直流调速系统模糊控制建模与仿真毕设资料Word格式文档下载.docx

1、 PID control目录摘 要 IAbstract II1绪论 11.1论文的背景及意义 11.2 国内研究现状及展望 11.3 论文的主要内容 32直流调速系统设计 42.1直流电动机的基本结构和工作原理. 42.2直流调速系统总体方案设计 62.2.1直流电动机调速方式的选择 62.2.2单闭环直流调速系统的搭建 82.2.3直流调速系统数学模型的建立 92.2.4 控制器的类型 123 模糊控制系统研究 143.1 模糊控制概述 143.2 模糊控制设计 153.2.1模糊控制系统的核心设计 153.2.2模糊控制系统的总体设计 163.3模糊控制与PID控制比较 174系统仿真 1

2、84.1 MATLAB编程环境及Simulink组件介绍 184.2直流电机PID控制系统的建立与仿真 194.3模糊控制器算法设计 244.3.1选取模糊控制器 244.3.2建立模糊规则表 274.3.3模糊推理 284.4直流电机模糊控制系统的建立与仿真 284.5模糊-PID复合控制 304.6扰动参与的系统仿真 314.7仿真结果及分析 324.7.1动态、稳态指标分析 324.7.2抗扰动能力分析 335 总结与展望 35致谢 36参考文献 371绪论1.1论文的背景及意义在工农业生产和日常生活中，直流电机的使用非常广泛，是一种经常被用作为控制元件来使用的器件1。控制直流电机速度的

3、常用的方法是PID控制，而PID控制需要被控对象有精确数学模型，实际上在许多情况下，生产过程或者被控对象的精确数学模型由于各方面的原因无法建立。一方面，许多控制过程和被控对象的参数不确定、系统具有非线性、时变性、强耦合以及较大的随机干扰，过程机理错综复杂，在构建模型的过程中，一些参数需要估计，因为对整个控制过程和它的系统特性没有做到全面的了解，最后只能得到精简后的数学模型，而这可能与原来的系统存在较大的偏差，导致模型没有实用性。另一方面，在一些生产环境中，由于没有合适的测量方法，或者由于空间因素，测量装置无法安装，最后导致了数学模型无法建立。这种情况下，采用传统的控制方法，往往不如一个有实践经

4、验的操作人员所进行的手动控制效果好，而模糊控制就是使计算机具有这种特性的智能控制方法。模糊控制是以模糊集合论作为它的数学基础，它的核心是模糊控制规则，通常，模糊控制规则的获取是通过将人的手动控制经验转化为模糊语言形式，因此它带有相当的主观性。但是需要注意:模糊控制器对需要对被控对象有一定的了解，并不是像黑箱那样完全一无所知，而它，只不过它们是以知识模型（由人们对受控过程认识的模糊信息的归纳和操作经验的总结而形成的模型）而不是以数学模型的形式表达出来2。此外，模糊控制还有鲁棒性好、构造容易及便于进行人机交互等优点在复杂的工业生产控制领域得到了广泛的成功应用。最后，我们在MATLAB中的Simul

5、ink模块中搭建直流电动机调速系统的模型进行仿真，可以逼真地还原出实际系统。1.2 国内研究现状及展望随着微型计算机、超大规模集成电路、新型电子电力开关器件和新型传感器的出现，以及自动控制理论，电力电子技术、计算机控制技术的深入发展，直流电机的控制装置也在不断向前发展。微机的应用使直流电气传动系统趋向于数字化、智能化，极大地椎动了直流电机控制的发展。近年来 ，一些先进国家陆续推出井大量使用以微机为控制核心的主传动装置，如西门予公司的SIMOREGK6RA70、ABB公司的 PAD/ PSD 等等。数字直流控制装置，从技术上它能成功地实现了从给定信号、调节参数、直到触发脉冲的数字化，使用通用硬件

6、平台和附加软件程序控制一定功率范围的直流电机，同一台控制器甚至可以仅通过参数设定和使用不同的软件版本对不同类型的被控对象进行控制，强大的通讯功能使它容易和PLC等控制器组成整个工业控制过程系统，而且具有操作简便、抗干扰能力强等特点3 。与模拟直流调速控制系统相比，数字控制器具有灵活的调试方式，完善的保护功能、较高可靠性和系统的体积较小的优点，国外主要电气公司如瑞典的ABB公司，德国的西门子公司、AEG公司，日本的三菱公司、东芝公司，美国的GE公司、西屋公司等均已开发出多个数字直流调速装置，有成熟的系列化、标准化和模块化的应用产品。我国从20世纪60年代初试制成功第一只晶闸管以来，晶闸管直流调速

