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1、毕 业 设 计（论 文）说 明 书题 目：基于模糊PID控制的直流双闭环调速系统系 别：系专业班级：电气工程及自动化学生姓名：指导教师：教 研 室：电气工程及其自动化教研室提交时间：- II -基于模糊PID控制的直流双闭环调速系统摘 要一个多世纪以来，电动机作为最主要的机电能量转换装置，其应用范围已遍及国民经济的各个领域和人们的日常生活。在电动机的数字控制系统中，一般采用的是PID控制，但由于PID控制有其一定的局限性，在有些场合中难以获得满意的控制效果。本文在分析智能控制技术的基础上，阐述了PID控制技术和模糊控制技术的发展现状和模糊控制技术的原理，以模糊PID控制作为研究对象，对双闭环直
2、流调速系统设计了模糊PID控制器,分析了系统的动静态特性及鲁棒性,并与PID控制进行了比较,MATLAB仿真表明:模糊控制具有更好的动态特性与鲁棒性。关键词：直流电机；调速系统；PID控制；模糊PID控制；MATLAB仿真ABSTRACTThe application of motor has spread all kinds of fields of national economy and peoples daily life as the main mechanic-electronic energy conversion device for a century or more. PI
3、D control is often adopted in the digital control system of motor. But PID control has some scarcity, good control effects have been obtained difficultly in some instances.The paper is based on the analysis of the intelligent control, elaborating the present development condition of the PID control
4、and the fuzzy control and the principle of the fuzzy control. Taking the fuzzy PID control as the research object, this paper presents a fuzzy PID controller for binary closed loop DC speed regulating system，and transient and steady-state performance and robustness of the system are analyzed. MATLAB
5、 numerical simulation shows that it provides higher transient performance and robustness than that of the PID controller.KEY WORDS: DC motor；speed regulating system；PID control；fuzzy PID control；MATLAB simulation- 47 -目录摘 要IABSTRACTII第1章 引 言- 1 -1.1 前言- 1 -1.2 直流调速系统发展史- 1 -1.3 直流电动机的调速方法- 2 -1.4 本论
6、文研究的目的与内容- 5 -第2章 双闭环直流调速系统- 7 -2.1 转速、电流双闭环直流调速系统的组成及工作原理- 7 -2.1.1 转速、电流双闭环直流调速系统的组成- 7 -2.1.2 转速、电流双闭环直流调速系统的工作原理- 8 -2.2 双闭环调速系统的静特性及稳态参数- 9 -2.2.1 双闭环调速系统的静特性- 9 -2.2.2 双闭环调速系统各变量的稳态工作点和稳态参数计算- 10 -2.3 双闭环调速系统的动态特性- 11 -2.3.1 双闭环调速系统的动态数学模型- 11 -2.3.2 双闭环调速系统的动态性能- 11 -2.3.3 双闭环调速系统中两个调节器的作用- 1
7、2 -第3章 系统控制方案- 13 -3.1 经典控制(PID)- 13 -3.2 模糊控制- 18 -3.2.1 模糊控制的基本理论- 19 -3.2.2 模糊控制器的数据库- 20 -3.2.3 模糊控制规则库- 21 -3.2.4 推理决策逻辑- 22 -3.3 模糊控制与PID结合- 24 -3.3.1 模糊PID控制器的基本形式- 25 -3.4 双闭环调速模糊PID控制器的设计- 27 -3.4.1 确定输入与输出变量的模糊子集和论域及其隶属度- 28 -3.4.2 确定模糊控制规则(若干条经验规则)R- 28 -3.4.3 设计模糊推理关系- 29 -3.4.4 模糊决策- 29
