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1、双闭环直流调速系统的设计与仿真学 院自动化学院专 业自动化班 级学 号姓 名指导教师负责教师沈阳航空航天大学20xx年6月摘 要转速、电流双闭环控制直流调速系统是性能很好、应用最广的直流调速系统。根据晶闸管的特性，通过调节控制角大小来调节电压。基于设计题目，直流电动机调速控制器选用了转速、电流双闭环调速控制电路。在设计中调速系统的主电路采用了三相全控桥整流电路来供电。本文首先确定整个设计的方案和框图。然后确定主电路的结构形式和各元部件的设计，同时对其参数的计算，包括整流变压器、晶闸管、电抗器和保护电路的参数计算。接着驱动电路的设计包括触发电路和脉冲变压器的设计。最后，即本文的重点设计直流电动机
2、调速控制器电路，本文采用转速、电流双闭环直流调速系统为对象来设计直流电动机调速控制器。为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用，可在系统中设置两个调节器，分别调节转速和电流，即分别引入转速负反馈和电流负反馈，二者之间实行嵌套联接。从闭环结构上看，电流环在里面，称作内环；转速环在外边，称做外环。这就形成了转速、电流双闭环调速系统。先确定其结构形式和设计各元部件，并对其参数的计算，包括给定电压、转速调节器、电流调节器、检测电路、触发电路和稳压电路的参数计算然后最后采用MATLAB/SIMULINK对整个调速系统进行了仿真分析，最后画出了调速控制电路电气原理图。关键词：双闭环； 转速调节器；电流调节器
3、Double closed loop dc speed control system design and simulationAbstractThe electric drive automatic control system is transforms the electrical energy the mechanical energy the installment, it widely is applied in produces the machinery to need generally the power the situation, is also widely appl
4、ied in the precision machinery and so on needs the high performance electric drive in the equipment, with controls the position, the speed, the acceleration, the pressure, the tensity and the torque and so on.What this article elaborates is “the rotational speed, the electric current double closed l
5、oop cocurrent velocity modulation system rephrases in own words the single closed loop cocurrent velocity modulation systems main circuit design and the research”. The main circuit design is rests on the thyristor - electric motor (V-M) the system composition, Its system by rectification transformer
6、 TR, the thyristor rectification speeder, flat wave reactor L and the electric motor - power set and so on is composed. After rectification transformer TR and the thyristor rectification speeders function is the alternating current rectification which, inputs turns the direct current; The flat wave
