直流調速系統(tǒng)減少超調及加強抗擾的研究

張小青,楊小崗,樊戰(zhàn)亭,馮自立,陳國棟

(咸陽師范學院物電院，陜西咸陽,712000）

直流調速系統(tǒng)減少超調及加強抗擾的研究

張小青,楊小崗,樊戰(zhàn)亭,馮自立,陳國棟

(咸陽師范學院物電院，陜西咸陽,712000）

建立雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)仿真模型，設計了一2輸入1輸出的轉速模糊控制器，明顯改善了系統(tǒng)動態(tài)性能。為了提高系統(tǒng)對電網電壓諧波抗擾性能，進一步設計了PD混合模糊控制器，發(fā)現(xiàn)PD混合模糊控制器對高頻正弦擾動的抗擾性能明顯優(yōu)于傳統(tǒng)PID控制器。

混合模糊控制；減少超調；抗擾

0 引言

由于模糊控制自身對模型依賴性不強以及其編程實現(xiàn)方面優(yōu)點，模糊控制在雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)中的應用相對比較熱門，例如文獻[1-3]都采用了模糊控制，也取得了一定的效果，文獻[4]對系統(tǒng)的內阻變化及突加負載進行了一定的研究，但在對電網環(huán)境方面的抗擾性能的研究卻很少。在實際應用中直流電機的供電電源主要來源于交流電網整流后得到的直流，可能含有一定的高低頻的交流諧波分量，因此提高系統(tǒng)抗高低頻電網電壓交流諧波擾動的性能非常重要。

1 模糊控制系統(tǒng)設計

雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)采用模糊轉速控制器的結構圖如圖1。圖中Un*是轉速給定，Un是轉速反饋信號。模糊控制器在這里主要完成以下功能：模糊化及建立數(shù)據(jù)庫，完成規(guī)則庫及清晰化處理。

圖1 雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)模糊控制結構圖

以下面的電動機參數(shù)為例進行系統(tǒng)設計：UN=220V,nN= 1480r/min，IN=13.6A，允許過載倍數(shù)為λ=1.5，電動機電動勢系數(shù)Ce=0.131v/(r/min)，晶閘管裝置：Ks=76，Ts=0.00167s；電樞回路總電阻R=6.667Ω，電樞回路電磁常數(shù)Tl=0.018s，系統(tǒng)機電時間常數(shù)Tm=0.25445s，反饋系數(shù)：α=0.00337V/（r/min），β=0.4V/A；反饋濾波時間常數(shù)：Toi=0.005s，Ton=0.005s。

1.1 模糊化接口環(huán)節(jié)設計

轉速誤差e及誤差變化率de/dt的比例因子均設計為1。轉速誤差e及誤差變化率de/dt的論域范圍均為[-5,5],都設計為{NB NM NS ZE PS PM PB}七個等級。由于文獻[5]已討論了隸屬度函數(shù)對調速控制系統(tǒng)的性能影響不大，故在此隸屬度函數(shù)選用常用的三角函數(shù)即可。其中轉速誤差e的NB、NM、NS、ZE、PS、PM、P的中心點分別選為-4、-2.1、-1.1、0、1、2.4、3.5；而誤差變化率de/dt的中心點分別選為-4、-2.2、-1.1、0、1.1、2、3.6。輸出Un*的比例因子也設計為1，其論域范圍為[-8.16,8.16], 設為{NB NM NS ZE PS PM PB}七個等級。

表1 轉速模糊控制規(guī)則庫

1.2 知識庫的建立

在模糊控制器中知識庫通常由數(shù)據(jù)庫和模糊控制規(guī)則庫兩部分組成。依據(jù)直流調速系統(tǒng)的經驗建立規(guī)則庫如表1。

1.3 解模糊接口

解模糊接口也就是清晰化模塊。清晰化的作用是將模糊推理得到的控制量（模糊量）變換為實際用于控制的清晰量。在這里要經過兩個步驟：首先將模糊控制器輸出的控制量通過清晰化變換成能囊括在輸出論域內的量，再把已經得到的清晰量變成轉速控制需要的實際控制量。尺度變換因子在前面已設置為1。常用的清晰化方法選用重心法。

2 模糊控制的調速系統(tǒng)仿真與減少超調分析

2.1 模糊控制的調速系統(tǒng)仿真

雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)仿真模型如圖2所示，其中轉速調節(jié)器采用的是模糊控制器。仿真結果如圖3，圖中實線為PID控制的仿真結果，虛線為模糊控制的仿真結果。從圖中看出，雖兩者都實現(xiàn)了轉速穩(wěn)態(tài)無靜差，但模糊控制對應的起動動態(tài)性能相對更佳，其對應的調節(jié)時間相對較短，且其超調量也明顯減少，實現(xiàn)了無超調的動態(tài)過程。