7、系统也得到了迅速的发展。目前用于中、小功率的0.4-200KW晶闸管直流调速装置已作为标准化、系列化通用产品批量生产；用于大功率的2000KW系列产品也开始在某些大型轧机上试用。晶闸管供电的直流调速系统在我国国民经济各部门得到了广泛的应用。我国关于数字直流调速系统的主要研究有:综合性最优控制，补偿 PID位制，PlD算法优化，也有的直接应用模糊控制技术。IGBT是新型电力半导体器件的发展的产物，与晶闸管相比，IGBT具有开关速度快、驱动简单和可以自关断等优点，因此我国直流电机调速也正向着PWM（脉宽调制）方向发展。目前国内还没有生产出功能完善、控制精度高且可靠、保护功能齐全等优点的数字直流控制

8、器，但这同时也给了国产全数字控制直流调速装置的发展空间。在理论方面，上世纪八十年代初，模糊推理决策系统提了出来。八十年代后期 ，由于模糊控制技术的兴起 ，在日本爆发了一次“革命”。这次革命在高科技领域取得了骄人的成果。这些成果已经被广泛的应用于各个领域。此时其他国家的研究在火热的进行中，特别是美国在这个方面投入了很多，用来支持专家人员研究模糊控制的理论和应用。在国外着手研究的同时，国内的研究也取得了良好的成果，在20世纪70年代末，模糊数学传入了我国，在1980年，中国模糊数学与模糊系统学会在我国成立了之后。我国开始研究模糊理论，在研究理论的同时进行模糊控制技术的研制和开发。 1988年，模糊

9、推理机分离元件样机 诞生了。我国最早在地震和气象预报中应用了模糊控制的理论，这是我国在模糊技术控制领域的一个较大的跨越，而且世界上第二台模糊推理机在1988年被我国研制出来了。目前，我国模糊控制技术标准化工作取得了很大进展，更为智能、可靠、操作更为简便的模糊控制技术已经在许多领域得到应用,在各个行业日益显示出强大的生命力4。 1.3 论文的主要内容 本设计将模糊控制引入了控制直流电机的调速系统中，采用了完全不同 与常规控制策略的控制方法。论文研究的主要内容 : （1）阅读学习国内外期刊文献，研究了目前控制系统的发展现状和趋势。 （2）系统的说明直流电机的系统结构和工作原理并分析，建立直流电机的

10、数学模型，并讨论传统PID控制的相关论述。 （3）分析直流调速系统的组成及其工作原理，在MATLAB中搭建直流电动机的仿真模型，对传统的PID控制的输出进行仿真分析。 （4利用Simulink的工具箱建立模糊控制器，搭建模糊控制器控制的直流调速系统。 （5）用MATLAB建立模糊控制系统与直流调速系统级联进行仿真 （6）仿真结果分析。将传统控制器与模糊控制器在直流调速系统的阶跃响应的各项参数相比较，得出结论。（7）进一步研究模糊-PID复合控制，深入了解模糊控制的优越性。2直流调速系统设计2.1直流电动机的基本结构和工作原理.（1）直流电动机的工作原理直流电动机在整个电力拖动系统中，占有十分重

11、要的地位。与交流电动机相比，直流电机的调速性能更为优越，广泛应用在大范围、高精度调速要求的场合。直流电机的作用是把电能转换为机械能。因为直流电动机具有良好的起动制动性能、较强的过载能力，以及能的范围内实现平滑很宽调速5，加之现有的直流电动机采用无刷设计，避免了电刷的维护，因而它被广泛地用于交通工具、数控机床及控制过程中，所以研究直流调速非常重要。直流电动机模型 ，如图2-1所示：图2-1直流电机工作原理图外电源从电刷AB引入直流电流，使电流从正电刷 A流入，由负电刷B流出。 此时，线圈中电流的路径为：电源正极-电刷-A-a-b-c-d-电刷-B-电源负极。根据左手定则确定的电磁力方向可知，此时

12、的电磁转矩方向是逆时针的。设电枢在电磁转矩的作用下按逆时针方向旋转，当线圈边ab由N极下面转到s极下面，线圈边cd由S极下面转型JN极下面时，由于换向器的作用，使线圈中的电流改变方向，此时电流的路径为：电源正极-电刷-A-d-c-ba- 电刷-B-电源负极。因为各磁极下线圈中的电流方向并不改变，所以就保证了电磁转矩的方向不变，从而使电枢能够连续旋转。然而，不论是从电磁转矩的平稳性考虑，还是从增大电磁转矩的角度考虑。图2-1中这个仅有一个线圈的电枢结构是很不完善的。为了使图中所示的电动机具有实用性，必须增加线圈的数量，并使线圈沿电枢表面均匀分布6。同时还应使总电磁转矩等于各个线圈产生的电磁转矩之