7、reactor L function is causes the output the direct current to be smoother; The electric motor - power set provides the three-phase AC power source. Key words: direct-current velocity modulation thyristor double closed loop符 号 表n转速r/min滞后时间常数sU电压V积分时间常数sI电流A电动势系数Vmin/rR电阻励磁磁通Wb晶闸管整流器放大系数L主电路电感H电磁时间常数
8、s机电时间常数s目 录1 绪论11.1 任务背景11.2 直流双闭环调速系统介绍11.3 调速系统总体设计22 双闭环直流调速系统电路设计52.1 晶闸管电动机主电路的设计52.1.1 主电路设计52.1.2 主电路参数计算62.2 转速、电流调节器的设计72.2.1 电流调节器72.2.2 转速调节器102.3 转速检测和电流检测的电路设计123 常规PID控制设计及仿真133.1 常规PID控制器理论133.2 系统仿真144 模糊控制器设计及仿真204.1 模糊控制基本理论204.1.1 模糊化204.1.2 模糊控制规则214.1.3 模糊推理214.1.4 模糊判决224.2 模糊控
9、制器设计224.2.1 常规模糊PID控制+积分环节（I）控制234.3 运用模糊PID控制对双闭环直流调速系统进行仿真235 调速系统的性能比较315.1 单闭环直流调速系统与双闭环直流调速系统的比较315.1.1 单闭环直流调速系统的分析与设计315.1.2 转速反馈闭环调速系统的仿真32图5-4 电动机电流的仿真结果335.1.3 单闭环与双闭环的性能比较345.2 常规PID控制与模糊PID控制的比较355.3 经济价值分析36参考文献37致 谢381 绪论1.1 任务背景 自7O年代以来，国内外在电气传动领域内，大量地采用了“晶闸管直流电动机调速”技术。尽管当今功率半导体变流技术已有
10、了突飞猛进的发展，但在工业生产中晶闸管直流电动机调速技术的应用量还是占有相当的比重 。在工程设计与理论学习过程中，会接触到大量关于调速控制系统的分析、综合与设计问题。传统的研究方法主要有解析法，实验法与仿真实验，其中前两种方法在具有各自优点的同时也存在着不同的局限性。以计算机作为工具的计算和仿真技术能为各种不同的控制系统提供一种方便，灵活多变的“活的数学模型”，在这个“活的数学模型”上进行实验研究，不仅省钱，而且安全，周期短、见效快.鉴于上述优点，我们需要开发和研究既能够进行直流双闭环的系统设计，又能将设计结果进行系统仿真的软件，以方便工程设计和理论学习。1.2 直流双闭环调速系统介绍双闭环直
11、流调速系统是一种当前应用广泛、经济、适用的电力传动系统。它具有动态响应快、抗干扰能力强优点。我们知道反馈闭环系统具有良好的抗绕性能，它对于被反馈环的前向通道上的一切扰动作用都能有效的加以抑制。采用转速反馈和PI调节器的单闭环调速系统可以在保证系统稳定的条件下实现转速无静差。但如果对系统的动态性能要求较高，例如要求起制动，突加负载动态过程的电流或转矩。在单闭环系统中，只有电流截止负反馈环节是专门用来控制电流的。但他只是在超过临界电流值以后，强烈的负反馈作用限制电流的冲击，并不能很理想的控制电流的动态波形。在实际工作中我们希望在电机最大电流受限的条件下，充分利用电机的允许过载能力，最好是在过渡过程
12、中始终保持电流转矩为允许最大值，是电力拖动系统尽可能用最大的加速度起动，到达稳态转速后，又让电流立即降下来，使转矩马上与负载想平衡，从而转入稳态运行。这时，启动电流成方波形，而转速是线性增长的。这是在最大电流转矩受限的条件下调速系统所能得到的最快的启动过程。实际上，由于主电路电感的作用，电流不能突跳，为了实现在允许条件下最快启动，关键是要获得一段使电流保持为最大值的恒流过程，按照反馈控制规律，电流负反馈就能得到近似的恒流过程。问题是希望在启动过程中只有电流负反馈，而不能让它和转速负反馈同时加到一个调节器的输入端，到达稳态转速后，又希望只要转速负反馈，不在让电流负反馈发挥主作用，因此我们采用双闭
