基于模糊pid算法的双闭环直流调速系统仿真研究

基于模糊pid算法的双闭环直流调速系统仿真研究内容摘要：

速发电机 TA电流互感器 UPE电力电子变换装置 *nU 转速给定电压 nU 转速反馈电压 *iU 电流给定电压 iU 电流反馈电压 为了 使转速环和电流环的两种负反馈都能起作用，故在系统中设置了两个调节：基于模糊 PID 算法的双闭环直流调速系统仿真研究 11 器如图 31，分别引入了转速负反馈和电流负反馈，两 个调节器进行了一个嵌套，将电流环作为内环，转速换作为外环。 再用电流调节器的输出去控制电力电子装置。 这样就形成了一个转速、电流双闭环的调速系统。 稳态结构图和静特性 转速、电流双闭环调速系统由两个带有限幅环节的 PI 调节器构成如图 32 所示。 图 32 双闭环直流调速系统稳态结构图 α 转速反馈系数 β 电流反馈系数 由图 32 所示，转速调节器的输出限幅电压 *imU 决定了电流调节器输入的最大值，电流调节器输出的限幅电压 *cmU 作为电力电子变换装置的输入值。 当调节器饱和时，输出达到限幅值，输入量的变换将不再影响调节器的输出值。 当调节器不饱和时， PI 调节器工作在线性状态下 ，将输入的偏差电压 U 在稳态时置为零。 所以在一般状态下，调节器的工作状态只有两种：饱和（输出限幅值），不饱和（线性状态工作）。 但是，在调速系统中，为了达到实时控制和快速跟随的目的，一般电流调节器都不进入饱和状态。 那么调节器的静特性就包括了转速调节器在饱和状态和非饱和状态。 （ 1） 转速调节不饱和状态 当转速和电流 调节器均不饱和时，在稳态时则他们的输入偏差电压都是零。 故： 四川理工学院本科毕业设计（论文） 12 0* nnUU nn   dii IUU * 那么： 0* nn nU   （ 31） 从而得到图 33 所示的静特性 CA 段。 与此同时，由于 ASR 不饱和， *iU ﹤ *imU ，从上述关系可知： dmII d。 也就是说， CA 段静特性从理想空载状态的 dI =0 开始一直延续到 dI = dmI。 而 dmI 一般都大于额定电流 dNI。 这就是静特性的运行段，也是它的水平特性。 图 33 双闭环直流调速系统的静特性 （ 2） 转速调节器的饱和状态 当 ASR 输出达到限幅值 *imU 时 ，转速外环呈开环状态，转速的变化对转速环不再产生影响，此时，双闭环系统为一个电流无静差的单闭环电流调节器。 在稳态时，则有： dmU II in  *d （ 32） 在式 33 中最大电流 dmI 由设计者选定，如图 AB 段所示，描绘了它的垂直特性，这样的下垂特性只适用于 0nn 的情况，否则转速调节器将退出饱和状态。 双闭环调速系统的静特性在负载 电流小于 dmI 时表现为转速无静差，这时，转速负反馈起主要作用当负载电流达到最大值后， ASR 退出饱和，电流调节器起主：基于模糊 PID 算法的双闭环直流调速系统仿真研究 13 要作用，系统表现为电流无静差。 然而实际的运算放大器的开环放大倍数并不是无穷大，特别是为了避免零 漂 而采用“准 PI 调节器”时，静特性的线段有微小的偏差，如图 33 虚线所示。 各变量参数的计算 由双闭环调速系统的稳态结构图可以看出，其工作在稳定状态下，当两个调节器都不饱和时，各个变量的关系如下所示： 0* nnUU nn   （ 33） dLdii IIUU  * （ 34） sdLnesdesd K IUCK RInCKUU  /*0c （ 35） 由上式可以得到如下关系： （ 1） 转速 n 是由给定电压 *nU 决定的。 （ 2） ASR 的输出量 *iU 是由负载电流 dLI 决定的， 而转速 n 和 dI 决定控制电压 cU的大小。 由此可得出双闭环调速系统的转速反馈系数和电流反馈系数之间的关系： 转速反馈系数  ： max*nmnU （ 36） 电流反馈系数  ： dmimIU* （ 37） 四川理工学院本科毕业设计（论文） 14 转速、电流反馈控制直流调速系统的数学模型和过程动态分析 图 34 双闭环直流调速系统的动态结构图 双闭环直流调速系统的动态结构图如图 34 所示。 