13、和，这样，线因数越多，总电磁转矩越大:均匀分布的线圈越多，总电磁转矩的波动就越小。（2）直流电动机的基本结构根据直流电机的工作原理可知，要实现机电能量转换，电路和磁场之间必须有相对运动。所以，旋转电机应具备静止和旋转两大部分。直流电机的静止部分称为定子，其主要作用是产生磁场，由主磁极、换向极、电刷装置 和机座等组成。转动部分就是转子，通常称为电枢，它的作用是产生感应电势和电磁转矩，由电枢铁心、电枢绕组、换向器、轴和风扇等组成。直流电机的剖面图如图2-2所示：图2-2直流电机削面示意图1.主磁极 : 主磁极的作用是建立磁场。主磁极由主极铁心和装在铁心上面的励磁绕组组成。如图2-2所示，当励磁绕组

14、中通有直流励磁电流时，气隙中就会形成一个恒定的主磁场。主机下部的扩大部分称为极靴。主极铁心通常用1-1.5mm厚的钢板冲片叠压而成。励磁绕组既可以是串联也可以是并联，单连接时应使相邻的主磁极呈N、S排列。2.电刷是电枢电路的引出（或引入）装置，它由电刷、刷杆、刷盒和连线等部分组成，如图2-2所示3.换向器：转换器装在定子的两个主磁极之间，用来改善换向。换向极也由铁心和套装在上面的换向极绕分组成。4.电枢铁心：电枢铁心不仅主磁路的重要组成部分，而且是嵌放电枢绕组的部件。铁心一般用厚0.5mm且有齿、槽的DR530或DR510的硅钢片叠压夹紧而成，小电机的电枢铁心冲片直接叠压装在转轴上，大电机的电

15、枢铁心冲片先压装在转子支架上，再把支架装在转轴上7。5机座：机座的两个作用，一是作为主磁路的一部分，二是作为电机的支持固定装置，用来固定主磁极、换向极和端盖。机座中磁通通路的部分称为磁轭。机座一般用厚钢折成桶型焊接，或者用铸钢制成。2.2直流调速系统总体方案设计2.2.1直流电动机调速方式的选择直流电动机具有良好的起、制动性能，宜于在大范围内平滑调速，在许多需要调速和快速正反向的电力拖动领域中得到了广泛的应用。由于直流拖动控制系统在理论上和实践上都比较成熟，而且从控制的角度来看，它又是交流拖动控制系统的基础。因此，为了保持由浅入深的教学顺序，应该首先很好地掌握直流拖动控制系统。直流电机转速方程

16、： （2-1） 式中 ：n 转速（r/min）； U 电枢电压（V）； I 电枢电流（A）； R 电枢回路总电阻（）； 励磁磁通（Wb）； Ke 由电机结构决定的电动势常数；由式（1-1）可以看出，有三种方法调节电动机的转速：（1）调节电枢供电电压U；工作条件：保持励磁和电阻不变，调节过程：改变电压 UNUnn0调速特性：转速下降，机械特性曲线平行下移。如图2-3所示：图2-3调压调速特性曲线（2）改变电枢回路电阻R。 保持励磁和电压U不变；调节过程：增加电阻RaRn；调速特性：转速下降，机械特性曲线变软。如图2-4所示：图2-4调阻调速特性曲线（3）减弱励磁磁通；保持电压U和电阻不变；减小励

17、磁Nn；转速上升，机械特性曲线变软。如图2-5所示：图2-5调磁调速特性曲线对于要求在一定范围内无级平滑调速的系统来说，以调节电枢供电电压的方式为最好。改变电阻只能有级调速；减弱磁通虽然能够平滑调速，但调速范围不大，往往只是配合调压方案，在基速（即电机额定转速）以上作小范围的弱磁升速。 因此，自动控制的直流调速系统我们选择调压调速。2.2.2单闭环直流调速系统的搭建直流调压调速是现代工业实际生产中应用相当广泛的一种调速方法，利用电力电子元器件的可控性，再使用脉宽调制技术加以调制 ，就构成了直流脉宽调速系统。电气原理结构图如图2-6所示。图2-6直流脉宽调速系统的电气原理结构图调节原理是在反馈控

18、制的闭环直流调速系统中，与电动机同轴安装一台测速发电机 TG ，从而引出与被调量转速成正比的负反馈电压Un ，与给定电压 U*n 相比较后，得到转速偏差电压Un ，经过放大器 A，产生电力电子变换器UPE的控制电压Uc ，用以控制电动机转速n。 将上述直流调速系统原理图抽象成动态结构框图，分析直流调速系统，如图2-7所示：图2-7 直流调速系统动态结构框图图中ASR代表转速调节器，它可以是PID控制器或模糊控制器；Ks代表电力电子变换器模型；1/Ce代表直流电动机模型;表示反馈环节；IdR表示扰动或负载。下面就上述结构框图中的各个环节的数学模型进行推导。2.2.3直流调速系统数学模型的建立为了