13、环调速系统。这样就能做到既存在转速和电流两种负反馈作用又能使它们作用不同的阶段。在设计过程中，为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用，需要设置两个调节器，分别调节转速和电流，两者之间实行串级连接，即把转速调节器的输出当作电流调节器的输入，再用电流调节器的输出去控制晶闸管整流器的触发装置。从闭环结构上看，电流调节环在里面，叫内环；转速调节环在外面，叫外环。这样就形成了转速、电流双闭环调速系统。1.3 调速系统总体设计直流双闭环调速系统中设置了两个调节器, 即转速调节器(ASR)和电流调节器(ACR), 分别调节转速和电流, 即分别引入转速负反馈和电流负反馈。两者之间实行嵌套连接，且都带有输出限幅
14、电路。转速调节器ASR的输出限幅电压决定了电流给定电压的最大值；电流调节器ACR的输出限幅电压限制了电力电子变换器的最大输出电压。由于调速系统的主要被控量是转速, 故把转速负反馈组成的环作为外环, 以保证电动机的转速准确跟随给定电压, 把由电流负反馈组成的环作为内环, 把转速调节器的输出当作电流调节器的输入，再用电流调节器的输出去控制电力电子变换器UPE，这就形成了转速、电流双闭环调速系统。如图1-1所示： 电流 检测 三相全控桥 直流电动机 _ Ui 电流调节器三相集成 触发器 速度调节器给定 电压 Un*+ U Ui* UcUdn _ + 转速 检测 Un图1-1 直流双闭环调速系统为了获
15、得良好的静、动态性能，转速和电流两个调节器一般都采用PI调节器。这样构成的双闭环直流调速系统。其原理图如图1-2所示：图1-2 直流双闭环调速系统原理图 直流双闭环调速系统由给定电压、转速调节器、电流调节器、三相集成触发器、三相全控桥、直流电动机及转速、电流检测装置组成，其中主电路中串入平波电抗器，以抑制电流脉动，消除因脉动电流引起的电机发热以及产生的脉动转矩对生产机械的不利影响。2 双闭环直流调速系统电路设计2.1 晶闸管电动机主电路的设计2.1.1 主电路设计晶闸管-电动机调速系统（V-M系统）主电路原理图如图2-1所示：图2-1 V-M系统主电路原理图图中VT是晶闸管整流器，它由三相全控
16、桥式整流电路组成，如图2-2所示图2-2 三相全控桥式整流电路通过调节触发装置GT的控制电压来移动脉冲的相位，即可改变平均整流电压，从而实现平滑调速。晶闸管可控整流器的功率放大倍数在以上，门极电流可以直接用电子控制；响应时间是毫秒级，具有快速的控制作用；运行损耗小效率高；这些优点使V-M系统获得了优越的性能。在理想的情况下，和之间呈线性关系：式中 平均整流电压 控制电压 晶闸管整流放大系数2.1.2 主电路参数计算 当整流电路为三相桥式（全波）时：，取其中系数0.9为电网波动系数，系数11.2为考虑各种因素的安全系数，这里取1.1。电动势系数平波电抗器其中，这里取10%。2.2 转速、电流调节
17、器的设计转速、电流双闭环调速系统的动态结构图如图2-3所示： RTms1Ce 1Tois+1 电流内环 - -IdL1/RTls+1 KS Tss+1ACR ASR 1Tons+1 + - U*i -Ui UC Ud0 + E Tois+1 Un TONS+1 n 转速外环图2-3 直流双闭环调速系统动态结构图由于电流检测信号中常含有交流分量，为了不使它影响到调节器的输入，需加低通滤波。这样的滤波传递函数可用一阶惯性环节来表示，其滤波时间常数按需要选定，以滤平电流检测信号为准。然而，在抑制交流分量的同时，滤波环节也延迟了反馈信号的作用，为了平衡这个延迟作用，在给定信号通道上加入一个等时间常数的
18、惯性环节，称作给定滤波环节。由测速发电机得到的转速反馈电压含有换向纹波，因此也需要滤波，滤波时间常数用表示，根据和电流环一样的道理，在转速给定通道上也加入时间常数为的给定滤波环节。系统设计的一般原则是：先内环后外环。在这里，首先设计电流调节器，然后把整个电流环看作是转速调节系统中的一个环节，再设计转速调节器。2.2.1 电流调节器1.电流调节器设计含给定滤波与反馈滤波的PI型电流调节器如图2-4所示：图2-4 含给定滤波与反馈滤波的PI型电流调节器其中为电流给定电压，为电流负反馈电压，为电力电子变换器的控制电压。2.电流调节器参数选择1）确定时间常数a.三相桥式电路的平均失控时间为。b.电流滤
