基于模糊PID控制的直流电机调速系统

第２９卷第２期　２０１５年３月　湖南工业大学学报　Ｖ０１．２９　Ｎｏ．２　Ｍａｒ．２０１５　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆＨｕｎａｎ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｄｏｉ：１０．３９６９０．ｉｓｓｎ．１６７３—９８３３．２０１５．０２．００７　基于模糊ＰＩＤ控制的直流电机调速系统　赵正黎，于惠钧，张发明，谷雅琼　（湖南工业大学电气与信息工程学院，湖南株洲４１２００７）　摘　要：针对传统直流调速不能有效克服非线性因素，难以满足某些特定场合对高精度、高性能的控　制要求，提出了基于模糊ＰＩＤ控制的直流电机调速系统。介绍了模糊控制器的原理及特点，分析了模糊ＰＩＤ　控制器的控制原理，并确定了模糊语言变量和隶属函数，制定了模糊规则和反模糊化方法，最后利用Ｍａｔｌａｂ／　Ｓｉｍｕｌｉｎｋ对直流电机调速系统进行建模仿真。仿真结果表明：直流电机调速采用模糊ＰＩＤ控制比传统ＰＩＤ控　制具有更好的控制精度、鲁棒性，并提高了电机动、静态性能。　关键词：直流电机；模糊ＰＩＤ控制；Ｍａｔｌａｂ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ　中图分类号：ＴＭ３３　文献标志码：Ａ　文章编号：ｌ６７３—９８３３（２０ｌ５）０２—００３８—０６　ＤＣ　Ｍｏｔｏｒ　Ｓｐｅｅｄ　Ｃｏｎｔｒｏｌ　Ｓｙｓｔｅｍ　Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　Ｆｕｚｚｙ　ＰＩＤ　Ｃｏｎｔｒｏｌ　Ｚｈａｏ　Ｚｈｅｎｇｌｉ，Ｙｕ　Ｈｕｉｊａｌｌ，Ｚｈａｎｇ　Ｆａｍｉｎｇ，Ｇｕ　Ｙａｑｉｏｎｇ　（Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ　ａｎｄ　Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｈｕｎａｎ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｙ　ｔｏｆ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｚｈｕｚｈｏｕ　Ｈｕｎａｎ　４　１２００７，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ　ＤＣ　ｓｐｅｅｄ　ｒｅｇｕｌａｔｉｏｎ　ｃａｎ　ｎｏｔ　ｏｖｅｒｃｏｍｅ　ｎｏｎｌｉｎｅａｒ　ｆａｃｔｏｒｓ　ａｎｄ　ＩＳ　ｈａｒｄ　ｔｏ　ｍｅｅｔ　ｃｅｒｔａｉｎ　ｏｃｃａ・　ｓｉｏｎｓ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ　ｏｆｈｉｇｈ　ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ　ａｎｄ　ｈｉ　ｇｈ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　ｐｕｔｓ　ｆｏｒｗａｒｄ，ｔｈｅ　ＤＣ　ｍｏｔｏｒ　ｓｐｅｅｄ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｓｙｓｔｅｍ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｕｚｚｙ　ｆＰＩＤ　ｃｏｎｔｒｏ１．Ｉｎｔｒｏｄｕｅｓ　ｔｈｅ　ｔｈｅｏｒｙ　ａｎｄ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ｏｆｆｕｚｚｙ　ｃｏｎｔｒｏｌ，ａｎａｌｙｚｅｓ　ｔｈｅ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ　ｏｆｔｈｅ　ｆｕｚｚｙ　ＰＩＤ　ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ，ｄｅｔｅｒｍｉｎｅｓ　ｖａｒｉａｂｌｅｓ　ｏｆ　ｆｕｚｚｙ　ａｎｇｕａｇｅ　ａｎｄ　ｓｕｂ—ｏｒｄｉｎａｔｉｖｅ　ｆｕｎｃｔｉｏｎｓ，ａｎｄ　ｓｔｉｐｕｌａｔｅｓ　ｔｈｅ　ｍｅｔｈｏｄｓ　ｏｆ　ｆｕｚｚｙ　ｒｕｌｅｓ　ａｎｄｉｎｖｅｒｓｅｆｕｚｚｙ．