基于模糊控制的曳引機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)控系統(tǒng)仿真研究

張 健

(江蘇省特檢院吳江分院,江蘇 蘇州215200)

0 概述

曳引機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)控技術(shù)是電梯安全的技術(shù)保障,是實(shí)現(xiàn)曳引機(jī)轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制的重要保證,也是對(duì)曳引機(jī)轉(zhuǎn)速控制器優(yōu)化的必需條件。曳引機(jī)轉(zhuǎn)速控制效果好壞、轉(zhuǎn)速輸出和給定輸入的比較、速度特性曲線等,必須以精確測(cè)控轉(zhuǎn)速作為基礎(chǔ)。

電梯曳引機(jī)轉(zhuǎn)速PID控制器控制一般采用數(shù)字式算法,主要是在上位機(jī)通過(guò)軟件編程實(shí)現(xiàn),對(duì)數(shù)據(jù)可靠性的依賴性很大。我們?cè)诖罅康碾娞菘刂蒲芯繉?shí)踐中,由于考慮測(cè)量對(duì)象的非線性和時(shí)變性的特點(diǎn),在實(shí)際操作中很難建立精準(zhǔn)的數(shù)學(xué)模型,這正是傳統(tǒng)PID控制的局限性在實(shí)踐應(yīng)用中體現(xiàn)。本文從智能控制技術(shù)的角度出發(fā),將模糊控制理論和PID控制相互結(jié)合,對(duì)轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制。

1 模糊－PID控制原理

模糊－PID控制是將模糊控制與傳統(tǒng)的PID控制相互結(jié)合的控制技術(shù)。以輸入誤差e和誤差變化率ec作為模糊控制器的輸入值,選擇PID控制器的三個(gè)參數(shù)的修正量△KP,△KI,△KD作為輸出值。通過(guò)在運(yùn)行時(shí),不斷的檢測(cè)輸入誤差e和誤差變化率ec,利用確定的輸入、輸出模糊量與e、ec之間相互關(guān)系,確定各值的模糊集、模糊論域和模糊控制規(guī)則,并將這些信息并作為數(shù)據(jù)庫(kù)(data base)與規(guī)則庫(kù)(rule base)。計(jì)算機(jī)采用確定的模糊推理規(guī)則,可以對(duì)PID的參數(shù)值進(jìn)行在線調(diào)整,根據(jù)不同通過(guò)調(diào)整來(lái)滿足不同e和ec對(duì)控制參數(shù)的不同要求,從而改善控制系統(tǒng)的性能。

圖1 模糊－PID控制原理框圖

2 控制系統(tǒng)模糊－PID控制器設(shè)計(jì)

2.1 輸入、輸出量的模糊化

選擇設(shè)備轉(zhuǎn)速的偏差e以及轉(zhuǎn)速偏差變化率ec(ec＝de/dt)作為控制器的輸入量,設(shè)定PID控制器的三個(gè)參數(shù)△KP,△KI,△KD的增量△KP,△KI,△KD為輸出量。

2.1.1 模糊集的定義

輸入量偏差E、偏差變化率EC和輸出量△KP,△KI,△KD的模糊集可作定義:[NB,NM,NS,O,PS,PM,PB]。

2.1.2 論域的定義

輸入量偏差E的論域?yàn)閇－160 160],偏差變化率EC的論域?yàn)閇－100 100],△KP,的論域?yàn)閇0 5],△KI,的論域?yàn)閇0 5],△KD的論域?yàn)閇0 1]。

2.1.3 取值

本系統(tǒng)中輸入的量化因子,根據(jù)曳引機(jī)的實(shí)際工作狀況分別取為KE＝0.145,KEC＝0.25。E為960r/min和EC為200。為了使PID轉(zhuǎn)速控制控制系統(tǒng)得到閉環(huán)控制,并取得較好的調(diào)速特性,我們?nèi)　鱇P＝1、△KI＝5和△KP,△KD＝0.17。

2.2 確定隸屬度函數(shù)