19、波时间常数本设计初始条件已给出，即。c.电流环小时间常数之和。2)选择电流调节器结构根据设计要求：稳态无静差,超调量，可按典型I型系统设计电路调节器。电流环控制对象是双惯性型的，因此可用PI型电流调节器其传递函数为：电磁时间常数。检查对电源电压的抗扰性能：，参照典型I型系统动态抗扰性能指标与参数的关系表格，可知各项指标都是可以接受的。3)计算电流调节器参数电流调节器超前时间常数：。电流环开环增益：要求时，应取，因此ACR的比例系数为4) 检验近似条件电流环截至频率：机电时间常数a.晶闸管整流装置传递函数的近似条件满足近似条件。b.忽略反电动势变化对电流环动态影响的条件满足近似条件。c.电流环小
20、时间常数近似处理条件满足近似条件。5) 计算调节器电阻和电容由图2-4，按所用运算放大器取，各电阻和电容值为，取，取 ，取按照上述参数，电流环可以达到的动态跟随性能指标为，满足设计要求。2.2.2 转速调节器1. 转速调节器设计含给定滤波与反馈滤波的PI型转速调节器如图2-5所示：图2-5 含给定滤波与反馈滤波的PI型转速调节器其中为转速给定电压，为转速负反馈电压，：调节器的输出是电流调节器的给定电压。2. 转速调节器参数选择 1）确定时间常数 a.电流环等效时间常数 b.转速滤波时间常数本设计初始条件已给，即 c.转速环小时间常数 2)选择转速调节器结构按照设计要求，选用PI调节器，其传递函
21、数为: 3)计算转速调节器参数按跟随和抗扰性能都较好的原则，取，则ASR的超前时间常数为：转速开环增益ASR的比例系数为4） 检验近似条件 转速环截止频率a.电流环传递函数简化条件为满足简化条件。b.转速环小时间常数近似处理条件为满足简化条件。5)计算调节器电阻和电容取，则，取，取，取6)校核转速超调量 当时，不能满足设计要求。应按ASR退饱和的情况重新计算超调量。7) 按ASR退饱和重新计算超调量 过载倍数能满足设计要求。2.3 转速检测和电流检测的电路设计1. 转速检测电路的设计 转速的检测可把接到一个测速发电机上即可检测转速，如图3-7所示：图3-7 转速检测电路 2.电流检测的电路设计
22、使用霍尔电流传感器可以检测电流，把接到霍尔传感器上。霍尔效应传感器，可以测量任意波形的电流和电压。输出端能真实地反映输入端电流或电压的波形参数。如图3-8所示：图3-8 电流检测电路3 常规PID控制设计及仿真根据偏差的比例（P）、积分（I）、微分（D）进行控制（简称PID控制），是控制系统中应用最为广泛的一种的一种控制规则。实际运行的经验和理论的分析都表明，运用这种控制规律的许多工业过程进行控制时，都能得到满意的效果。3.1 常规PID控制器理论常规PID控制器大量应用于工业控制中，并取得了较好的控制效果。采用计算机实现的常规PID控制算法，其离散控制规律为： 式中：u(k)系统输出量 e(
23、k)系统偏差 (k)系统偏差变化率 比例系数 积分作用系数 微分作用系数 从系统的稳定性、响应速度、超调量和稳态精度等各方面来考虑，参数、和的作用如下： （1）比例系数与系统的响应速度、系统的精度有密切关系。越大，系统的响应速度越快，系统的稳态精度越高，但易产生超调，而且过大会导致系统不稳定。如果取值过小，则会降低系统的稳态精度，使响应变慢、延长调节时间，使系统静、动特性变坏。 （2）积分系数用来消除系统的稳态误差。越大，系统的稳态误差消除越快，但过大，在响应过程的初期会产生积分饱和现象，从而引起响应过程产生较大超调。如果过小，系统稳态误差将难以消除，影响系统的稳态精度。 （3）微分系数可以改
24、善系统的动态特性，其作用主要是在影响过程中抑制偏差向任何方向变化，对偏差变化进行提前预报。但过大，会使响应过程提前制动，从而延长调节时间，而且还会降低系统的抗干扰能力。 这三个参数的选择原则除了要考虑到这三个参数对控制系统的影响，还要考虑这三个参数相互间的作用关系。 3.2 系统仿真仿真举例：某晶闸管供电的双闭环直流调速系统，整理装置采用三相桥式电路，基本数据如下：直流电动：220V,136A,1460r/min,Ce=0.132Vmin/r,允许过载倍数=1.5；晶闸管装置放大系数：=40；电枢回路总电阻：R=0.5；时间常数：=0.03s，=0.18s；电流反馈系数：=0.05V/A(10
