

1.5论文的主要研究内容

本课题以直流电动机为对象，用传统PID控制和模糊控制对双闭环直流调速系统进行设计、仿真和性能对比，验证控制方案的合理性。

主要完成如下工作：

（1）数学模型的建立

根据直流电动机基本方程，建立双闭环调速系统的数学模型并给出动态结构框图。

（2）系统方案设计

利用直流电动机双闭环调速系统的工程设计方法，进行调速系统的设计。

用MATLAB/Simulink软件，进行模型搭建和仿真。

（3）选择合适的模糊控制器

模糊控制器的选择至关重要，直接影响其性能。

（4）将模糊控制应用于直流电动机调速系统

将模糊控制方式在直流电动机的模型中实现，加以仿真，分析输出波形，对控制系统的性能效果进行对比、论证。

2直流电机双闭环调速系统

2.1直流电动机的起动与调速

（1）直流电动机的起动

直流电动机接通电源以后，转速从零达到稳态转速的过程称为起动过程。

直流电机的起动条件应满足以下原则：

①起动转矩要大于负载转矩；

②起动电流限制在安全范围以内；

③起动设备投资要经济适用，设备运行要安全可靠，起动时间要短。

电机开始起动时，转速，电枢绕组输出的感应电势，电机自身的电枢回路总电阻又小