圖2 雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)仿真模型

圖3 轉速仿真結果

2.2 減少超調分析與調試

超調會導致直流電機承擔較大的機械方面的壓力，要減少超調需在轉速未達到穩(wěn)態(tài)值前退飽和。

在此采用模糊控制后從上述結果看，超調明顯得到了減少。

模糊控制能減少超調的實質在于其控制器的輸入中有誤差變化率de/dt，這相當于對誤差變化方向進行了提前預告，從而可以根據(jù)經驗設計模糊控制規(guī)則使模糊轉速調節(jié)器提前退飽和狀態(tài)，或盡量減少轉速調節(jié)器處于飽和狀態(tài)的時間，甚或可以控制其一直接近飽和狀態(tài)但從不進入飽和狀態(tài)。圖4為轉速調節(jié)器的輸出結果。從圖中可看出模糊轉速調節(jié)器一直未進入飽和狀態(tài)，由于其不需要退飽和，節(jié)省了調節(jié)時間，使得其在整個上升過程中的整體調節(jié)時間較短。

3 抗電網電壓諧波擾動研究

3.1 抗電網電壓諧波擾動研究

在工業(yè)現(xiàn)場中電網電壓中一般不可避免地存在各種頻段的諧波擾動，對于這些周期的諧波干擾可分為低頻、中頻與高頻擾動三個頻段，根據(jù)經驗頻率越低越接近于階躍擾動，越好控制，所以要評價一個系統(tǒng)對周期性擾動的抗擾性能主要看其高頻抗擾性能。為了加強系統(tǒng)抗擾性能，在此采用混合模糊控制器，即PD與模糊控制器相結合，控制效果如圖5中所示。從圖中知傳統(tǒng)的PID控制系統(tǒng)與PD混合模糊控制系統(tǒng)在抵抗正弦波電網電壓擾動的方面控制性能稍有區(qū)別。具體來說，對于中低頻正弦波負載擾動兩種控制方式控制性能不相上下，均保持在單位轉速范圍以內，而在10Hz高頻上，PD混合模糊控制系統(tǒng)性能較傳統(tǒng)PID性能較好，這說明PD混合模糊控制在抗電網電壓諧波擾動方面具有更好的性能。

3.2 抗隨機擾動研究

為了更穩(wěn)妥地研究系統(tǒng)的抗擾性能，在此增加對隨機電網擾動的分析。圖6是對100Hz寬度的隨機擾動的仿真結果圖。隨機擾動的模擬采用Random Number模塊，其mean設置為0，Variance設置為100。從仿真結果來看，PD混合模糊控制具有很好的隨機擾動抑制效果。

4 結論

圖4 轉速調節(jié)器的輸出仿真結果

諧波擾動在工礦企業(yè)工作環(huán)境中處處存在，為了提高系統(tǒng)的抗擾性能，由于純模糊控制器本身的缺點，在此采用混合模糊控制器來對各頻段電網諧波擾動進行抑制，對其各種抗擾能力均做了詳細的比較分析。從上面的實驗與分析發(fā)現(xiàn)，模糊控制作為一項智能控制技術，純模糊控制器能消除系統(tǒng)的退飽和超調，而將其與PD控制結合構成混合模糊控制后應用于雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)中，其高頻抗擾效果良好，這樣系統(tǒng)不僅可以盡可能地減少或消除轉速超調，還具有了較好的諧波電網抗擾性能的優(yōu)點，另外對隨機擾動的抗擾性能也有較好的效果。

[1]陳濤，鄭文婧，胡淮浦.模糊PID雙閉環(huán)直流電機調速[J].中國科技信息，2009，6：137-139.

[2]于建明.基于閾值開關模糊PID控制的直流電機調速系統(tǒng)[J].自動化應用，2010，11：18-20.

張小青（1985--）,女，湖南永州人，講師，碩士，主要研究方向為智能控制與運動控制.

Reduce the overshoot and strengthen immunity for DC speed control system

Zhang Xiaoqing,Yang Xiaogang,Fan Zhanting,Feng Zili,Chen Guodong
(1.School of Physics and Electronic Engineering, Xianyang Normal Univ.,Xianyang,712000)

Build a simulation model for double closed loop DC speed control system，design a two input one output fuzzy speed controller, which improves the dynamic performance of the system.To improve the performance of anti disturbance about grid voltage harmonics,further design is given for the PD hybrid Fuzzy controller.and found the disturbance rejection performance of the PD hybrid fuzzy controller is obviously better than that of the traditional PID controller at high frequency.

Hybrid fuzzy control;reduce overshoot;immunity

（c）0.001Hz 10V正弦擾動輸入（低頻）圖5 抗正弦電網電壓擾動仿真結果

圖6 抗隨機擾動仿真結果

TP273+.4

：A

陜西省教育廳科研項目（15JK1784），國家級大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃項目（201610722016）.