模糊PID控制在双闭环直流调速系统中的应用研究

《电气自￣）２ｏｉ０年第３２卷第５期　电气传动和自动控制　Ｅｌｅｃｔｒｉｃ　Ｄｒｉｖｅ＆Ａｕｔｏｍａｔｉｃ　Ｃｏｎｔｒｏ１　模糊Ｐ　Ｉ　Ｄ控制在双闭环直流调速系统中的　应用研究　董子文朱张青　（南京大学控制科学与工程系。南京２１００９３）　摘要：分析了模糊ＰＩＤ控制的特点以及具体运用的环境，研究了应用模糊ＰＩＤ控制技术的直流双闭环调速系统，通过仿真论证了模糊　ＰＩＤ控制应用于直流双闭环调速系统时具有响应速度快、鲁棒性强以及不依赖被控对象数学模型的优点，并且分析了采用的两　种模糊ＰＩＤ控制方法的各自特点及其应用环境。　关键词：模糊ＰＩＤ双闭环直流调速仿真　【中图分类号］ＴＭ９２１．１；ＴＰ２７３　．４　【文献标识码］Ａ　［文章编号】１０００—３８８６（２０１０）０５—００１４—０３　Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｏｆ　ａ　Ｄｕａｌ　Ｃｌｏｓｅｄ　Ｌｏｏｐ　Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ　ｏｆ　ＤＣ　Ｍｏｔｏｒ　Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　Ｆｕｚｚｙ　ＰＩ　Ｄ　Ｃｏｎｔｒｏｌ　Ｄｏｎｇ　Ｚｉｗｅｎ　Ｚｈｕ　Ｚｈａｎｇｑｉｎ　（Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ　ｏｆＳｙｓｔｅｍｓ　ａｎｄ　Ｃｏｎｔｒｏｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｎａｎｊｉｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｎａｎｊｉｎｇ　Ｊｉａｎｇｓｕ　２１００９３，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａ　ｄｕａｌ　ｃｌｏｓｅｄ　ｌｏｏｐ　ｓｐｅｅｄ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｓｙｓｔｅｍ　ｏｆ　ｄｃ　ｍｏｔｏｒ　ｗｉｔｈ　ｆｕｚｚｙ　ＰＩＤ　ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒｓ　ｉｓ　ｓｔｕｄｉｅｄａｎｄ　ｔｈｅ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ　ｏｆ　ｆｕｚｚｙ　ＰＩＤ　ｃｏｎｔｏｌｌｒｅｒｓ　，ａｎｄ　ｔｈｅ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ　ａｒｅ　ａｌｓｏ　ａｎａｌｙｚｅｄ　ｉｎ　ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ．Ｂｙ　ｓｉｍｕｌａｔｅｄ　ｗｉｔｈ　ＭＡＴＬＡＢ，ｆｕｚｚｙ　ＰＩＤ　ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒｓ　ａｒｅ　ｄｅｍｏｎｓｔｒａｔｅｄ　ｔｏ　ｈａｖｅ　ｍｅｒｉｔ　ｏｆ　ｆａｓｔ　ｒｅｓｐｏｎｓｅ，ｒｏｂｕｓｔ　ａｎｄ　ｄｅｐｅｎｄｉｎｇ　ｌｅｓｓ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｍａｔｈｅｍａｔｉｃ　ｍｏｄｅｌ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｏｂｊｅｃｔ．　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｆｕｚｚｙ—ＰＩＤ　ｄｕａｌ　ｃｌｏｓｅｄ　ｌｏｏｐ　ｓｐｅｅｄ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｏｆ　ＤＣ　ｍｏｔｏｒ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　０　引言　目前，工业自动化水平已成为衡量各行各业现代化水平的一　个重要标志，经典ＰＩＤ（比例一积分一微分）控制器仍然是应用最　广泛的工业控制器。随着现代控制技术的发展，传统ＰＩＤ控制方法　已难以满足控制指标的要求”１。主要表现为：采用离线调节，难以　经典的控制理论知道，纯粹的ＰＤ控制是有静差的控制，解决的方　法是增加积分环节（Ｉ）以减少系统稳定时静差。同理，可以将这种　思想运用到改进常规模糊控制的问题上，这样产生了两种不同模　糊ＰＩＤ控制方法。　１．１　常规模糊控制＋积分环节（Ｉ）控制　在原有模糊控制中直接加入积分环节，形成模糊一ＰＩＤ混合　在线调整控制参数，动态特性不太理想；不具有自适应控制能力；　对时变、非线性系统控制效果不佳。而模糊控制是以模糊数学为　理论基础，根据实测数据或工程经验概括抽象成一系列模糊规则，　控制策略，给出混合控制系统的结构如图（１）所示。　１．２分段模糊ＰＩＤ控制　ＰＩＤ调节器的积分调节作用可使系统的稳态误差为０，有很好　的消除稳态误差的作用。因此也可以将模糊控制和ＰＩＤ控制相结　合，即当误差在某一个阈值以外时，采用模糊控制，以获得良好的　瞬态性能；而当误差落到阈值以内时，则采用ＰＩＤ控制，以获得良　并借助计算机来完成控制的方法，由于模糊控制具有一系列的优　点，因此有着良好的应用前景。　本文将常规ＰＩＤ控制和模糊控制结合起来，设计了两种模糊　ＰＩＤ控制器并将其运用到双闭环直流控制系统中，通过运用Ｍａｔ—　ｌａｂ对其进行了仿真研究，得到了模糊ＰＩＤ控制在双闭环直流控制　应用中具有响应速度快、鲁棒性强以及不依赖被控对象数学模型　的优点。同时，通过分析设计的两种控制器的各自特点，给出了它　们适合的应用环境。　好的稳态性能。这种模糊与ＰＩＤ两种控制模式相结合的控制方法　又被称之为Ｆｕｚｚｙ－ＰＩＤ双模控制，其结构图如图（２）所示。　２模糊ＰＩＤ控制在双闭环直流调速系统上的运用　２．１直流电动机双闭环调速系统的原理　转速和电流双闭环直流调速系统是典型的直流电动机调速系　统。系统的结构原理如图３所示。　图中：ＡＳＲ（Ｓ）为转速调节器传递函数；ＡＣＲ（ｓ）为电流调节器　传递函数；Ｔｏ　为转速反馈时间常数；Ｔｏ　为电流反馈时间常数；　为三相桥式电路平均失控时问；　为电磁时间常数；　为机电时　间常数；Ｃ　为电动机电动势常数；　为晶闸管装置放大系数；Ｒ为　１模糊ＰＩＤ控制器　作为智能控制的一个重要分支，模糊控制是以模糊集合论、模　糊语言变量和模糊逻辑推理为基础的一种计算机控制方法，在控　制领域获得了广泛应用　】。　常规模糊控制的输入一般是系统的偏差以及偏差的导数，与　常规ＰＩＤ控制中的比例环节（Ｐ）和微分环节（Ｄ）的作用类似，根据　１４　Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ　Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ　电气传动和自动控制　Ｅｌｅｃｔｒｉｃ　Ｄｒｉｖｅ＆Ａｕｔｏｍａｔｉｃ　Ｃｏｎｔｒｏｌ　＜电气自动化｝２０１０年第３２卷第５期　图１模糊一ＰＩＤ混合控制器　图２分段模糊ＰＩＤ控制器　直瀛电帆薛分　！Ｉ　…………………一…………………　●　图３直流双闭环调速系统　电枢回路总电阻；ａｆａ为转速反馈系数；ｂｅｉｔａ为电流反馈系数；ＴＬ　为负载转距；　为给定转速输入；ｎ为输出反馈转速；以为给定　电流调节器输入信号；厶为电枢电流。　