CN110572094A - 一种改进型双闭环直流调速***的控制方法 - Google Patents

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张鹏
朱呈祥
邓斌
邱守星
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    • H02P7/00—Arrangements for regulating or controlling the speed or torque of electric DC motors
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Abstract

一种改进型双闭环直流调速***的控制方法，包括，首先确定速度环中所用模糊控制器类型，根据所确定的类型对控制器的输入、输出量进行模糊化，然后利用专家的知识和经验制定模糊规则并对相关量进行模糊推理，再通过重心法对输出量进行去模糊化得到最终输出量。本发明对传统双闭环直流调速***存在控制精度低、抗干扰性差等缺陷，在转速环一节采用模糊PI控制器，设计出一种基于模糊控制的改进型双闭环直流调速***的控制策略。本发明的效果在于：大大降低了双闭环直流调速***静态误差，提高了控制精度，并使***具有更强的抗干扰性和鲁棒性。

Description

一种改进型双闭环直流调速***的控制方法
技术领域
本发明涉及自动化控制，具体涉及一种改进型双闭环直流调速***的控制方法。
背景技术
在现代工业的发展，直流电机调速***由于其具有的良好的调速和启动、制动效果，被广泛应用于电力拖动当中。直流电机调速***一般设计成双闭环***，即转速环和电流环的双环***，两环分别由速度调节器和电流调节器控制。对直流电机进行调速时，为实现较高的动静态控制性能，控制器的设计往往成为关键。良好性能的控制器对于超调量的优化、静差率的减少具有重要作用，同时有助于延长电机的使用寿命。
传统策略中，双闭环直流调速***中控制器常选用常规PI控制器，这种控制器结构简单、便于实现，但电机本身具有非线性特点，在其拖动负载突变或弹性变化时，常规PI控制往往难以满足一些高性能、高精度的场合。为了解决上述问题，多数研究人员进行把智能算法策略与传统工业生产进行结合。例如，专家规则与PID结合、鱼群算法与PID进行结合等等。
目前工业生产中对双闭环直流调速控制使用的方法主要有：
1.常规PI控制器：两环搭配常规PI控制器进行调速控制，此控制策略结构简单、实现方便，缺点为无法适用于当被控对象的模型参数变化范围较大、非线性环节较强的***。
2.专家规则PI控制器：在常规PI控制中加入专家规则算法，此控制策略可以跟随被控对象进行参数在线自整定具有一定智能能力，缺点为适用于具体模型以及专家规则库的设计较麻烦。
发明内容
本发明的目的在于针对传统控制器所存在的缺陷，采用模糊算法与常规PI控制器相结合的方法设计出一种改进型双闭环直流调速***的控制策略。
为实现上述发明目的，本发明的技术方案具体如下：
一种改进型双闭环直流调速***的控制方法，包括：
(1)根据模糊控制器结构框图确定速度环中模糊控制器结构类型，明确控制器的输入、输出量；
(2)定义所述模糊控制器输入、输出量的模糊子集，并将模糊子集量化到具体论域上；
(3)建立所述模糊子集的隶属度函数；
(4)根据专家的知识和经验制定出相应的模糊规则表，按照规则表的内容以“If条件,Then结果”的形式逐条写出模糊控制规则语句，并选则最为常用的Mamdain推理作为模糊推理方法得到模糊输出量；
(5)对模糊输出量进行去模糊化，得到用于控制的清晰量。
进一步的，步骤(1)中，模糊控制器结构类型采用二维Mamdain型模糊控制器，以实际转速与给定转速的偏差e和偏差变化率ec作为输入变量，以比例系数变化量ΔKp或积分系数变化量ΔKi作为输出量。
进一步的，步骤(2)中，为输入、输出量选择合适的论域，并将输入、输出量所定义的模糊子集量化到所选择的论域上。
进一步的，步骤(5)中，采用面积等分法，利用此方法可以得到增量ΔKp和ΔKi，将这两个量分别与最初的比例系数Kp和积分系数Ki相加，并得到最终的比例系数和积分系数。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
本发明的一种改进型双闭环直流调速***的控制方法，采用模糊算法与常规PID控制相结合的方法设计出模糊规则PI控制器，该控制器在***中能够降低***超调量，提高***调节精度以及抗干扰性，克服了传统控制策略动静态性能较差，鲁棒性较低等缺点。
附图说明
图1是本发明的模糊控制器结构框图；
图2是本发明应用实施例中双模糊控制器具体结构图；
图3是本发明实施例中改进型控制策略与传统控制策略的理想负载仿真示意图；
图4是本发明实施例中改进型控制策略与传统控制策略的加负载扰动的仿真示意图。
具体实施方式：
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
本发明一种改进型双闭环直流调速***的控制策略，其改进地方在于利用基于模糊控制的转速环代替常规PI控制的转速环。在实际应用中，基于模糊控制的转速环设计，包括如下步骤：
(1)根据模糊控制器结构框图确定速度环中模糊控制器结构类型，明确控制器的输入、输出量；
(2)定义所述模糊控制器输入、输出量的模糊子集，并将模糊子集量化到具体论域上；
(3)建立所述模糊子集的隶属度函数；
(4)根据专家的知识和经验制定出相应的模糊规则表，按照规则表的内容以“If条件,Then结果”的形式逐条写出模糊控制规则语句，并选则最为常用的Mamdain推理作为模糊推理方法得到模糊输出量；
(5)对模糊输出量进行去模糊化，得到用于控制的清晰量。
所述(1)中根据模糊控制器结构框图确定速度环中模糊控制器结构类型，明确控制器的输入、输出量，还包括：
模糊控制器主要由模糊化、知识库(数据库和规则库)、模糊推理、去模糊化四个部分组成。其具体结构框架图如图1所示，根据图1中的结构，本次实例中速度环采用双模糊PI控制器，属于二维Mamdain型，以实际转速与给定转速的偏差e和偏差变化率ec作为输入变量，以比例系数变化量ΔKp和积分系数变化量ΔKi作为输出量。
所述(2)中定义所述模糊控制器输入、输出量的模糊子集，并将模糊子集量化到具体论域上，还包括：
实际转速与给定转速的偏差e和偏差变化率ec的量化论域都是[-6,6]，e的模糊子集为{NB，NM，NS，NZ，PZ，PS，PM，PB}子集中的元素分别代表{负大，负中，负小，负零，正零，正小，正中，正大}。ec的模糊子集为{NB，NM，NS，Z，PS，PM，PB}，子集中的元素分别代表{负大，负中，负小，零，正小，正中，正大}。ΔKp和ΔKi的量化论域都是[-10,10]，模糊子集为{NB，NM，NS，Z，PS，PM，PB}，子集中的元素分别代表{负大，负中，负小，零，正小，正中，正大}。
所述(3)中建立所述模糊子集的隶属度函数，还包括：
输入、输出量的隶属度函数选用梯形和高斯型相结合的隶属度函数，它们的模糊子集中，NB和PB为高斯型，其余均为梯形。
所述(5)中对模糊输出量进行去模糊化，得到用于控制的清晰量，还包括：
利用面积平分法进行去模糊化。面积平分法就是求出隶属函数曲线和横坐标包围区域的面积，再找出将面积等分成两份的平分线对应的横坐标值，用该值代表模糊集合这种方法直观合理，计算简便，在模糊控制器中使用较多。利用此方法可以得到增量ΔKp和ΔKi，将这两个量分别与最初的比例系数Kp和积分系数Ki相加，并得到最终的比例系数和积分系数。转速环中的双模糊PI控制器结构如图2所示。
实施例2
在本次实例中，所选用的***参数如下：电机额定电压：UN＝440V，额定电流IN＝220A，额定转速nN＝1500r/min，电枢电阻Ra＝0.088Ω，允许过载倍数λ＝1.5，电磁时间常数Td＝0.012s，机电时间常数Tm＝0.1s，转速反馈系数α＝0.0066，电流反馈系数β＝0.0303，转速反馈时间常数Ton＝0.014s，电流反馈时间常数Toi＝0.0025s，晶闸管整流装置滞后时间Ts＝0.0017s，放大倍数Ks＝45，主电路电阻R＝0.12Ω。
利用MATLAB中的simulink工具对双闭环直流调速***进行建模与仿真，将普通PI控制器和模糊PI控制器性能进行对比，由于电流环PI调节器对负载所产生的扰动并没有抑制、减缓的作用，因此在仿真过程中只需要在***的转速环分别用普通PI控制器和模糊PI控制器进行控制即可，而电流环依然采用传统PI控制器。在仿真过程中，将传统PID控制器与模糊PI控制器放入同一示波器当中进行比较，设置仿真时间为2秒，两种控制器的仿真结果如图3所示。第二次仿真时，在仿真时间到达1.2秒时给***加入扰动信号，以此来测试其抗干扰性，抗干扰性仿真结果如图4所示。
根据仿真图像以及示波器显示的数据可知，模糊PI控制器响应速度相比较于传统PID控制器更快，同时超调量也相对较小，调节精度有了更进一步的提高。在突增干扰信号后，模糊PI控制器转速下降幅度较传统PID控制器较小，同时，能够更快速的恢复到原来的恒定转速，这说明模糊PI控制的调速***在受到扰动时具有更强的抗干扰能力和更快速的恢复性。因此可以不难得出结论：本发明一种改进型双闭环直流调速***的控制策略相较于传统控制策略更为优秀，效果更为显著。

