基于模糊PID算法的電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)

白盼盼，聶文艷

(淮南師范學(xué)院 機(jī)械與電氣工程學(xué)院，安徽 淮南 232000)

“中國(guó)制造2025”涉及十大領(lǐng)域，數(shù)控機(jī)床和高質(zhì)量的機(jī)器人是主要的研究領(lǐng)域之一[1]，直流電動(dòng)機(jī)作為重要的機(jī)電能量轉(zhuǎn)換裝置，控制其達(dá)到最佳性能是推動(dòng)制造業(yè)飛速發(fā)展的動(dòng)力．從應(yīng)用廣度方面來(lái)看轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)在當(dāng)前直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中具備充分的優(yōu)勢(shì)，其技術(shù)較為成熟而且可靠性較高[2]．之前，直流電動(dòng)機(jī)常采用常規(guī)PID算法來(lái)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速的控制，如果直流電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)的負(fù)載突變，常規(guī)PID算法難以滿足高精度、高效率和高性能的調(diào)速要求．從智能應(yīng)變角度來(lái)看模糊PID控制器長(zhǎng)久有效的控制經(jīng)驗(yàn)可以促進(jìn)控制系統(tǒng)不斷優(yōu)化以及控制策略的有效調(diào)整，進(jìn)而促進(jìn)直流電機(jī)性能的充分發(fā)揮[3]．

1 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)

雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)由ASR(速度調(diào)節(jié)器)和ACR(電流調(diào)節(jié)器)構(gòu)成．系統(tǒng)構(gòu)建如圖1所示．本系統(tǒng)內(nèi)2個(gè)調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)作用只有在未達(dá)限幅條件下凸顯，如輸出值已凸顯為恒定則表明調(diào)節(jié)器已達(dá)限幅，系統(tǒng)只有在反向信號(hào)的出現(xiàn)時(shí)才會(huì)退出恒定飽和[4]．

圖1 雙閉環(huán)直流調(diào)速控制系統(tǒng)

2 模糊控制策略

如圖2所示，模糊控制原理方框圖內(nèi)部的主要部分是模糊控制器，主要控制內(nèi)核包含模糊化集合、語(yǔ)言變量及邏輯推理[5]．

圖2 模糊控制原理方框圖

2.1 模糊控制器

如圖3所示模糊PID控制器基于模糊推理機(jī)及參數(shù)整定的PID調(diào)節(jié)器實(shí)現(xiàn)控制作用，系統(tǒng)內(nèi)輸入量為e(誤差)及ec(誤差變化率)，輸出量為以常規(guī)PID控制器的參數(shù)kp、ki和kd．

采用模糊PID控制器，輸入量為轉(zhuǎn)速的e(誤差)以及轉(zhuǎn)速ec(誤差變化率)，輸出量為常規(guī)PID控制器的參數(shù)kp、ki和kd．找出常規(guī)PID控制器參數(shù)kp、ki和kd與速度誤差e、誤差變化率ec彼此之間的模糊相互有效關(guān)系，再使用模糊推理機(jī)對(duì)參數(shù)kp、ki和kd進(jìn)行整定．將直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)期望值與實(shí)測(cè)值進(jìn)行比較，計(jì)算出轉(zhuǎn)速e以及轉(zhuǎn)速ec，并以{-3-2-10123}作為其論域范圍，把e和ec的模糊子集合分別定義為{NBNMNSZOPSPMPB}[6]．

圖3 模糊PID控制器的結(jié)構(gòu)方框圖

2.2 模糊控制策略

模糊PID控制器的核心控制策略是由“IF A and B Then C”條件語(yǔ)言構(gòu)成[7]．通過(guò)不斷地工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，模糊規(guī)則表如表1至表3所示．

表1 模糊控制規(guī)則表(kp)

表2 模糊控制規(guī)則表(ki)

表3 模糊控制規(guī)則表(kd)

3 系統(tǒng)仿真

3.1 直流電動(dòng)機(jī)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)應(yīng)用常規(guī)PID算法控制仿真

打開(kāi)MATLAB，點(diǎn)擊Simulink工具箱，建立Blank Model，點(diǎn)擊Simulink Library Browser．把采用工程設(shè)計(jì)的雙閉環(huán)速度控制系統(tǒng)的參數(shù)輸入各個(gè)模塊，點(diǎn)擊Run運(yùn)行調(diào)試，待運(yùn)行調(diào)試無(wú)誤，可點(diǎn)擊示波器觀察仿真結(jié)果，如圖4所示．

圖4 常規(guī)PID算法控制直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)仿真模型

3.2 直流電動(dòng)機(jī)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)應(yīng)用模糊PID算法控制仿真

Edit→Membership Functions Edits，對(duì)輸入以及輸出的隸屬函數(shù)進(jìn)行設(shè)置．選擇Edit→Add MFs→MFs Tyre菜單項(xiàng)，選擇三角形隸屬度函數(shù)．輸入變化量e的論域取為[-3 3]，詞集合為{NB NM NS ZO PS PM PB}，ec的理論域值取為[-3 3]，詞集合采用{NB NM NS ZO PS PM PB}，kp，ki和kd的論域分別取為[-1.5 1.5]，詞集合采用{NB NM NS ZO PS PM PB}，再采用Add rule把49條規(guī)則逐一設(shè)置到該界面中，點(diǎn)擊View→Surface選項(xiàng)，顯示出模糊控制器的輸入/輸出的關(guān)系曲線圖．建立好模糊控制器以后，就會(huì)生成一個(gè)fuzzy2. fis文件，在Simulink中，創(chuàng)建了模糊PID算法控制的直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的仿真模型，如圖5所示．

圖5 直流電動(dòng)機(jī)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)應(yīng)用模糊PID算法控制仿真模型

4 結(jié)果與分析

通過(guò)實(shí)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)可以得出兩種控制方式所輸出的波形結(jié)果，其中圖6所示為應(yīng)用常規(guī)PID算法控制輸出波形結(jié)果，而圖7所示為應(yīng)用模糊PID算法控制輸出波形結(jié)果．

圖6 常規(guī)PID算法控制輸出波形

圖7 模糊PID算法控制輸出波形