其中 ASRW 为转速调节器的传递函数； ACRW 为电流调节器的传递函数；1STKS S为电力电子变换器的传递函数。 双闭环调速系统的动态过程分析 双闭环直流调速系统突加给定电压 *nU 由静止状态起动时，转速调节器输出电压 *iU 、电流调节器输出电压 cU 、可控整流器输出电压 0dU 、电动机电枢电流 LId 和转速 n 的动态响应波形过程如图 35 所示。 由于在起动过程中转速调节器 ASR 经历了不饱和、饱和、退饱和三种情况，整个动态过程就分成图中标明的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三个阶段。 （ 1） 第 Ⅰ 阶段为电流上升阶段 （ 0 1t ） ： 当突加给定电压 *nU ，由 于电动机的机电惯性较大，电动机还来不及转动（ n=0），转速负反馈电压 0nU ，这时nnn UUU  * 很大，使 ASR 的输出突增为 0iU ， ACR 的输出为 0cU ，可控整流器的输出为 0dU ，使电枢电流 dI 迅速增加。 当增加到 dI LId (负载电流）时，电动机开始转动，以后转速调节器 ASR 的输出很快达到限幅值 imU ，从而使电枢电流达到所对应的最大值 dmI ,此时 电流负反馈电压与 ACR 的给定电压基本上是相等：基于模糊 PID 算法的双闭环直流调速系统仿真研究 15 的，即 ： dmiim IUU  （ 28）  为电流反馈系数。 （ 2） 第Ⅱ阶段是恒流升速阶段（ 21t t ）：从电流升到最大值 dmI 开始，到转速升到给定值为止，这是启动过程的主要阶段，在这个阶段中， ASR 一直是饱和的，转速负反馈不起调节作用，转速环相当于开环状态，系统表现为恒流调节。 由于电流 dI 保持恒定值 dmI ，即系统的加速度 tndd 为恒值，所以转速 n 按线性规律上升，由 nCRIU edd  知 , dU 也线性增加，故在启动过程中电流调节器是不应该饱和的，晶闸管可控整流环节也不应该饱和。 图 35 双闭环直流调速系统启动过程的转速和电流波形 （ 3） 第 Ⅲ 阶段是转速调节阶段 ( 2t 之后 )。 转速调节器在这个阶段中起作用。 开四川理工学院本科毕业设计（论文） 16 始时转速已经上升到给定值， ASR 的给定电压 *nU 与转速负反馈电压 nU 相平衡，输入偏差 nU 等于零。 但其输出却由于积分作用还维持在限幅值，所以电动机仍在以最大电流 dmI 下加速，使转速超调。 超调后 , nU 〉 0 , nU 〈 0，使 ASR 退出饱和，其输出电压（也就是 ACR 的给定电压） 才从限幅值降下来 .但是 ,由于 dI 仍大于负载电流 lI ，在开始一段时间内转速仍继续上升。 到 ld II  时，电动机才开始在负载的阻力下减速， 直到 稳定（如果系统的动态品质不够好，可能振荡几次以后才稳定）。 在这个阶段中 ASR 与 ACR 同时发挥作用，由于转速调节器在外环，ASR 处于主导地位，而 ACR 的作用则力图使 dI 尽快地跟随 ASR 输出 *iU 的变化。 所以说直流调速系统是一个随动系统。 由上述可 知，双闭环调速系统，在启动过程的大部分时间内， ASR 处于饱和限幅状态，转速环相当于开路，系统表现为恒电流调节，从而可基本上实现理想过程。 双闭环调速系统的转速响应一定有超调，只有在超调后，转速调节器才能退出饱和，使在稳定运行时 ASR 发挥调节作用，从而使在稳态和接近稳态运行中表现为无静差调速。 故双闭环调速系统具有良好的静态和动态品质。 [13] [14] 所以由上可知转速调节器的作用： （ 1） 转速调节器是调速系统的主导调节器，它使转速 n 很快的跟随给定电压 *nU的变化，稳态时 可减小转速误差，如果采用 PI 调节器则可以实现无静差。 （ 2） 对负载变化起抗扰作用。 （ 3） 其输出限幅值决定电动机允许的最大电流。 电流调节器的作用： （ 1） 作为内环的调节器，在转速外环的调节过程中，它的作用是使电流紧紧跟随其给定电压 *iU 的变化。 （ 2） 对电网电压波动起及时抗扰作用。 （ 3） 在转速动态过程中，保证获得电动机允许最大电流，从而加快动态过程。 当电动机过载甚至堵转时，限制电枢电流的最大值，起快速的自动保护作用。 一旦故障消失，系统立即自动恢复。 ：基于模糊 PID 算法的双闭环直流调速系统仿真研究 17 第 4 章 模糊 控制简介 模糊控制的 特点 模糊控制是以模糊集合论作为数学基础，以人工经验为依据，把实际生产中的经验加以总结和描述，并用模糊控制语言表达出来的控制理论。 从 1965 年 提出模糊理论开始，模糊控制经历了 49 年的研究和发展已经逐步走向成熟 [10]。 模糊控制系统主要应用在诸如在测量数据不准确、要处理的数据量过大以至于难以判断它们的兼容性等一些可变的被控对象。 与传统控制器相比，模糊控制器的设计依赖于操作者的经验，它迅速的发展主要归结于模糊控制器的一些特点： （ 1） 无需知道被控对象的数学模型。 模糊控制是以人对被控对象的控制经验为依据而设计的控制器。 （ 2） 是一种反应人类智慧思维的智能控制。 模糊控制采用人类思维中的模糊是如“高”、“中”、“低”、“大”、“小”控制量由模糊推理导出。 （ 3） 更容易被人们接受。 （ 4） 构造容易。 可以用一些常见的器件来构造控制系统，其结构与一般的数字控制系统无异，模糊控制算法可用软件来实现。 （ 5） 鲁棒性好。 模糊控制系统去伦被控对象是线性的还是非线性的，都能执行有效的控制，具有良好的鲁棒性、适应性。 模糊控制的理论基础 逻辑控制就是使计算机具有活性和智能的一 种新颖的智能控制方法。 与传统控制理论相比，模糊控制有二大优点。 第一：模糊控制在许多应用中可以有效便捷地实现人的控制策 和验收。 第二：模糊控制可以不需按被控对象的数学模型即可实现较好 控制，因为被四川理工学院本科毕业设计（论文） 18 控制对象的动态特性已隐含在模糊控制器输入，输出模糊集及模糊规则中。 模糊控制是以模糊集合论、模糊语言变量及模糊逻辑推理为基础的计算机智能控制。 经过几十年的发展，模糊控制理论的应用和研究取得了比较大的进步。 其基本原理框图如图 41 所示。 图 41 模糊控制基 本原理框图 机程序实现。 它的一般过程为：首先从现场采集到一些精确的控制量，作为负反馈和给定量做比较后，得到一个误差信号 e，再经过 A/D 转换变换为数字信号。 误差 e 的数字信号作为模糊控制器的输入信号，由此进入模糊控制。 输入的偏差信号经过模糊化得到一个模糊量，此模糊量一般用相应的模糊语言表述，并得到一个误差 e 的模糊语言的集合，再由模糊语言集合中的子集和控制规则根据推理的合成规则进行模糊决策，就可以得到模糊控制量 u。 再经过去模糊处理， D/A 转换得到现场控制信号就可以控制现场机械的运行。 模糊控制器分类及一般结 构 模糊控制器的分类 模糊 PID 控制器按照一般情况下可以分为：增益调整型模糊 PID 控制器、直接控制量型模糊 PID 控制器和混合型模糊 PID 控制器三种。 （ 1） 增益调整型模糊 PID 控制器 该类控制器中输出的物理量直接对应增益参数，通过应用模糊规则在线对 3个增益参数进行调节，是一种基于性能监督的增益调整型模糊 PID 控制器。 其一般结构可以表示为： 执行机构 被控对象 A/D 传感器 被控参数 模糊控制器 给 定值 + 计算机控制变量 模糊量化处理 模糊控制规则 去模糊化处理 D/A ：基于模糊 PID 算法的双闭环直流调速系统仿真研究 19 If(〝 Perform Index is„ ) then( pK is„ ) and( IK is„ ) and( DK is„ ) 其中（ Perform Index）是指超调量、稳态误差、或者是其他的动态性能。 由于这些性能指标需要一个完整的控制过程得到，那么该控制器可以用于自整定或者是自适应方式对增益进行动态调整。 If(〝 e is„ ) and( e is„ )then( pK 或 pK is„ ) and( IK 或。