Ｆｉｎａｌｌｙ，ｔｈｅｍｏｄｅｌｉｎｇａｎｄ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎａｒｅｍａｄｅｗｉｔｈＭａｔｌａｂ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ，ｔｈｅ　ｒｅｓｕｌｔ　ｓｈｏｗｓｔｈａｔｔｈｅＤＣ　ｍｏｔｏｒ　ｓｐｅｅｄ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ａｐｐｌｙｉｎｇ　ｆｕｚｚｙ　ＰＩＤ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｈａｓ　ｂｅＲｅｒ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ　ａｎｄ　ｒｏｂｕｓｔｎｅｓｓ　ｔｈａｎ　ｒａｄｉｔｉｔｏｎａｌ　ｍｅｔｈｏｄｓ，ａｎｄ　ｉｔ　ａｌｓｏ　ｉｍｐｒｏｖｅｓ　ｄｙｎａｍｉｃ　ａｎｄ　ｓｔａｔｉｃ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　ｏｆ　ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ　ｍｏｔｏｒ．　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＤＣ　ｍｏｔｏｒ；ｆｕｚｚｙ　ＰＩＤ　ｃｏｎｔｒｏｌ；Ｍａｔｌａｂ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ　０　引言　直流电动机因具有较好的调速性能和较优的起　机本身具有非线性特点，当电机拖动的负载突变或　弹性变化时，传统的ＰＩＤ控制往往难以满足一些要　求高精度、高性能的场合［１］。而模糊ＰＩＤ控制器的　最大优点是不需要知道被控对象的精确数学模型，　是利用专家的控制经验变成的控制规则来对系统进　行控制，且可以根据控制参数的变化及时地调整控　制策略，从而使控制对象的性能处于最佳状态。模　动、制动性能，在电力拖动中得到了广泛应用，如　被运用到矿井卷杨机、风电变桨控制中等。直流电　动机一般采用传统ＰＩＤ来实现调速控制，这种方法　的特点是结构简单、易于实现，但由于被控对象电　收稿日期：２０１４－１２—２３　基金简目：湖南省自然科学基金资助项目（１３ＪＪ９０１７）　作者简介：赵正黎（１９８９一），男，广西河池人，湖南工业大学硕士生，主要研究方向为复杂机电系统的信息集成和协制，　Ｅ－ｍａｉｌ－８２４７７５７２３＠ｑｑ．ＣＯＩｎ　通信作者：于惠钧（１９７５一），男，河南驻马店人，湖南工业大学副教授，主要从事控制科学与工程方面的研究与教学，　Ｅ－ｍａｉｌ：ａｒｅｊｕｎｙｕ＠ｆｏｘｍａｉｌ．ｃｏｍ　第２期　赵正黎，等　基于模糊Ｐ／Ｄ控制的直流电机调速系统　３９　糊ＰＩＤ控制器既具有模糊控制器的控制灵活、快速　性好、适应性强的特点，又具有ＰＩＤ控制器控制精　度高的特点。因此，本文提出在直流电机调速控制　系统中采用模糊ＰＩＤ控制策略，并通过Ｍａｔ１ａｂ／　Ｓｉｍｕｌｉｎｋ软件对该控制系统模型进行仿真分析，仿真　结果表明该系统的控制性能指标明显优于采用传统　４）反模糊化　通过模糊推理得到的数据是模糊量，而最后控　制运算所要求的是清晰量。反模糊化可以看成是模　糊化的反过程，即将模糊推理中得到的控制量采用　某种精确化算法（如最大隶属度法）变成在论域范　围的消晰量，再经尺度变换变成实际的控制量。　ＰＩＤ控制，得出了该方法是有效、可行的。　１　模糊控制器的构成　模糊控制是一种基于规则的控制，即根据技术人　员的控制经验或专家的知识来制定控制规则。模糊控　制在一定程度上实现了将计算机推理代替人的思维和　经验，能够满足一些复杂多变的、无法用精确数学描　述的控制系统要求，是一种非线性的智能控制。　模糊控制器具有如下特点：容易控制和掌握，适　应能力好，鲁棒性强。因此，其特别适合于非线性、　时变及纯滞后系统的控制。其是模糊控制系统的核　ｔ５，主要由４部分组成：模糊化、知识库、模糊推理　以及反模糊化，如图１所示。　圈匿　ｉ图１模糊控制器的组成框图　Ｆｉｇ．