25、V/1.5)；转速反馈系数：=0.007Vmin/r(10V/)设计要求：设计电流调节器，要求电流超调量5%,同时要求转速无静差，空载起动到额定转速时的转速超调量。（1）确定时间常数1)整流装置之后时间常数，三相桥式电路的平均失控时间=0.0017s。2)电流滤波时间常数，三相桥式电路每个波头的时间是3.3ms,为了基本滤平波头，应有（12）=3.33ms，因此取=2ms=0.002s。3)电流环小时间常数之和。(2)选择电流调节器结构：根据设计要求5%，并保证稳态电流无差，可按典型I型系统设计电流调节器。电流环控制对象是双惯性型的，因此可用PI型电流调节器，其传递函数为。检查对电流电压的抗绕
26、性能：，参见相关资料中各项指标都是可以接受的。（3）计算电流调节参数电流调节器超前时间常数：。电流环开环增益：要求5%时，参见资料，因此于是，ACR的比例系数为(4) 校验近似条件电流环截止频率：1) 校验晶闸管整流装置传递函数的近似条件 满足近似条件2)校验忽略反电动势变化对电流环动态影响的条件 满足近似条件3）校验电流环小时间常数近似处理条件 满足近似条件 （5）计算调节器电容和电阻电流调节器原理图如图2-4所示，按所用运算放大器取，各电阻和电容值计算如下： 取40k 取0.75 取0.2按照上述参数，电流环可以达到的动态跟随性能指标为 满足设计要求1.电流环仿真模型如图3-1所示：图3-
27、1 电流环的仿真模型在仿真模型中增加了一个饱和非线性模块（saturation),它来自于Discontinuities组，双击该模块，把饱和上界（Upper limit)和下界(Lower limit)参数分别设置为所给条件的限幅值+10和-10.仿真的结果为：图3-2电流环的仿真结果2. 转速环的系统仿真如图3-3所示：图3-3转速环的仿真模型双击阶跃输入模块把阶跃值设置为10，得到起动时的转速与电流响应曲线，如图3-4所示，最终稳定运行于给定转速。转速环空载高速起动波形图：图3-3 转速环空载高速起动波形图如把负载电流的设置为136，满载起动，其转速与电流响应曲线如图3-5所示，起动时间
28、延长，退饱和超调量减少。图3-5转速环满载高速起动波形图在空载起动稳定运行后突加额定负载得到的仿真结果图3-6：图3-6 转速环的抗扰波形 4 模糊控制器设计及仿真4.1 模糊控制基本理论在传统的控制领域里，控制系统动态模式的精确与否是影响控制优劣的最主要关键，系统动态的信息越详细，则越能达到精确控制的目的。然而，对于复杂的系统，由于变量越多，往往难以正确的描述系统的动态性能，于是工程师便利用各种方法来简化系统的动态，以达成控制的目的，但却不尽理想。换言之，传统的控制理论对于明确系统有强而有力的控制能力，但对于过于复杂或难于精确描述的系统，则显得无能为力了。因此便尝试着以模糊数学来处理这些控制
29、问题。自从L.A.Zadeh发展出模糊数学之后，对于不明确系统的控制有极大的贡献，自七十年代后，便有一些实用的模糊控制器相继完成，使得我们在控制领域中又向前迈进了一大步。下面将对模糊控制理论做简单介绍。 控制规则 模糊化 模糊裁决 模糊推理测量值 控制值图4-1模糊逻辑系统基本结构框图 图4-1为一般模糊控制系统的结构框图，此框图包含了四个主要部分，即：模糊化、控制规则、模糊推理及模糊裁决，下面将就每一部分做详细化地说明。4.1.1 模糊化模糊化是将测量值以适当的比例转换到论域的数值（即模糊变量值），并且利用自然语言形式来描述测量物理量的过程。依适合的自然语言值（linguisitc valu
30、e)求该值相对之隶属度，此自然语言变量我们称之为模糊子集合（fuzzy subsets).模糊变量通常划分为3及上，比如7级划分的情况是：负大（NB)、负中(NM)、负小(NS)、零(0)、正小(PS)、正中(PM)、正大(PB)。如果划分的级数更多，可以在负中左右加上“负中大”和“负中小”等。若从7级中去掉负中（NM)和正中（PM)就是5级；若将5级划分中间的零（0）改为正零（NO)和负零（PO)就是6级。只有使用这些模糊变量的赋值词（集合）作为输入量，才能进行模糊逻辑推理。4.1.2 模糊控制规则模糊控制规则是模糊控制器的核心，规则的正确与否直接影响控制器的性能，而控制数目的多寡也是一个重