19、分析调速系统的稳定性和动态品质，必须首先建立描述系统动态物理规律的数学模型，对于连续的线性定常系统，其数学模型是常微分方程，经过拉氏变换，可用传递函数和动态结构图表示。 建立系统动态数学模型的基本步骤如下：（1）根据系统中各环节的物理规律，列出描述该环节动态过程的微分方程；（2）求出各环节的传递函数；构成系统的主要环节是电力电子变换器和直流电动机。不同电力电子变换器的传递函数，它们的表达式是相同的，都是：（2-2）直流电动机的等效电路如图2-8所示图2-8 他励直流电动机等效电路 假定主电路电流连续，则动态电压方程为： （2-3）如果，忽略粘性磨擦及弹性转矩，电机轴上的动力学方程为： （2-4

20、） （2-5）（2-6）额定励磁下的感应电动势和电磁转矩分别为：式中：TL-包括电机空载转矩在内的负载转矩，N-m ; GD2 电力拖动系统折算到电机轴上的飞轮惯量，N-m2；电机额定励磁下的转矩系数N-m/A；定义下列时间常数 电枢回路电磁时间常数，s； 电力拖动系统机电时间常数，s。代入式（2-2）和（2-3）,并考虑式（2-4）和（2-5），整理后得（2-7）式中为负载电流在零初始条件下，取等式两侧的拉氏变换，得电压与电流间的传递函数 （2-8）电流与电动势间的传递函数 （2-9）综合由以上各式得直流电机框图如图2-9：图2-9直流电动机的动态的结构图放大器传函（2-10）测速反馈传函（

21、2-11）（3）组成系统的动态结构图并求出系统的传递函数。知道了各环节的传递函数后，把它们按在系统中的相互关系组合起来，就可以画出闭环直流调速系统的动态结构图，如图2-10所示。由图可见，将电力电子变换器按一阶惯性环节处理后，带比例放大器的闭环直流调速系统可以看作是一个三阶线性系统。图2-10直流调速系统的动态的结构图设Idl=0，从给定输入作用上看，闭环直流调速系统的闭环传递函数是： （2-12）进一步得反馈控制闭环直流调速系统的特征方程为：（2-13）根据三阶系统的劳斯判据，系统稳定的充分必要条件是：（2-14）对于一个自动控制系统来说，稳定性是它能否正常工作的首要条件，是必须保证的。2.

22、2.4控制器的类型 PID调节器适合于很多工业控制对象，尤其对线性定常系统非常有效，被广泛应用于汽车、电机驱动器、飞行控制和仪器仪表等各个领域方面。对于大多数非线性系统，如果PID参数调整正确，PID控制器可以提供较好的鲁棒性能和较高的可靠性。但PID最优参数选取困难，调节时间长，需要已知被控制住对象的传递函数，对于那些非线性、大滞后、大惯性系统无法控制。本文将探讨PID控制器阶跃响应法控制直流系统的性能，并与模糊逻辑法进行比较。 传统的控制器通过求解示控制对象状态的一组微分方程对输出结果进行调整。而下文中我们介绍的模糊逻辑控制器则以过程函数的状态变化和逻辑模型产生的规则为基础，利用模糊逻辑推

23、理构建“一种自由模型”的非线性控制算法，特别适用于那些需要复杂数学推理计算进行定量技术分析的被控对象，或者是定性、非确定性和非精确的被控对象3。下文将分析PID控制器，模糊控制器与模糊-PID复合控制器，并对三种方法在控制直流电机在速度方面的性能指标进行了比较。3 模糊控制系统研究3.1 模糊控制概述对于复杂控制对象或过程，常规自适应控制技术虽然可以解决一些问题，但范围和性能很有限。对于那些难以建立数学模型的复杂被控对象，采用传统的控制方法，包括基于现代控制理论的控制方法，往往不如一个有实践经验的操作人员所进行的手动控制效果好。模拟人的知识和思维特点，将自然语言引入计算机知识存储和推理，让计算机发挥智能、具有灵活性，这也是计算智能的主要发展方向。模糊控制就是使计算机具有这种特性的智能控制方法8。 与依据系统行为参数的传统控制器设计方法不同，模糊控制器设计是依赖设计者的经验。在传统控制器中，控制的核心是系统的数学模型；而模糊控制器控制的核心是模糊规则。改善模糊控制性能的方法是优化模糊控制规则、调整模糊描述。通常，模糊控制规则的