直流伺服电机模糊控制

主要内容

• 91 g

•直流电机模型的建立•控制器设计

•系统仿真

•结论

•参考文献

直流电动机在整个电力拖动应用中，占有十分重要的地位。相对于交流电动机，直流电机的调速性能更为优越，在大范围、高精度调速要求的应用中，成为首选。特别是现有的直流伺服电动机因多采用无刷设计，避免了电刷的维护，降低了外型尺寸，而被广泛应用于数控机床、过程控制中。因此，研究直流电动机的调速具有重要意义。由于电机的参数和模型受到其应用环境的影响，常规的PID控制在电机参数发生变化时，将变得不可靠。文中将模糊逻辑技术应用到电机调速系统中，可有效地避免电动机模型及外加载荷的变化对系统的影响。

直流伺服电机模型

电动机电枢回路的电压平衡方程

La + R a i a （；）+ e 。（/） = U a （/）

电动机的反电动势方程 必）=S （r ） 电动机的电磁转矩方程

电动机的粘性摩擦力矩方程

电动机轴上的转矩平衡方程

根据以上方程可得到系统的数学模型，系统方框图如下图所示。

贝软

+

电动机电枢回路的电磁时间常数电动机电枢回路的机

械时间常数电压传递系数

转矩传递系数

Ra 电枢绕组的电阻(C)

La 电枢绕组的电感(H)

J 转动部分折算到电动机轴上的总转动惯量(Nms2) Ce 电动机的电动势常数(Vs/rad)

Cm 电动机的转矩常数(Vm/A)

co(t) 电动机角速度(rad/s)

ua(t) 电枢电压(V)

ea(t) 电动机旋转时电枢两端的反电动势(V)

ia(t) 电枢电流(A)

Mc(t) 负载转矩(Nm)

直流伺服电机Simulink 模型

直流电机参数为：

La = 0・5H, Ra =2Q, Ce=0.2Vs/rad, Cm = 0.2Vm/A, J = l ・2Nms2, Cf=0・2 Nms /rad

图2单位阶跃响应曲线

根据以上参数得到电机仿真模型 及单位阶跃响应曲线如图所示：

PI D控制器及参数自整定模糊控制

PID控制器的设计

典型PID只能利用一组固定参数进行控制，这些参数不能兼顾动态性能和静态性能之间、设定值和抑制扰动之间的矛盾。为此，控制系统引入模糊推理，在PID

初值基础上通过增加修正参数进行整定，改善系统动态性能。

+

图1常规PID控制器系统结构

图2参数自整定模糊PID控制器系统结构

模糊控制器设计

PID参数模糊自整定的原贝(I

(1)|E|较大时，为加快系统响应速度，应取较大Kp；同时，为避免由于开始时e的瞬时变大可能出现的微分过饱和而使控制作用超出许可范围，应取较小Kd；为防止出现较大超调，产生积分饱和，应对积分加以限制，取Ki为零；

(2)|E|和|EC|处于中等大小时，为使系统具有较小的超调，Kp应取小一些，Ki取值要适当，Kd要大小适中，以保证系统响应速度；

(3)当|E|较小，即接近设定值时，为使系统有良好的稳态性能，应增加Kp, Ki取值。同时，为避免系统在设定值附近出现震荡，并考虑系统抗干扰性能，当|E|较大时，Kd可取小一些；|EC|较小时，Kd取大一些。

控制系统仿真图

50

U0

Ua

MOTOR

通过衰减曲线法整 定PID 参数，得到

Kp=100 Ki=45 Kd = 0.785

量化因子和比例因子的取值:

Ke

Kec dKp clKi dKd 0. 2

0. 018

5 380

8

CL

In1

图1 PID 子系统结构图

给定角速度为250rad/s,负载转矩为lOONm

2*舞

--- PID

—給定值

--- FuzzyPID

400

350 300 250 200 150 100 50 0 300

250

200

150

50

5

—PID

—繪定值

---- FuzzyPID

/ \

/

、

/ /

\

/ Z f / / / X

\

\ \ \ \

\

/ / f

\

\

、

/

刑

2(2

24

”

4.)

350

400

350

300

250

200

150

100

50

400

3.5 350

2 2.5

300

250

200

150

100

50

给定值、转矩信号—给定值

--- FuzzyPID

C3

39C

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94 P /\

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