8、 -3.4.5 模糊判决(将控制量去模糊化)- 30 -第4章 系统仿真- 32 -4.1 Matlab/Simulink简介- 32 -4.2 Simulink的启动与界面说明- 33 -4.2.1 启动Simulink- 33 -4.2.2 Simulink的菜单- 33 -4.2.3 Simulink的功能模块组- 33 -4.3 Simulink的仿真过程- 33 -4.3.1 创建结构图文件- 33 -4.3.2 结构图程序设计- 34 -4.3.3 Simulink仿真的启动与停止- 34 -4.4 建立仿真模型- 34 -4.4.1 传统PID控制的直流双调速系统仿真- 34 -
9、4.4.2 模糊PID控制的直流双调速系统仿真- 35 -第5章 分析及结论- 39 -5.1 超调量，稳态静差分析- 39 -5.2 快速性分析- 40 -5.3 抗负载扰动分析- 41 -5.4 鲁棒性分析- 42 -5.5 结论- 43 -第6章 结束语- 44 -致 谢- 45 -参考文献- 46 -第1章 引 言1.1 前言在现代化的工业生产过程中，几乎无处不使用电力传动装置，生产工艺、产品质量的要求不断提高和产量的增长，使得越来越多的生产机械要求能实现自动调速。对可调速的传动系统，可分为直流调速和交流调速。直流电动机具有优良的调速特性，调速平滑、方便，易于在大范围内平滑调速，过载能
10、力大，能承受频繁的冲击负载，可实现频繁地无级快速起制动和反转，能满足生产过程自动化系统中各种不同的特殊运行要求，至今在金属切削机床、造纸机等需要高性能可控电力拖动的领域仍有广泛的应用，所以直流调速系统至今仍然被广泛地应用于自动控制要求较高的各种生产部门，是截止到目前为止调速系统的主要形式之一。1.2 直流调速系统发展史第一，最初的直流调速系统是采用恒定的直流电压向直流电动机电枢供电，通过改变电枢回路中的电阻来实现调速。这种方法简单易行，设备制造方便，价格低廉。但缺点是效率低、机械特性软、不能在较宽范围内平滑调速，所以目前极少采用。第二，三十年代末，出现了发电机电动机(也称为旋转变流组)，配合采
11、用磁放大器、电机扩大机、闸流管等控制器件，可获得优良的调速性能，如有较宽的调速范围(十比一至数十比一)、较小的转速变化率和调速平滑等。特别是当电动机减速时，可以通过发电机非常容易地将电动机轴上的飞轮惯量反馈给电网。这样，一方面可得到平滑的制动特性;另一方面又可减少能量的损耗，提高效率。但发电机电动机调速系统的主要缺点是需要增加两台与调速电动机相当的旋转电机和一些辅助励磁设备，因而设备较多、体积大、费用高、效率低、安装需有地基、运行有噪声、维修困难等。第三，自出现汞弧变流器后，利用汞弧变流器代替上述发电机电动机系统，使调速性能指标又进一步提高。特别是它的系统快速响应性是发电机电动机系统不能比拟的
12、。但是汞弧变流器仍存在一些缺点:维修还是不太方便，特别是水银蒸汽对维护人员会造成一定的危害等。第四，1957年，世界上出现了第一只晶闸管，与其它变流元件相比，晶闸管具有许多独特的优越性，因而晶闸管直流调速系统立即显示出强大的生命力。由于它具有体积小、响应快、工作可靠、寿命长、维修简便等一系列优点，采用晶闸管供电，不仅使直流调速系统经济指标上和可靠性有所提高，而且在技术性能上也显示出很大的优越性。晶闸管变流装置的放大倍数在10000以上，比机组(放大倍数10)高1000倍，比汞弧变流器(1000)高10倍;在快速响应性上，机组是秒级，而晶闸管变流装置为毫秒级。因此，目前在直流调速系统中，除某些特
13、大容量的设备而且供电电路容量较小的情况下，仍采用机组供电、晶闸管励磁系统以外，几乎绝大部分都已改用晶闸管相控整流供电了。目前，我国直流调速控制的发展趋势主要有以下几个方面：(1)提高调速系统的单机容量。(2)提高电力电子器件的生产水平，使变流器结构变得简单、紧凑。(3)提高控制单元水平，使其具有控制、监视、保护、诊断及其自动复原等多种功能。1.3 直流电动机的调速方法直流电机转速n的表达式为:n= (1-1)式(1-1)中: Ua-电枢端电压(V)； Ia-电枢电流(A)； Ra-电枢电路总电阻(W)； F-每极磁通量(wb)；Ce-与电机结构有关的常数;由(1-1)式可知，直流电机转速n的控
14、制方法有三种:(1)调节电枢电压Ua，改变电枢电压从而改变转速，属恒转矩调速方法，动态响应快，适用于要求大范围无级平滑调速的系统;(2)改变电机主磁通F，只能减弱磁通，使电动机从额定转速向上变速，属恒功率调速方法，动态响应较慢，虽能无级平滑调速，但调速范围小;(3)改变电枢电路电阻Ra，在电动机电枢外串联电阻进行调速，只能有级调速，平滑性差、机械特性软、效率低。在一般意义上，对调速系统转速控制要求大致有三方面：(1)调速在一定的最高转速和最低转速范围内，分档地(有级)或平滑地(无级)调节转速。(2)稳速以一定的精度在所需转速上稳定运行，在各种可能的干扰下不允许有较大的转速波动。(3)加、减速频繁起制动的设备要求尽快的加减速以提高生产率。一般情况下，调速和稳速在各种场合下都能碰到，我们给出调速系统的稳态性能指标。 (一)调速范围D生产机械要求电动机提供的最高转速nmax和最低转速nmin之比叫做调速范围，用字母D表示: D = (1-2)其中nmax和nmin一般都指电机额定负载时的转速。(二)静差率S当系统在某一转速下运行时，负载由理想空载增加到额定值所对应的转速降落Dnnom，与理想空载转速n0之比，称作静差率s用百分函数表示为:s =100% (1-3)显然，静差率是用来衡量调速系