Claims (4)

1.一种改进型双闭环直流调速***的控制方法，其特征在于，包括：
(1)根据模糊控制器结构框图确定速度环中模糊控制器结构类型，明确控制器的输入、输出量；
(2)定义所述模糊控制器输入、输出量的模糊子集，并将模糊子集量化到具体论域上；
(3)建立所述模糊子集的隶属度函数；
(4)根据专家的知识和经验制定出相应的模糊规则表，按照规则表的内容以“If条件,Then结果”的形式逐条写出模糊控制规则语句，并选则最为常用的Mamdain推理作为模糊推理方法得到模糊输出量；
(5)对模糊输出量进行去模糊化，得到用于控制的清晰量。
2.根据权利要求1所述的一种改进型双闭环直流调速***的控制方法，其特征在于，步骤(1)中，模糊控制器结构类型采用二维Mamdain型模糊控制器，以实际转速与给定转速的偏差e和偏差变化率ec作为输入变量，以比例系数变化量ΔKp或积分系数变化量ΔKi作为输出量。
3.根据权利要求1所述的一种改进型双闭环直流调速***的控制方法，其特征在于，步骤(2)中，为输入、输出量选择合适的论域，并将输入、输出量所定义的模糊子集量化到所选择的论域上。
4.根据权利要求1所述的一种改进型双闭环直流调速***的控制方法，其特征在于，步骤(5)中，采用面积等分法，利用此方法可以得到增量ΔKp和ΔKi，将这两个量分别与最初的比例系数Kp和积分系数Ki相加，并得到最终的比例系数和积分系数。
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