模糊pid控制在直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中的應(yīng)用

模糊pid控制在直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中的應(yīng)用

0模糊控制仿真目前，工業(yè)自動(dòng)化水平是衡量全球工業(yè)水平的重要標(biāo)志。經(jīng)典的pid（比例分?jǐn)?shù)）控制器仍然是最廣泛使用的工業(yè)控制器。隨著現(xiàn)代控制技術(shù)的發(fā)展,傳統(tǒng)PID控制方法已難以滿足控制指標(biāo)的要求。主要表現(xiàn)為:采用離線調(diào)節(jié),難以在線調(diào)整控制參數(shù),動(dòng)態(tài)特性不太理想;不具有自適應(yīng)控制能力;對(duì)時(shí)變、非線性系統(tǒng)控制效果不佳。而模糊控制是以模糊數(shù)學(xué)為理論基礎(chǔ),根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)或工程經(jīng)驗(yàn)概括抽象成一系列模糊規(guī)則,并借助計(jì)算機(jī)來(lái)完成控制的方法,由于模糊控制具有一系列的優(yōu)點(diǎn),因此有著良好的應(yīng)用前景。本文將常規(guī)PID控制和模糊控制結(jié)合起來(lái),設(shè)計(jì)了兩種模糊PID控制器并將其運(yùn)用到雙閉環(huán)直流控制系統(tǒng)中,通過(guò)運(yùn)用Matlab對(duì)其進(jìn)行了仿真研究,得到了模糊PID控制在雙閉環(huán)直流控制應(yīng)用中具有響應(yīng)速度快、魯棒性強(qiáng)以及不依賴被控對(duì)象數(shù)學(xué)模型的優(yōu)點(diǎn)。同時(shí),通過(guò)分析設(shè)計(jì)的兩種控制器的各自特點(diǎn),給出了它們適合的應(yīng)用環(huán)境。1制的領(lǐng)域dp作為智能控制的一個(gè)重要分支,模糊控制是以模糊集合論、模糊語(yǔ)言變量和模糊邏輯推理為基礎(chǔ)的一種計(jì)算機(jī)控制方法,在控制領(lǐng)域獲得了廣泛應(yīng)用。常規(guī)模糊控制的輸入一般是系統(tǒng)的偏差以及偏差的導(dǎo)數(shù),與常規(guī)PID控制中的比例環(huán)節(jié)(P)和微分環(huán)節(jié)(D)的作用類似,根據(jù)經(jīng)典的控制理論知道,純粹的PD控制是有靜差的控制,解決的方法是增加積分環(huán)節(jié)(I)以減少系統(tǒng)穩(wěn)定時(shí)靜差。同理,可以將這種思想運(yùn)用到改進(jìn)常規(guī)模糊控制的問(wèn)題上,這樣產(chǎn)生了兩種不同模糊PID控制方法。1.1傳統(tǒng)模糊控制與積分輸入環(huán)節(jié)i的控制在原有模糊控制中直接加入積分環(huán)節(jié),形成模糊-PID混合控制策略,給出混合控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖(1)所示。1.2模糊控制與pid控制相結(jié)合PID調(diào)節(jié)器的積分調(diào)節(jié)作用可使系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差為0,有很好的消除穩(wěn)態(tài)誤差的作用。因此也可以將模糊控制和PID控制相結(jié)合,即當(dāng)誤差在某一個(gè)閾值以外時(shí),采用模糊控制,以獲得良好的瞬態(tài)性能;而當(dāng)誤差落到閾值以內(nèi)時(shí),則采用PID控制,以獲得良好的穩(wěn)態(tài)性能。這種模糊與PID兩種控制模式相結(jié)合的控制方法又被稱之為Fuzzy-PID雙模控制,其結(jié)構(gòu)圖如圖(2)所示。2雙環(huán)流速度系統(tǒng)的模糊信號(hào)控制2.1雙閉環(huán)直流配裝系統(tǒng)模型轉(zhuǎn)速和電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)是典型的直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理如圖3所示。圖中:ASR(S)為轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器傳遞函數(shù);ACR(s)為電流調(diào)節(jié)器傳遞函數(shù);Ton為轉(zhuǎn)速反饋時(shí)間常數(shù);Toi為電流反饋時(shí)間常數(shù);Ts為三相橋式電路平均失控時(shí)間;Tl為電磁時(shí)間常數(shù);Tm為機(jī)電時(shí)間常數(shù);Ce為電動(dòng)機(jī)電動(dòng)勢(shì)常數(shù);Ks為晶閘管裝置放大系數(shù);R為電樞回路總電阻;afa為轉(zhuǎn)速反饋系數(shù);beita為電流反饋系數(shù);TL為負(fù)載轉(zhuǎn)距;Un為給定轉(zhuǎn)速輸入;n為輸出反饋轉(zhuǎn)速;Ui為給定電流調(diào)節(jié)器輸入信號(hào);Id為電樞電流。雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的特點(diǎn)是電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和電流分別由兩個(gè)獨(dú)立的調(diào)節(jié)器控制,而且轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出Ui就是電流調(diào)節(jié)器的給定。電流環(huán)能夠隨轉(zhuǎn)速的偏差調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)電樞的電流Id。電流內(nèi)環(huán)的作用是使電樞電流Id服從其給定值Ui,Ui不變時(shí),它表現(xiàn)為恒流調(diào)節(jié),否則表現(xiàn)為隨動(dòng)調(diào)節(jié)。當(dāng)轉(zhuǎn)速低于給定轉(zhuǎn)速時(shí),ASR的積分作用使輸出增加。電流給定上升,并通過(guò)電流環(huán)調(diào)節(jié)使電樞電流Id增加,電動(dòng)機(jī)獲得加速轉(zhuǎn)矩,電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速上升;當(dāng)實(shí)際轉(zhuǎn)速高于給定轉(zhuǎn)速時(shí),ASR的輸出減小,即電流給定減小,并通過(guò)電流環(huán)調(diào)節(jié)使電樞電流下降,電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩減小,從而轉(zhuǎn)速下降。2.2模糊-pid混合控制器傳統(tǒng)的直流電動(dòng)機(jī)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中ASR和ACR多采用結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能穩(wěn)定的帶限幅的PI調(diào)節(jié)控制器。在實(shí)際生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng),由于各種因素,如控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)與實(shí)際有偏差;電機(jī)本身的參數(shù)和拖動(dòng)負(fù)載的參數(shù)(如轉(zhuǎn)動(dòng)慣量)并不如模型那樣不可變化,在某些應(yīng)用場(chǎng)合會(huì)隨工況而變化;同時(shí),電機(jī)本身是一個(gè)非線性的被控對(duì)象,許多拖動(dòng)負(fù)載含有彈性或間隙等非線性因素。因此被控制對(duì)象的參數(shù)變化與非線性特性,使得PI控制器的參數(shù)往往難以達(dá)到最優(yōu)狀態(tài),而且控制參數(shù)難以跟隨現(xiàn)場(chǎng)的動(dòng)態(tài)變化。由于模糊控制不需要精確的數(shù)學(xué)模型,能夠根據(jù)日常生產(chǎn)中的經(jīng)驗(yàn)規(guī)則動(dòng)態(tài)地輸出,因此可以運(yùn)用模糊PID控制方法來(lái)改進(jìn)控制方案。ASR環(huán)節(jié)分別采用上面介紹的模糊-PID混合控制器和分段模糊PID控制器,如下:E、EC和U的論域分別為:[-6,6]、[-400,400]、[-50,50];設(shè)置E、EC和U均服從高斯隸屬函數(shù)曲線分布。根據(jù)控制經(jīng)驗(yàn),可得針對(duì)E、EC、U三個(gè)參數(shù)的模糊控制規(guī)則表,如下表1所示。3模擬結(jié)果和分析3.1pid的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性在MATLAB中將模糊PID控制器以及分段模糊PID控制器與常規(guī)PID控制器對(duì)比仿真。仿真中,在0.55s時(shí)加入了一個(gè)負(fù)載擾動(dòng),得雙閉環(huán)系統(tǒng)響應(yīng)結(jié)果如圖6所示:圖中曲線(1)為模糊PID混合控制的響應(yīng)曲線,曲線(2)為分段模糊PID的響應(yīng)曲線,曲線(3)為對(duì)比的常規(guī)PID的響應(yīng)曲線從仿真結(jié)果可知:在電樞電流響應(yīng)曲線的上升過(guò)程中,分段模糊PID控制的響應(yīng)速度最快;模糊PID混合控制次之;常規(guī)PID控制最慢。