直流电动机调速系统模糊控制的仿真

直流电动机调速系统模糊控制的仿真

摘要针对直流电动机调速系统的非线性和结构参数易变化等特点，本文设计了模糊控制器，建立了转速环为模糊控制的双闭环调速系统。为了验证模糊控制器的控制效果，本文对直流电动机的参数变化、负载突变等不同情况进行了仿真研究，并将仿真结果与常规PID

控制进行比较。结果表明，模糊控制器在电机参数变化或负载突变时具有较好的控制性能。关键词直流电动机控制器仿真

1引言

直流电动机具有良好的起、制动性能，在电力拖动自动控制系统，如轧钢机及其辅助机械、矿井卷杨机等领域中得到了广泛应用。然而传统直流电动机双闭环调速系统大多采用结构简单、性能稳定的常规PID控制技术，由于在实际的传动系统中，电机本身的参数和拖动负载的参数(如转动惯量)并不如模型那样一成不变，在某些应用场合会随工况而变化；同时，电机本身是一个非线性的被控对象，许多拖动负载含有弹性或间隙等非线性因素。因此被控制对象的参数变化与非线性特性，使得线性的常参数的PID调节器常常顾此失彼，不能使系统在各种工况下都能保持设计时的性能指标，往往使得控制系统的鲁棒性差，特别是对于模型参数大范围变化且具有较强非线性环节的系统，常规PID调节器难以满足高精度、快响应的控制要求，常常不能有效克服负载、模型参数的大范围变化以及非线性因素的影响［1］。

模糊控制是一种典型的智能控制方法，广泛地应用于自然科学和社会科学的许多领域［1］，其最大的特点是将专家的经验和知识表示为语言控制规则，并用这些控制规则去控制系统，这样它可以不依赖于被控制对象的精确数学模型，能够克服非线性因素的影响，对被控制对象的参数具有较强的鲁棒性。

为了验证模糊控制器具有对被控制对象参数变化适应能力强的特点，本文以实际的直流电动机双闭环调速系统为例，设计了相应的模糊控制器，建立了直流电动机双闭环调速系统模糊控制的仿真模型，仿真结果表明，模糊控制器在负载突变或电机参数变化时具有较好的控制性能，充分体现了其适应于非线性时变、滞后

系统的控制以及鲁棒性强的特点。

2双闭环调速系统的模糊控制

2.1调速系统的模糊控制模型

根据经典的直流电动机双闭环调节系统的结构，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运行特性以利于外环控制的作用，本文在建立直流电动机双闭环调速系统的模糊控制模型中，转速环采用模糊控制器，而内环仍然采用传统的PI调节器。考虑实际电动机的运行，在电流环PI

调节器的设计中积分作用项加上了内限幅环节，而电流调节器的输出则加上了外限幅环节(在仿真中内限幅值取±50，外限幅值取±500)。在仿真软件MATLAB/S IMULINK环境下建立常规PI电流调节器模型如图1所示。整个调速系统的模糊

控制模型如图2所示。

2.2转速环模糊控制器的设计

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，输入量为直流电动机转子角速度给定值和实际值的偏差e以及偏差的变化量de，其输出为电流的给定值，进一步作为电流调节器的输入。为了方便起见，在模糊控制器的设计中，其输入输出的语言变量值取相同，其相应的隶属度函数如表1所示。

考虑输入设定值的大小将影响到模糊控制器论域的设定，假定输入给定值(转子角速度给定)的范围为［0,80］，而模糊控制器的输入、输出变量的论域分别取为：e=［-150,150］，de=［-30,30］，u=［-100,100］。根据表1的隶属度函数以及直流电动机双闭环调速系统的控制经验，得到如表2所示的模糊控制规则表。根据设计的模糊控制器，考虑到实际控制系统的非线性，同样在转速环设计

中增加了相应的限幅环节，建立其转速环的模糊控制器模型如图4所示。

3仿真结果分析

本文以一台实际的他励直流电动机为被控制对象，直流电动机主要参数为：额定功率PN=5hp，额定电压UN=240V，额定电枢电流IN=16.2A，额定转速nr=1220r /min，电枢电阻Ra=0.6Ω，电感La=0.012H，励磁电阻Rf=240Ω，励磁电感Lf =120H，互感Laf=1.8H。

为了验证转速环模糊控制器的准确性，本文对角速度的阶跃响应特性进行了仿真；为了比较模糊控制器在电机参数变化或负载突变时的控制效果，本文分别对转速的稳态调节、电枢电阻变化以及负载突变时的响应特性进行了仿真研究，并

将仿真结果与转速环采用常规PID控制器的情况进行了比较。

3.1角速度的阶跃响应特性

给定系统的阶跃输入角速度80rad/s，通过调节比例因子(Ke=10，Kec=0.1,Ku=1 00)，得到相应的转速阶跃响应曲线如图5所示，此时的电枢电流响应曲线如图6所示。从仿真曲线中可以看出，双闭环调速系统的模糊控制效果令人满意。

3.2转速的稳态调节特性

图7和图8为转子角速度给定值从40rad/s变化到80rad/s的转速响应曲线和电枢电流响应曲线，其中标识1、标识2分别表示转速环采用常规PID控制和模糊

控制时的仿真曲线(以下标识的含义相同)。

3.3电枢电阻变化时响应特性

图9和图10为电枢电阻增加10时的转速响应曲线和电枢电流响应曲线。从仿真曲线可以看出，模糊控制器对电枢电阻增加时的控制效果影响不大，而采用常规

PID控制时，动态控制效果差，过渡时间长。

3.4负载突变时的响应特性

图11和图12是负载阶跃为30N·m时的转速响应曲线和电枢电流响应曲线。从仿真曲线可以看出，模糊控制器对负载突变具有良好的适应能力，电枢电流的过渡过程时间短，并最终达到给定值；而采用常规PID控制时，当负载突变后电枢

电流开始失调，导致输出转速很难跟随给定值。

4结论

针对直流电动机调速系统的非线性和结构参数易变化等特点，本文设计了相应的模糊控制器，同时建立转速环为模糊控制的双闭环调速系统。通过仿真分析并与常规PID控制比较表明，当输入阶跃变化、电机参数突变、负载突变等情况下，模糊控制器能起到良好的控制性能；而常规的PID控制器尽管能达到一定的效果，但是当电机参数变化、负载突变时，基本上不具备参数变化的适应能力。另外，仿真研究进一步验证了模糊控制可以不依赖于被控制对象的精确数学模型，能够克服非线性因素的影响，可以将模糊控制器进一步应用于交、直流电力拖动系统的控制中。

参考文献