直流电动机调速系统模糊控制仿真

云南大学学报(自然科学版),2005,27(5A):299~303CN 53-1045/N I SSN 0258-7971

Jour nal of Yunnan Univer sity

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直流电动机调速系统模糊控制仿真

李媛媛,赵俊杰

(上海工程技术大学电子电气工程学院,上海 200065)

摘要:分别采用模糊控制和模糊-PI D 控制对直流电动机调速系统进行设计.软件平台采用MATLAB/Simulinik 仿真模块及模糊控制工具箱,通过对输出波形的比较,可以明显地看出模糊-P ID 控制在进行直流电动机调速时优于简单模糊控制和传统PI D 控制方法.

关键词:直流电动机;模糊-PID 控制;仿真

中图分类号:TP 273 文献标识码:A 文章编号:0258-7971(2005)5A-0299-05

近年来,针对模糊控制的研究非常活跃.由于其最大的特点是不需要对象的数学模型,并且能适用于非线性、时变的复杂对象以及多变量系统,而且它在控制过程中能采用多个评价指标,控制原则的改变也比较容易,因而模糊控制在许多领域都能发挥其特长.

本文针对直流电机调速系统的非线性和结构参数易变化等特点,设计了模糊控制器,建立了转速环为模糊控制器的双闭环调速系统.将MAT 2LAB 的Fuzzy Toolbox 中的模糊推理系统工具箱与Simulink 有机地结合起来,充分利用它们各自的优势,方便地实现了模糊控制系统(FCS)的计算机仿真.同时还采用模糊PID 控制策略进行直流电机的调速系统设计,它克服了简单模糊控制和传

统PID 控制的一些缺点,从而得出模糊PID 对系统进行控制优于一般模糊控制器控制方法.

2 S imulink 下直流调速系统仿真模型的实现

直流电动机的动态结构图如图1所示.本文以某晶闸管供电的双闭环直流调速系统为被控对象,整流装置采用三相桥式电路,基本数据如下:

直流电动:220V,136A,1460r/min,C e =0.132V #min/r;晶闸管装置放大系数:K s =40;

电枢回路总电阻:R =0.58;时间常数:T l =0.03s,T m =0.18s;电流反馈系数:B =0.05V/A;

转速反馈系数:A =0.007V #min/r;三相桥式电路的平均失控时间:T s =0.0017

s.

图1 双闭环调速系统的动态结构图

F ig.1The dynamic str ucture of speed-controlling system

收稿日期:2005-07-29

基金项目:上海工程技术大学校青年基金资助项目(E542(2005Q05)).

作者简介:李媛媛(1979- ),女,硕士,助教,主要从事汽车电子及其自动化方面的研究.

电流环为典型I 型系统,选用PI 型,转速环为典型Ò型系统,也选用PI 调节器.在此按传统的工程设计方法设计出双闭环系统的电流环和转速环,得K i =1.013,S i =0.03s,K n =11.7,S n =0.087s,将其转化为PI 调节器参数,即为ACR 的K p =11013,K I =33.7,ASR 的K p =11.7,K I =134.5.因此,ACR 和ASR 可由Simulink 中的PID 模块来实现.

按照工程设计方法所得到的值输入PID 调节器,我们可以得到如图2的波形

.

图2 工程设计法输出波形

Fig.2The outputs for m engineering design method

由此仿真结果反映出用工程设计方法得到的输出波形在快速响应方面做的较好,能很快地达到

稳态值,稳态误差也几乎没有.只是从图中可看出超调较大,达到了200r/min 以上,从而可知工程设计法PI 控制的效果并不是十分优越.

2 直流电动机的模糊控制

2.1 模糊控制器的设计 根据经典的直流电动机双闭环调速系统的结构,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电机的运行特性以利于外环控制的作用,故现将转速环用模糊控制器来代替,内环仍采用传统的PI 调节器.

转速环采用简单的二维模糊控制器,其基本结构如图3所示.

输入量为直流电机给定电压与反馈电压的偏差E 以及偏差的变化率E c ,用E 的导数来表示.输出取为控制量U .

(1)模糊集合的编辑和运算 在MATLAB 命令窗口键入fuzzy 来运行模糊推理工具箱,系统就弹出一个模糊逻辑编辑器,在FILE 菜单下选择是采用Mamdani 型还是Sugeon 型模糊控制器.在

EDIT 下添加输入和输出,分别为偏差E 和偏差变化率E c 以及控制量U .在输入和输出图标上双击,可以对输入和输出的隶属函数进行编辑,如论域范围、隶属函数条数、隶属函数形状等

.

图3 模糊控制系统方框图F ig.3The fuzzy control system

(2)模糊规则编辑 进行模糊逻辑推理首先要编辑逻辑控制规则.在逻辑编辑器的view 中ed 2it rule 选项可实现此功能.

本设计选用专家经验法,用/if ,,then ,,0形式表达模糊控制规则:

If(E is NB)and(E c is NB)then(U is NB)[1]If(E is NB)and(E c is NS)then(U is NM)[1]

,,

以上模糊控制规则共计35条,这些规则如表1.

(3)模糊决策采用 与(And)方法为min,或(Or)方法为max,推理(Implication)方法为max,合成(Aggregition)方法为max,解模糊化(Defuzzifica 2tion)方法为重心法(centroid).

300云南大学学报(自然科学版) 第27卷