基于自调整因子模糊PID直流电机调速系统设计

基于自调整因子模糊PID直流电机调速系统设计基于自调整因子模糊PID的DC电机调速系统设计：基于自调整因子模糊PID直流电机调速系统设计***，**，***，***（**工程大学电气工程学院，****241000）摘要:由于直流电机调速系统是高度非线性、时变的，传统的模糊PID控制技术已很难满足直流电机调速系统对控制精度的要求。对此，本文提出了基于自调整因子模糊PID控制技术。设计了基于自基于自调整因子模糊PID直流电机调速系统设计本文内容：基于自调整因子模糊PID直流电机调速系统设计***，**，***，***（**工程大学电气工程学院，****241000）摘要:由于直流电机调速系统是高度非线性、时变的，传统的模糊PID控制技术已很难满足直流电机调速系统对控制精度的要求。对此，本文提出了基于自调整因子模糊PID控制技术。设计了基于自调整因子的模糊控制规则，并将基于自调整因子模糊PID控制器作用于直流电机调速系统进行仿真。仿真结果表明直流电机调速系统基于自调整因子模糊PID控制器比传统模糊PID控制器具有更快的响应速度和更好的抗扰动能力。关键词：直流电机；模糊PID；自调整因子；调速系统；0引言直流电机由于结构简单、调速性能好，在工业、航空航天等领域得到了日益广泛的应用[1]。模糊PID控制技术结合了PID控制技术和模糊控制技术两者的优点，可以实时调整PID的控制参数，具有很好的鲁棒性，应用于直流电机调速系统可以得到满意的控制效果[2]。但模糊PID控制器一个主要的弊端在于模糊控制器中的模糊控制规则主要依靠专家经验和试探法来确定，没有系统的调整方法，这会很大降低模糊PID控制器的控制性能[3]。1系统数学模型建立直流电机的数学模型是直流电机调速系统的最关键的部分。直流电机的电气方程：（1）为电机电势系数，为电机转速，为电枢回路电阻，为电枢回路电感，为电枢回路电流。直流电机的机械方程：（2）为电动机轴上的转动惯量，,其中为转矩系数，为负载转矩。对式(1)和式(2)进行拉式变换，并将式(1)带入式(2)中可得直流电机转速与输入电压的传递函数:（3）机械时间常数；电气时间常数。表1为直流电机的铭牌参数。表1直流电机铭牌系数额定电压额定电流额定转速额定输出功率230V10.4A377rad2.0KW计算相关参数，并带入式中得直流电机转速与输入电压的传递函数:（4）2基于自调整因子模糊规则设计模糊PID控制器以误差e和误差变化率ec作为输入，以PID三个参数的增量作为输出，来满足不同时刻的e和ec对PID参数整定的要求。其结构如图1所示。2.1传统模糊控制规则根据实际经验，以及对系统的稳定性、响应速度，超调量等方面的总结，参数KP、KI和KD在不同e和ec下自调整需满足如下调整原则。(1)当误差较大时，为使响应速度加快，应取较大的KP和较小的KD,，同时为避免系统响应出现较大超调，取较小的KI值。(2)当误差和处于中等大小时，为减小系统的超调，KP应取小些，同时为保证系统的响应速度，KI和KD大小要适中。(3)当误差较小时，为保证系统具有较好的稳态性能，KP和KI取较大值。为避免系统在设定值附近出现振荡，并考虑系统的抗干扰性能，适当选取KD值：当较小时，KD应取较大值；当较大时，KD应取较小值。在上述原则的基础上，并通过仿真进行调整，从而归纳出的模糊控制规则如表2、表3、表4所示。