電樞電流的超調(diào)量最小的是模糊PID混合控制;分段模糊PID的超調(diào)量最大;常規(guī)PID居中。而在電樞電流的下降階段,則是常規(guī)PID控制的動(dòng)態(tài)性能最差,上下波動(dòng)很大。從轉(zhuǎn)速方面來(lái)看,分段模糊PID的轉(zhuǎn)速響應(yīng)上升最快;模糊PID混合控制的響應(yīng)速度次之;常規(guī)PID控制的響應(yīng)最慢。另外,采用了模糊PID混合控制時(shí)幾乎沒(méi)有轉(zhuǎn)速超調(diào),而分段模糊PID和常規(guī)PID控制都有超調(diào),且常規(guī)PID控制的超調(diào)量較大。在動(dòng)態(tài)響應(yīng)的仿真過(guò)程中加入了轉(zhuǎn)距擾動(dòng),從圖6可知:三種控制器的轉(zhuǎn)速變化過(guò)程是一致的,而電樞電流的動(dòng)態(tài)響應(yīng)過(guò)程則有所不同:常規(guī)PID控制的動(dòng)態(tài)響應(yīng)的超調(diào)量非常明顯;而采用模糊PID和分段模糊PID混合控制的系統(tǒng)響應(yīng)過(guò)程則近似,都具有動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間短且無(wú)超調(diào)的優(yōu)點(diǎn)。3.2分段模糊pid控制器設(shè)計(jì)分析根據(jù)兩種模糊PID控制器的原理分析可知:兩種改進(jìn)后的模糊控制器都能較好解決系統(tǒng)穩(wěn)定響應(yīng)有靜差問(wèn)題。進(jìn)一步通過(guò)對(duì)比仿真可知,兩種模糊控制器都各具特點(diǎn):(1)從階躍響應(yīng)時(shí)的動(dòng)態(tài)性能上:分段模糊PID控制由于結(jié)合了模糊控制器的響應(yīng)速度快和常規(guī)PID控制無(wú)靜差控制的優(yōu)點(diǎn),因而動(dòng)態(tài)性能優(yōu)于模糊-PID混合控制。(2)從兩種控制器的設(shè)計(jì)來(lái)看,模糊-PID混合控制器設(shè)計(jì)較分段模糊PID控制器簡(jiǎn)單,原因主要有以下兩點(diǎn):一是模糊-PID混合控制器結(jié)構(gòu)主要由模糊控制和積分環(huán)節(jié)兩部分組成,而分段模糊PID控制器則是由模糊控制、PID控制和閾值選擇開(kāi)關(guān)三部分組成,控制環(huán)節(jié)的增多必然會(huì)導(dǎo)致設(shè)計(jì)上更加復(fù)雜,硬件上設(shè)備更加龐大;二是分段模糊PID控制器設(shè)計(jì)時(shí)需要調(diào)節(jié)的參數(shù)要多于模糊-PID混合控制器,除了模糊環(huán)節(jié)和積分環(huán)節(jié)參數(shù)同樣需要調(diào)節(jié)外,比例系數(shù),微分系數(shù)以及閾值都需要調(diào)節(jié),因而在參數(shù)調(diào)整上需要花費(fèi)更多時(shí)間,使得分段模糊PID控制器設(shè)計(jì)更加復(fù)雜。(3)分段模糊PID控制器有閾值選擇開(kāi)關(guān),在閾值開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換的過(guò)程中容易造成響應(yīng)的波動(dòng),在仿真響應(yīng)圖中就顯示出電樞電流在達(dá)到穩(wěn)定值前分段模糊PID控制器因?yàn)橛锌刂撇呗缘霓D(zhuǎn)換而有一個(gè)較大的超調(diào)量,因而在設(shè)計(jì)時(shí)需特別注意,這樣也使得分段模糊PID控制器的設(shè)計(jì)更為復(fù)雜。通過(guò)以上的分析,可以得出兩種模糊PID控制的應(yīng)用環(huán)境。分段模糊PID控制適合運(yùn)用于科研或者對(duì)控制性能要求高而對(duì)設(shè)計(jì)成本無(wú)嚴(yán)格要求的控制場(chǎng)合中;而在本例即應(yīng)用于直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中時(shí),采用模糊PID混合控制則可以較好地改進(jìn)常規(guī)PID控制,從而改進(jìn)控制效果,并且能夠有效地控制設(shè)計(jì)時(shí)的成本。4模糊pid控制器的應(yīng)用環(huán)境通過(guò)將兩種模糊PID控制應(yīng)用到直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中的仿真研究,可以得出模糊PID控制具有響應(yīng)速度快、動(dòng)態(tài)性能好、魯棒性強(qiáng)以及設(shè)計(jì)控制器時(shí)不依賴被控對(duì)象精確的數(shù)學(xué)模型的優(yōu)點(diǎn),同