双闭环直流调速系统的特点是电动机的转速和电流分别由两　个独立的调节器控制，而且转速调节器的输出　就是电流调节器　的给定。电流环能够随转速的偏差调节电动机电枢的电流，ｄ。电流　内环的作用是使电枢电流厶服从其给定值ｕ，　不变时，它表现为　转速时，ＡＳＲ的输出减小，即电流给定减小，并通过电流环调节使电　枢电流下降，电动机的电磁转矩减小，从而转速下降　。　２．２运用模糊ＰＩＤ控制的直流电动机双闭环调速系统　的仿真　传统的直流电动机双闭环调速系统中ＡＳＲ和ＡＣＲ多采用结　构简单、性能稳定的带限幅的ＰＩ调节控制器。在实际生产现场，由　恒流调节，否则表现为随动调节。当转速低于给定转速时，ＡＳＲ的积　分作用使输出增加。电流给定上升，并通过电流环调节使电枢电流，ｄ　增加，电动机获得加速转矩，电动机转速上升；当实际转速高于给定　ｒ－ｏ量　二＝ｌ　一ｌａｔｅｇ　ｒ￣　Ｇａｉ『Ｉ６　于各种因素，如控制系统的传递函数与实际有偏差；电机本身的参　数和拖动负载的参数（如转动惯量）并不如模型那样不可变化，在　某些应用场合会随工况而变化；同时，电机本身是一个非线性的被　控对象，许多拖动负载含有弹性或间隙等非线性因素”Ｊ。因此被控　制对象的参数变化与非线性特性。使得ＰＩ控制器的参数往往难以　达到最优状态，而且控制参数难以跟随现场的动态变化。由于模　糊控制不需要精确的数学模型，能够根据日常生产中的经验规则　１　图４模糊．ＰＩＤ混合控制器　图５分段模糊ＰＩＤ控制器　动态地输出，因此可以运用模糊ＰＩＤ控制方法来改进控制方案。　ＡＳＲ环节分别采用上面介绍的模糊一ＰＩＤ混合控制器和分段　模糊ＰＩＤ控制器，如下：　Ｅ、ＥＣ和Ｕ的论域分别为：【一６，６】、【一４００，４００】、【一５０，　５０】；　设置Ｅ、ＥＣ和Ｕ均服从高斯隶属函数曲线分布。　表１模糊控制规则表　Ｅ　Ｕ　ＮＢ　ＮＭ　ＮＳ　Ｚ０　ＰＳ　ＰＭ　ＰＢ　ＮＢ　ＮＭ　ＮＢ　ＮＢ　ＮＢ　ＮＢ　ＮＭ　ＮＭ　ＮＭ　ＮＳ　ＮＳ　Ｚ０　Ｚ０　ＰＳ　ＰＳ　ＰＭ　ＮＳ　ＥＣ　Ｚ０　ＰＳ　ＰＭ　ＰＢ　ＮＢ　ＮＢ　ＮＢ　ＮＢ　ｒＩＢ　ＮＭ　ＮＭ　ＮＳ　ＮＳ　ＮＳ　ＮＳ　ＮＳ　Ｚ０　ＺＯ　ＰＳ　ＮＳ　Ｚ０　ＰＳ　ＰＳ　ＰＭ　Ｚ０　ｐＳ　ｐＳ　ＰＭ　ＰＭ　ＰＳ　ＰＭ　ＰＭ　ＰＭ　ＰＢ　ＰＭ　ＰＢ　ＰＢ　ＰＢ　ＰＢ　ＥｌｅｃｔｒｉｃａＩ　Ａｕｔ０ｍａｔｉｏｎ　１５　‘电气自动化｝２０１０年第３２卷第５期　电气传动和自动控制　Ｅｌｅｃｔｒｉｃ　Ｄｒｉｖｅ＆Ａｕｔｏｍａｔｉｃ　ＣｏｎｔｒｏＩ　根据控制经验，可　（ｒ／ｓｉｎ）　得针对Ｅ、ＥＣ、Ｕ三个参　ｌ６ｏ０　１４００　数的模糊控制规则表，　１２００　如下表１所示。　１０００　在仿真中，设电机　８００　６００　（３）　的参数为：Ｔｏ。＝０．００２，　４００　Ｔｏ．＝０．０１，　＝０．００１８，　２００　＝０．０３，Ｃ＝０．１３２，　Ｏ　＝０．１８，　＝４０，ａｆａ＝　０．００７，ｂｅｉｔａ＝０．０５，Ｒ＝　０．５。　………　………．　３仿真结果及　……＿　（３）’。一一　分析　３．１仿真结果　７　１）一＋　、＼　．，＼＼　二≯　在ＭＡＴＬＡＢ中将　Ｊ　、一　一　一，　模糊ＰＩＤ控制器以及　分段模糊ＰＩＤ控制器　图６上图为电机转速响应图，下图为电机电枢电流响应图　与常规ＰＩＤ控制器对　参数要多于模糊一ＰＩＤ混合控制器，除了模糊环节和积分环节参　比仿真。仿真中，在０．５５ｓ时加入了一个负载扰动，得双闭环系统　数同样需要调节外，比例系数，微分系数以及阈值都需要调节，因　响应结果如图６所示：　而在参数调整上需要花费更多时间，使得分段模糊ＰＩＤ控制器设　图中曲线（１）为模糊ＰＩＤ混合控制的响应曲线，曲线（２）为分　计更加复杂。