表2KP控制规则调整表EECNBNMNSZOPSPMPBNBPBPBPMPMPSZOZONMPBPBPMPSPSZONSNSPMPMPMPSZONSNSZOPMPMPSZONSNMNMPSPSPSZONSNSNMNMPMPSZONSNMNMNMNBPBZOZONMNMNMNBNB表3KI控制规则调整表EECNBNMNSZOPSPMPBNBNBNBNMNMNSZOZONMNBNBNMNSNSZOPSNSNBNMNSNSZOPMPMZONMNMNSZOPSPMPMPSNMNSZOPSPSPMPBPMZOZOPSPSPMPBPBPBZOZOPSPMPMPBPB表4KD控制规则调整表EECNBNMNSZOPSPMPBNBPSNSNBNBNBNMPSNMPSNSNBNMNMNSZONSZONSNMNMNSNSZOZOZONSNSNSNSNSZOPSZOZOZOZOZOZOZOPMPBPMPMPMPSPSPBPBPBPMPMPMPSPSPB2.2自调整因子模糊控制规则对于直流电机这种复杂的控制系统而言，在响应的不同阶段或受到外界扰动时，传统的模糊规则很难满足控制精度的要求，表现为稳定性差或超调过大，所以传统的模糊规则很大程度上降低了模糊PID控制器的控制性能。本文通过设计一种自调整因子，并将作用于KP、KI、KD的模糊规则上，实现KP、KI、KD模糊规则的自适应调整，从而使系统具有更快的响应速度和更小的超调。下面以KP的模糊规则为例，说明自调整因子的设计原理。通过对表一的分析，可以将KP模糊规则解析为：（5）设计带调整因子的模糊规则为:（6）由(5)式可知KP模糊控制规则对误差与误差变化的加权程度是相同的，不能满足系统在不同阶段的控制精度要求，很大程度上降低了模糊控制器的控制性能。而(6)式中的KP控制规则包含自调整因子，可以通过调整的值来来实现模糊规则的自调整，满足控制系统在不同时期对误差和误差变化的加权程度。但是自调整因子值一旦确定就无法改变，无法随e和ec的变化而变化，这对模糊规则的调整有着很大的限制。对此，本文分析建立了自调整因子与e和ec函数：（7）由公式（7）可以看出当时，，KP模糊规则对误差和误差的变化加权值相等；当时，，KP模糊规则对误差的加权更大；当时，，KP模糊规则对误差变化的加权更大。实现了调整因子可以根据e和ec的值对模糊规则进行自适应调整。基于自调整因子模糊PID控制器结构图如图2所示。图2基于自调整因子模糊PID控制器结构图3系统仿真在Matlab软件中，运行Fuzzy函数进入模糊逻辑器，建立模糊控制器。并在Simulink中搭建直流电机模糊PID控制模型进行仿真，对比基于自调整因子模糊PID控制器与传统模糊PID控制器控制效果。输入为1rad的阶跃输入时，基于自调整因子模糊PID与传统模糊PID响应曲线如图3所示。由图可以看出，基于自调整因子模糊PID的超调量接近于0，调节时间为0.3972s，传统模糊PID的超调为4.026%，调节时间为0.4617s。所以可以得出基于自调整因子模糊PID与传统模糊PID相比具有更好的动态性能和稳态性能。图3阶跃信号仿真曲线4结束语本文在传统模糊PID控制器设计了一种基于自调整因子模糊PID控制器，对控制规则进行了改进，并应用于直流电机调速系统进行仿真。仿真结果表明:基于调整因子的改进型模糊PID控制器的动静态性能、鲁棒性、抗干扰能力均优于常规模糊PID控制器，应用于直流电机调速系统可以得到令人满意的控制效果。参考文献：[1]刘慧博,王静,吴彦合.无刷直流电机模糊自适应PID控制研究与仿真[J].控制工程,2014,21(4):583-587.[2]王庆明,孙怡.基于模糊PID控制的直流电机同步控制系统[J].机电工程,2012,29(5):493-496.[3]朱颖合,薛凌云,黄伟.基于自组织调整因子的模糊PID控制器设计[J].系统仿真学报,2011,23(12):2732-2737.本文档由论文格式()用户上传基于自调整因子模糊PID直流电机调速系统设计本文关键词：直流电机，调速，因子，模糊，调整