31、要因素。模糊控制规则的取得方式：专家的经验和知识；操作员的操作模式；学习。专家的经验和知识、操作员的操作模式可整理为if.then的型式，构成一组控制规则。模糊控制规则的型式主要可分为两种：（1） 状态评估模糊控制规则 状态评估（state evaluation)模糊控制规则为类似人类的直觉思考，所以大多数的模糊控制器都使用这种模糊控制规则，其型式如下：Ri: if x1 is Ail and x2 is Ai2.and xn is Ain then y is Ci 其中x1,x2,.,xn及y为语言变量或称为模糊变量，代表系统的状态变量和控制变量：Ail,Ai2,.,Ain及Ci为语言值，代
32、表论域中的模糊集合。其次还有另一种表示法，是将后件部改为系统状态变量函数，其型式如下：Ri: if x1 is Ail.and xn is Ain then y=f1(x1,x2,.,xn)(2) 目标评估模糊控制规则目标评估（object evaluation）模糊控制规则能够评估控制目标，并且预测未来控制信号，其型式如下：Ri: if(U is Ci (x is A1 and y is B1) then U is Ci4.1.3 模糊推理模糊推理就是依据模糊控制规则，由测量值的模糊集得出控制量得模糊集。模糊控制理论发展至今，模糊推理的方法大致可分为三种，第一种推理法是依据模糊关系的合成法则
33、，第二种推理法是依据模糊逻辑的推论法简化而成，第三种推理法和第一种相类似，只是其后件部分改由一般的线性式组成的。模糊推论大都采三段论法，可表示如下：条件命题：If x is A then y is B 事 实：x is A结 论：y is B表示法中的条件命题相当于模糊控制中的模糊控制规则，前件部和后件部的关系，可以用模糊关系式来表达；至于推论演算，则是将模糊关系和模糊集合A进行合成演算，得到模糊集合B.推论算法可以下式表示：B=A.R4.1.4 模糊判决模糊判决就是在实行模糊控制时，依据控制规则进行模糊推理演算，然后结合各个由演算得到的推理结果获得控制输出。为了求得受控系统的输出，必须将模糊
34、集合B解模糊化，常用解模糊化的方法有三种：加权平均法（含重心法）；取中位数法（也称面积法）；最大隶属度法。基本模糊控制器按照一定模糊语言控制规则进行工作，这些控制规则是建立在实践者对被控对象所进行的人工控制策略基础上的，或者建立在归纳设计者对被控对象所认识的模糊信息基础上的。因此，基本模糊控制器适用于控制那些具有高度非线性、参数随工作环境变动较大、受环境因素干扰强烈、不易获得精确数学模型、无法获得数学模型以及数学模型多变的一类被控对象。其设计方法，目前多采用通过极大极小合成运算的推理合成法，它属于直接试探法的一种。基本模糊控制器最显著的优点是控制规则不受任何条件约束，控制对象完全可以是不可解析
35、的，而且便于同有经验的实践者一起讨论和修改，定性地采纳各种好的控制思想和控制方法。应用计算机实现模糊控制更加方便了人们采用自然语言对被控对象的运行施加影响。并且这种控制规则具有广泛的通用性，设计者可以通过较小的修改和组合就可以应用于不同的被控对象。基本模糊控制器的另一个显著优点是对被控对象内部参数的变化具有较强的适应性。4.2 模糊控制器设计目前，工业自动化水平已成为衡量各行各业现代化水平的一个重要标志，经典的PID（比例-积分-微分）控制器仍然是应用最广泛的工业控制器。随着现在控制技术的发展，传统PID控制方法已难以满足控制指标的要求。主要表现为：采用离线调节，难以在线调整控制参数，动态特性
36、不太理想；不具有自适应控制能力；对时变、非线性控制系统控制效果不佳。而模糊控制是以模糊数学为基础理论基础，根据实测数据或工程经验概括抽象成一系列模糊控制规则，并借助计算机来完成控制的方法，由于模糊控制具有一系列的优点，因此有着良好的应用前景。将常规PID控制和模糊控制结合起来，设计成混合模糊PID控制器并将其运用到双闭环直流控制系统中，通过运用Matlab对其进行了仿真研究，得到了模糊PID控制在双闭环直流控制应用中具有响应速度快、鲁棒性强以及不依赖被控对象数学模型的优点。4.2.1 常规模糊PID控制+积分环节（I）控制常规的模糊控制的输入一般是系统的偏差以及偏差的导数，与常规PID控制中的