（３）分段模糊ＰＩＤ控制器有阈值选择开关，在阈值开　段模糊ＰＩＤ的响应曲线，曲线（３）为对比的常规ＰＩＤ的响应曲线　关转换的过程中容易造成响应的波动，在仿真响应图中就显示出　从仿真结果可知：在电枢电流响应曲线的上升过程中，分段模　电枢电流在达到稳定值前分段模糊ＰＩＤ控制器因为有控制策略的　糊ＰＩＤ控制的响应速度最快；模糊ＰＩＤ混合控制次之；常规ＰＩＤ控　转换而有一个较大的超调量，因而在设计时需特别注意，这样也使　制最慢。电枢电流的超调量最小的是模糊ＰＩＤ混合控制：分段模糊　得分段模糊ＰＩＤ控制器的设计更为复杂。　ＰＩＤ的超调量最大；常规ＰＩＤ居中。而在电枢电流的下降阶段，则　通过以上的分析，可以得出两种模糊ＰＩＤ控制的应用环境。分　是常规ＰＩＤ控制的动态性能最差，上下波动很大。从转速方面来　段模糊ＰＩＤ控制适合运用于科研或者对控制性能要求高而对设计　看，分段模糊ＰＩＤ的转速响应上升最快；模糊ＰＩＤ混合控制的响应　成本无严格要求的控制场合中；而在本例即应用于直流双闭环调　速度次之；常规ＰＩＤ控制的响应最慢。另外，采用了模糊ＰＩＤ混合　速系统中时，采用模糊ＰＩＤ混合控制则可以较好地改进常规ＰＩＤ　控制时几乎没有转速超调，而分段模糊ＰＩＤ和常规ＰＩＤ控制都有　控制，从而改进控制效果，并且能够有效地控制设计时的成本。　超调，且常规ＰＩＤ控制的超调量较大。　在动态响应的仿真过程中加入了转距扰动，从图６可知：三种　４结束语　控制器的转速变化过程是一致的，而电枢电流的动态响应过程则　通过将两种模糊ＰＩＤ控制应用到直流双闭环调速系统中的仿　有所不同：常规ＰＩＤ控制的动态响应的超调量非常明显；而采用模　真研究，可以得出模糊ＰＩＤ控制具有响应速度快、动态性能好、鲁　糊ＰＩＤ和分段模糊ＰＩＤ混合控制的系统响应过程则近似，都具有　棒性强以及设计控制器时不依赖被控对象精确的数学模型的优　动态响应时间短且无超调的优点。　点，同时进一步分析出了两种模糊ＰＩＤ控制适合的应用环境。　３．２两种模糊ＰＩＤ控制器的对比分析　模糊ＰＩＤ控制是－－Ｉ＇３新兴的智能控制技术　，如果能将其加　根据两种模糊ＰＩＤ控制器的原理分析可知：两种改进后的模　以合理的运用，一定能使其发挥巨大的作用。　参考文献　糊控制器都能较好解决系统稳定响应有静差问题。进一步通过对　【１】贾东耀，曾智刚．基于模糊控制的直流电机调速系统ＭＡＴＬＡＢ仿真【Ｊ】　比仿真可知，两种模糊控制器都各具特点：（１）从阶跃响应时的动　．电机电器技术，２００２．５．　态性能上：分段模糊ＰＩＤ控制由于结合了模糊控制器的响应速度　【２】张国良，曾静等．模糊控制及其ＭＡＴＬＡＢ应用【Ｍ】．西安：西安交通大　学出版社，２００２．　快和常规ＰＩＤ控制无静差控制的优点，因而动态性能优于模糊一　［３１陈伯时．电力拖动自动控制系统【Ｍ】．北京：机械工业出版社，１９９９．　ＰＩＤ混合控制。（２）从两种控制器的设计来看，模糊一ＰＩＤ混合控　【４】韩璐．直流电动机双闭环调速系统及其ＳＩＭＵＬＩＮＫ的仿真【Ｊ】．船海工　制器设计较分段模糊ＰＩＤ控制器简单，原因主要有以下两点：一是　程，２００３．２　【５】曾令美，关军明．基于模糊控制的双闭环直流调速系统控制器设计研　模糊一ＰＩＤ混合控制器结构主要由模糊控制和积分环节两部分组　究【Ｊ】．计算机与现代化，２００６．５　成，而分段模糊ＰＩＤ控制器则是由模糊控制、ＰＩＤ控制和阈值选择　开关三部分组成，控制环节的增多必然会导致设计上更加复杂，硬　【作者简介】董子文（１９８５一），江苏丹阳人，硕士研究生，研究方向为模糊　控制。　朱张青（１９６８一），安徼无为人，副教授，硕士生导师。　件上设备更加庞大；二是分段模糊ＰＩＤ控制器设计时需要调节的　１６　ＥｌｅｃｔｒｉｃａＩ　Ａｕｔｏｒｎａｔｉｏｎ