１　Ｔｈｅ　ｆｕｚｚｙ　ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ　ｂｌｏｃｋ　ｄｉａｇｒａｍ　１）输入量模糊化　输入量模糊化的作用是，将测量得到的精确输　入量转变为用通用语言值表示的某一限定序数即模　糊变量。　２）知识库　知识库存储有关模糊控制器的一切知识，由数据　库和模糊控制规则库构成，‘决定着控制器的性能［２］。　数据库存储有关模糊化、模糊推理、反模糊化的相　关知识，包括论域变换方法、输入输出变量的隶属　函数定义、尺度变换因子及模糊推理和反模糊算法　等。规则库是用一系列模糊条件描述的模糊控制规　则，通常用关系词连接表示，如ｉｆ－ｔｈｅｎ（如果满足一　组条件，则推出结论）等，这些规则主要是利用专　家的控制知识或技术人员长期积累的经验来制定。　３）模糊推理　模糊推理是基于输入模糊量，由模糊逻辑中蕴　含的关系及模糊控制规则模拟人类推理决策，并获　得模糊控制量的过程。其是模糊控制器的核心。　２模糊ＰＩＤ控制器的设计　直流电动机采用的模糊ＰＩＤ控制器结构如图２所　示。该控制器为二维模糊控制器，将电动机实际的　转速ｎ与给定转速ｎ　的偏差ｅ以及偏差的变化率ｅｃ　作为输入变量，经模糊化后的ｅ和ｅｃ通过模糊控制　规则来进行推理，再经解模糊得到ｋ’ｏ　ｋｉ，　　和　参数，在线实时调整常规ＰＩＤ控制的参数，以实现对直流电　机的转速控制［３】。　图２模糊控制器结构图　Ｆｉｇ．２　Ｆｕｚｚｙ　ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｄｉａｇｒａｍ　２．１建立隶属度函数　本文建立了３个模糊控制器，都是以转速的偏差　ｅ和偏差的变化率ｅｃ作为输入。定义ｅ和ｅｃ模糊子　集为｛ＮＢ，ＮＭ，ＮＳ，ＺＯ，ＰＳ，ＰＭ，ＰＢ｝，并将它们映射到　论域［－６，６］。将模糊控制器的输出ｋ　，毛　和　。　分别作为常规ＰＩＤ控制器的比例、积分、微分参数的修正　值输入量，并定义其模糊子集为｛ＮＢ，ＮＭ，ＮＳ，ＺＯ，ＰＳ，　ＰＭ，ＰＢ｝，将它们映射到论域［－１０，１０］。模糊ＰＩＤ控制　器中，比例ｋ　控制器的具体设置如图３－６所示。积　分ｋ　、微分ｋ　控制器的具体设置和比例ｋ　控制器类　似，在此不详细介绍。　图３　控制器结构图　Ｆｉｇ・３　Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｏｆｋｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ　ｐ　第２期　赵正黎，等　基于模糊ＰＩＤ控制的直流电机调速系统　４ｌ　加权平均，得到反模糊化结果。　系统。该系统的特点是：电动机的转速和电流分别由　２个的调节器控制，且转速调节器的输出就是电　３　仿真分析　３．１　直流电机双闭环ＰＩＤ调速仿真系统　流调节器的给定，因此电流环能够随转速的偏差调　节电动机电枢的电流　。直流电机双闭环ＰＩＤ调速仿　本调速系统采用的是直流电机双闭环ＰＩＤ调速　真系统图如图８所示。　图８直流电机双闭环ＰＩＤ调速仿真系统图　Ｆｉｇ．８　Ｔｈｅ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｓｙｓｔｅｍ　ｏｆ　ＤＣ　ｍｏｔｏｒ　ｄｏｕｂｌｅ　ｃｌｏｓｅｄ　ｌｏｏｐ　ＰＩＤ　ｓｐｅｅｄ　ｃｏｎｔｒｏｌ　３．２模糊ＰＩＤ直流电机调速控制仿真系统　ａ：９０。一９０　￣　ｍｉｎ　ｆ．　三相晶闸管整流电路的输出经平波电抗器Ｌ为　．．ｅ　ｃｍ直流电机的电枢提供电压，通过调整整流器的输出　式中：　ｉ　为最小控制角，本模型取‰ｉ。＝３０。；　电压来实现直流电动机的调速，即通过调整触发器　为最大移相控制信号值，本模型取己　田【：１０　Ｖ。　移相控制信号　来调节晶闸管控制角，从而改变整　因此，式（１）为ａ＝９０。－６　。　流器的输出电压　】。将信号　作为移相控制模块的　电源调节子系统如图９所示。模糊ＰＩＤ控制器系　输入，其输出为触发器的控制角，移相控制信号　统如图１０所示。模糊控制器建立好后，搭建模糊ＰＩＤ　由常数模块设定，移相特性的数学表达式为　直流电机调速控制仿真系统，如图１　１所示。　图９电源调节子系统图　Ｆｉｇ．９　Ｔｈｅ　ｐｏｗｅｒ　ｒｅｇｕｌａｔｉｏｎ　ｓｕｂｓｙｓｔｅｍ