37、比例环节（P）和微分（D）的作用类似，根据经典的控制理论知道，纯粹的PD控制是有静差的控制，解决的方法是增加积分环节（I）以减少系统稳定时的静差。同理，可以将这种思想运用到改进常规模糊控制的问题上。在原有模糊控制中直接加入积分环节，形成模糊PID混合控制策略，给出混合控制系统的结构如图4-2所示。 I 模糊控制器KeG(s)Ku R Kec d/dt-图4-2 模糊-PID混合控制器4.3 运用模糊PID控制对双闭环直流调速系统进行仿真传统的直流电动机双闭环调速系统中ASR 和ACR 多采用结构简单、性能稳定的带限幅的PI 调节控制器。在实际生产现场，由于各种因素，如控制系统的传递函数与实际有
38、偏差; 电机本身的参数和拖动负载的参数(如转动惯量) 并不如模型那样不可变化，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PI 控制器的参数往往难以达到最优状态， 而且控制参数难以跟随现场的动态变化。由于模糊控制不需要精确的数学模型， 能够根据日常生产中的经验规则动态地输出，因此可以运用模糊PID 控制方法来改进控制方案。在ASR环节采用上面介绍的模糊-PID混合控制器，得到仿真图如下：图4-3 基于模糊控制的双闭环直流调速系统仿真图 E、EC和U的论域分别为：-6,6、-400,400
39、、-50,50;设置E、EC和U均服从三角隶属函数曲线分布。图4-4 设置模糊控制器的输入和输出数目偏差E的论域为-6,6，服从三角隶属函数曲线分布，仿真如图4-5：图4-5 设置偏差E的参数偏差率EC的论域为-500,500，服从三角隶属函数曲线分布，仿真如图4-6：图4-6 设置偏差率EC的参数输出U的论域为-50,50，服从三角隶属函数曲线分布，仿真如图4-7：图4-7 设置输出U的参数模糊控制器规则如图4-8所示： U ENBNMNSZOPSPMPB ECNBNBNBNMNMNSZOPSNMNBNBNMNSZOPSPMNSNBNMNSNSZOPSPMZONBNMNSZOPSPMPBPS
40、NBNSZOPSPSPMPBPMNBNSZOPSPMPMPBPBNBNSPSPMPMPBPB图4-8 模糊控制规则表模糊控制器控制规则的输入如图4-9所示：图4-9 模糊控制器控制规则仿真图 使用三角函数波，电流环的限流调为（5至-5）把示波器调为1.5s 让偏差E=0.5 偏差率EC=0.002 输出U=5 积分I=0.5运行后的到仿真图4-10：图4-10 基于模糊控制的双闭环调速系统的仿真结果图5 调速系统的性能比较5.1 单闭环直流调速系统与双闭环直流调速系统的比较5.1.1 单闭环直流调速系统的分析与设计调速范围和静差率是一对相互制约的性能指标，如果既要提高调速范围，又要降低静差率，
41、唯一的办法是减少负载所引起的转速降落。但是在转速开环的直流调速系统中，=是由直流电动机得参数决定的，无法改变。解决矛盾的有效途径是采用反馈技术。根据转速闭环的控制系统。转速闭环控制可以减小转速降落，降低静差率，扩大调速范围。根据自动控制原理，将系统的被调节量作为反馈量引入系统，与给定量进行比较，用比较后的偏差值对系统进行控制，可以有效地抑制甚至消除扰动造成的影响，而维持被调节量很少变化或不变，这就是反馈控制的基本作用。在负反馈基础上的“检测误差，用以纠正误差”这一原理组成的系统，其输出量反馈的传递途径构成一个闭合回路，因此被称做闭环控制系统。在直流调速系统中，被调节量是转速，所构成的是转速反馈控制的直流调速系统。1.根据闭环传递系统的静特性表示闭环系统电动机转速与负载电流间的稳态关系，即静特性。 - n + Uc + E -Un图5-1 转速负反馈闭环直流调速系统稳态结构框图2.一个带有储能环节的线性物理系统的动态过程可以用线性微分方程描述，微分方程的解，即系统的动态过程，它包括两部分：动态响应和稳态解。在动态过程中，从施加给定输入值的时刻开始，到输出达到稳态以前，是系统的动态响应；系统到达稳态后，即可用稳态解来描述系统的稳态特性。根据系统的动态数学模型可以得到系统的动态结构框图： Kp Uc(s) - n(s) +
