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1、分类号 密级 U D C 硕士学位论文基于模糊PI控制的推进电机调速研究论文答辩日期 学位授予日期 答辩委员会主席 评阅人 A Thesis Submitted in Partial Fulfillment of the Requirementsfor the Degree of Master of EngineeringResearch on Propulsion Speed-regulated SystemBased on Fuzzy-PI ControllerCandidate:Ma LeiMajor:Power Electronics and Electric DriveSupervi
2、sor:Prof. Lin HuaHuazhong University of Science and TechnologyWuhan, 430074, P. R. ChinaApril, 2006学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名：日期： 年 月 日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学
3、校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权XXXX大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。涉密论文按学校规定处理。作者签名： 日期： 年 月 日 导师签名： 日期： 年 月 日摘 要常规PI控制算法是工业控制领域中应用最广的一种算法，该算法简单，适应性强，具有一定的鲁棒性，能够满足一般生产过程的要求。但它的控制质量还存在一些问题，如在某一状态下整定为最优的一组PI参数在另一种状态下不一定是最好的，对非线性特性负载控制效果不是很理想。本文引入模糊PI控制器并将其应用到交流推进电机
4、调速系统中去，期望改善调速系统的动态和稳态性能。本文以交交变频同步电机调速系统为研究对象，对其所带非线性负载螺旋桨进行了研究，并进行分段线性化处理，建立了基于常规PI控制算法的调速系统的数学模型，为系统的仿真研究及性能改善奠定了基础。本文确定了模糊PI控制为本课题的控制策略，确立了模糊PI调节器的控制规则，并在此基础上建立了基于模糊PI控制器的推进电机调速系统数学模型。通过对系统进行仿真实验，在螺旋桨启动、反转性能，系统突加、突减负载抗干扰性能以及对系统参数灵敏度等方面与常规PI控制器进行了系统的比较。仿真结果表明，模糊PI控制器具有常规PI控制器所无法比拟的优越性。利用数字信号处理器（DSP
5、）实现了调速系统的模糊PI控制器，并进行了软件编程和调试，取得了和仿真相一致的结果，验证了控制方案的优越性，这对进一步研究模糊PI控制器在其他领域的应用具有重要意义。关键词：同步电动机；模糊PI控制器；推进系统；调速系统；螺旋桨AbstractThe general PI control method is widely applied in the field of industrial process. The method is simple, adaptable and it can meet with the demands of the general industrial con
6、trol process. But it has some problem in control characteristics, such as the parameter of PI is the best in one status but not good in another status and the control characteristics are not perfect to the object which is nonlinear. In this paper the fuzzy-PI control method is introduced to the syst
7、em of electrical propulsion to improve the dynamic and steady characteristics.This paper studies the AC/AC variable frequency converter speed-regulated system of synchronous motor and the nonlinear objectpropeller. Establish the mathematic models on the base of piece-wise linearization of propeller.
8、That provides the foundation for the simulation and improving the quality.In this paper the fuzzy-PI control strategy is proposed, and the rules of the fuzzy-PI controller are established. Basing on this the mathematic models of propulsion system is established. Some comparisons are made about the p
9、ropellers characteristics of start-up, crash reversal, anti-interference and the sensitivity to the PI parameter through a series of simulation. The simulation results show that the fuzzy-PI controller is much more advanced than the traditional PI controller.DSP has been employed to help realize fuz
10、zy PI controllers of speed regulating system and at the same time, software programming and testing have been conducted. All this is of great importance to further study the application of fuzzy PI controllers in other fields. Keywords：synchronous motor；fuzzy-PI controller；propulsion system；speed re
11、gulating system；propeller73目 录摘 要IAbstractII1 绪论1.1 课题的来源、目的和意义(1)1.2 研究现状(3)1.3 本文研究的主要内容(6)2 推进电机调速系统建模与仿真2.1 推进电机调速系统结构及原理(7)2.2 推进电机调速系统模型(17)2.3 螺旋桨负载特性(21)2.4 常规PI控制性能分析(27)2.5 本章小结(33)3 模糊PI控制器研究3.1 模糊控制简介(35)3.2 模糊控制器的结构(36)3.3 模糊控制器的设计(41)3.4 模糊PI控制器(48)3.5 推进系统中模糊PI控制的设计(53)3.6 本章小结(55)4 基
12、于模糊PI控制的推进系统性能研究4.1 模糊PI控制器仿真模型(56)4.2 系统性能仿真研究(57)4.3 实验系统及实验结果(60)4.4 本章小结(64)5 全文总结(65)致 谢(67)参考文献(68)附录 攻读硕士学位期间发表的论文(73)1 绪论1.1 课题的来源、目的和意义在现代科学技术的许多领域中，自动控制技术起着非常重要的作用。从上世纪40年代发展起来的经典控制理论经过不懈的努力在许多领域取得了辉煌的成就。自动控制技术通常是指，利用自动控制装置来代替人类驾驭机器、设备或控制生产的过程。六十年代初期，随着现代应用数学新成果的推出和电子计算机技术的应用，自动控制理论跨入了一个新阶
13、段现代控制理论。它主要研究具有高性能、高精度的多变量变参数系统的最优控制问题，采用的方法是以状态为基础的时域法。目前工业过程中广泛采用PID算法，其原因如下2 ：（1） 由于具有一个积分环节，故对阶跃输入的误差为零；（2） 具有典型传递函数的系统很容易被PID控制器所控制；（3） 基于第二条原因，工业上只用变PID的系数就可以对不同的系统进行控制；（4） 对具有典型传递函数的系统，一个简单的闭环实验就能给我们提供很好的信息来进行调整；（5） 调整的时候只需要对有限的几个参数进行修改。然而，古典控制理论、现代控制理论（包括自适应控制理论与随机最优控制理论）均是以被控对象的精确数学模型为基础的。而
14、在实际工业过程中，由于被控对象本身固有的时变性、强耦合以及内部动力学特性的不确定性，其精确的数学模型很难建立，甚至无法建立，这就为上述控制理论的实际应用带来了困难。目前，工业过程中广泛采用的PID控制算法对具有非线性、大时滞、时变、强耦合等特性的被控对象，控制效果并不理想。在交流推进系统中，传统的速度控制器采用的是PI控制算法。虽然PI控制的优点是控制滞后系统的鲁棒性能好，但是没有微分环节，就没有预测功能，控制过程比较慢。另外根据电机转矩公式可知，当负载为非线性时变、强耦合时，如系统的负载为螺旋桨，则PI控制很难满足系统高性能要求。因此，需要对系统算法进行改进或者采用更为先进的控制算法。针对P
15、ID控制器的缺点，国内外很多专家学者对其进行了改进。主要有以下几种：1 最优控制最优控制是现代控制理论的核心。所谓最优控制系统，就是在一定的具体条件下，在完成所要求的具体任务时，系统的某些性能指标具有最优值。例如，对于导弹控制系统来说，要求脱靶量最小，就要根据脱靶量这一性能指标来设计导弹控制系统。设计最优控制时，性能指标是衡量系统在任意容许控制作用下性能好坏的尺度，其内容与形式取决于最优问题所要完成的任务。但现代控制都是以系统的精确的数学模型为基础，因此在一些领域的应用也受到了限制。2内模控制（IMC）方法内模控制是由Garcia和Morari引进。内模控制器由控制器和滤波器两部分组成，两者对系统的作用相对独立，前者影响系统的响应性