對(duì)于系統(tǒng)中輸入、輸出語(yǔ)言各變量值的隸屬度函數(shù)類型及其參數(shù)選擇,系統(tǒng)是利用MATLAB中的隸屬度函數(shù)編輯器的功能,進(jìn)行的編輯和修改。本系統(tǒng)中采用三角隸屬度函數(shù)和Mamdani模糊推理,得出了如下的各輸入輸出量的隸屬度函數(shù):

圖2 偏差E的隸屬度函數(shù)

圖3 偏差EC的隸屬度函數(shù)

圖4 輸出△KP的隸屬度函數(shù)

2.3 確定模糊控制規(guī)則

根據(jù)大量的實(shí)際控制研究的經(jīng)驗(yàn),進(jìn)行了公式化后,建立合理的模糊控制規(guī)則。我們將規(guī)則描述如下語(yǔ)言:if e is A and ec is B then△KPis C and△KIis D and△KDis E,以此對(duì)本文中的三個(gè)PID控制參數(shù)Kp、Ki、Kd進(jìn)行了在線修正,以修正由于系統(tǒng)非線性等原因?qū)ο到y(tǒng)控制性能的較大影響。三個(gè)參數(shù)△KP,△KI,△KD的增量△KP,△KI,△KD是隨著e和ec的變化而確定的,故本系統(tǒng)確定相應(yīng)的模糊規(guī)則表如表1,表2,表3所示。

圖5 輸出△KI的隸屬度函數(shù)

圖6 輸出△KD的隸屬度函數(shù)

表1 △KP模糊控制規(guī)則表

表2 △KI模糊控制規(guī)則表

表3 △KD模糊規(guī)則表

2.4 去模糊化(清晰化)處理

利用模糊邏輯工具箱的模糊規(guī)則編輯器,將表1、表2、表3分別建立模糊規(guī)則,之后,我們?cè)谶x擇去模糊化方法時(shí),采用面積平分法(bisector)對(duì)其進(jìn)行去模糊化(清晰化)處理,打開輸出曲面觀察器,模糊推理輸入輸出曲面視圖如圖7所示。

3 模糊－PID控制器的仿真

圖7 △KP,△KI,△KD的曲面視圖

我們選擇在MATLAB Simulink進(jìn)行仿真研究,首先將模糊－PID與設(shè)備模型進(jìn)行封裝,然后搭建如圖8所示的模糊－PID控制器仿真結(jié)構(gòu)圖。結(jié)構(gòu)圖中上半部為模糊－PID控制器,下半部為普通PID控制器,兩者進(jìn)行顯示、對(duì)比。設(shè)定的電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為1500r/min,仿真后的轉(zhuǎn)速曲線如圖9所示。

圖8 仿真結(jié)構(gòu)圖

圖9 轉(zhuǎn)速控制器仿真曲線

圖9中藍(lán)實(shí)線為模糊PID控制器的仿真曲線,紅虛線為普通PID控制仿真器曲線,在設(shè)計(jì)的模糊PID控制器的作用下的系統(tǒng),其超調(diào)量不超過(guò)為5.8%;無(wú)模糊控制環(huán)節(jié)的系統(tǒng),系統(tǒng)的超調(diào)量已經(jīng)接近12%,遠(yuǎn)比模糊PID控制器的超調(diào)量要大。對(duì)上圖分析,我們可以得出結(jié)論:模糊－PID控制器對(duì)于設(shè)備轉(zhuǎn)速的控制效果基本達(dá)到令人滿意的程度,整個(gè)系統(tǒng)也具有良好的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)性能。

4 結(jié)語(yǔ)

本文主要對(duì)電梯曳引機(jī)的控制系統(tǒng)及其智能控制方法進(jìn)行了研究。分析了模糊－PID的原理,接著建立了比較合理數(shù)學(xué)模型,并形成了一套完整的模糊－PID控制器,并運(yùn)用MATLAB Simulink對(duì)設(shè)備進(jìn)行了仿真分析,其結(jié)果顯示設(shè)計(jì)的模糊－PID控制器具有良好的穩(wěn)態(tài)和動(dòng)、靜態(tài)性能。

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