開放平臺下調速系統模糊控制的教學實踐

劉新正,賀小玉,馮俊龍

(西安交通大學電氣工程學院,陜西西安 710049）

開放平臺下調速系統模糊控制的教學實踐

劉新正,賀小玉,馮俊龍

(西安交通大學電氣工程學院,陜西西安 710049）

本文介紹了基于開放式計算機控制直流調速系統教學實驗平臺,指導學生在傳統PID調節器中加入模糊控制策略的教學實踐。筆者分析了Matlab/Simu link軟件環境下參數在線自整定模糊PID控制器的設計過程,并對比分析了不同控制策略實驗結果。開發的實驗裝置新功能可以有效提升實驗教學水平。

直流調速系統;模糊PID控制器;Matlab

0 引言

模糊邏輯和神經網絡等智能控制策略引入到實際的電機控制系統,可以實現電機的智能控制[1]。電氣工程及其自動化專業本科生的“電機控制”課程教學,除應傳授傳統的交、直流電動機典型調速控制系統組成和控制原理之外,也應增加先進的智能控制策略在電機控制領域的應用知識。

以往的“電機控制”課程教學內容側重于前者[2],所配套的電機閉環調速實驗裝置大多是基于傳統PI或者PID調節器的模擬或者計算機數字控制系統[3],缺少設計智能控制器環節。如果在已有實驗平臺軟件中加入智能控制策略,則既能開發出實驗裝置的新功能,解決智能控制器的空白,保證教學實驗的系統性、完整性和可對比性,又能減少設備投入節省費用。

基于以上考慮,我們利用現有資源,在本科生的課程教學中做了初步嘗試。我們首先要求學生在Matlab/Sim ulink環境下,建立傳統PID控制和模糊PID控制的直流電動機雙閉環調速系統仿真模型,仿真分析系統的動態過程。然后,基于已有的開放式直流電動機雙閉環調速實驗計算機控制硬件平臺,速度環采用傳統PID控制器和所設計的模糊PID控制器,進行直流電動機雙閉環不可逆晶閘管相控整流和可逆脈寬調速系統的在線控制實驗。學生將所學的電機調速原理和智能控制方法等基礎知識綜合運用到實際系統,體會現代科技與傳統技術的有機融合。

1 實驗平臺簡介

教學實驗室現有的交、直流電動機調速實驗平臺SMCL-I,為開放式的計算機數字控制系統。其中的他勵直流電動機雙閉環調速實驗的計算機控制系統是基于Matlab/Simulink環境,只需修改上位機中系統模型的相應控制器即可實現不同的控制策略,開放性較好。該系統構成的實驗平臺其硬件為通常采用的模塊化掛件組合,除功率驅動模塊和電源模塊外,最重要的是數據采集和控制卡。平臺上配置了研華的12位PCI-1711板卡,帶有A/D和D/A接口。

圖1所示為原有以PCI-1711為數據采集和運行控制卡,以Matlab/Simu link為運行軟件環境的直流電動機轉速和電流雙閉環調速計算機控制系統。速度調節器ASR和電流調節器ACR均采用數字PID控制器,起、停和轉速給定由信號發生器實現。外部轉速和電流摸擬信號通過PCI-1711卡的A/D通道轉換為數字量,分別反饋到Simu link模型中ASR和ACR的輸入端,ACR輸出的數字控制信號經PCI-1711卡的D/A通道轉換為模擬控制信號,控制系統的運行。

圖1 Matlab環境下計算機控制雙閉環直流調速系統

2 模糊PID控制器設計

相比于其他智能控制方法,模糊控制以模糊集合、模糊語言變量及模糊邏輯推理為基礎,將操作者或專家的控制經驗和知識表示成語言變量描述的控制規則,通過自然語言進行人機界面聯系,容易融入到控制環節,也容易理解和掌握。本文通過設計他勵直流電動機速度與電流雙閉環調速控制系統中參數在線自整定的模糊PID速度調節器ASR,在上述的實驗平臺上實現模糊PID控制算法。

圖2所示為在Matlab/Sim ulink環境下所設計的模糊自整定PID控制器結構示意圖[6],由一個傳統標準PID控制器和一個單變量二維模糊控制器組成。它在傳統PID控制器中引入模糊控制策略,根據偏差e和偏差變化率ec在線實時且適當地調整PID參數K p、K i、K d,使系統的動態響應快且超調小。圖中K p0、K i0和K d0分別為PID控制器比例、積分和微分系數的初始值;Ke、Kec、Fuzzy Logic Controller、Gian4、Gian5 和 Gian6 等環節構成模糊控制器。模糊控制器由定標環節K e和K ec完成輸入論域轉換;模糊推理系統Fuzzy Logic Contro ller是模糊控制器的主體,完成輸入量的模糊化、根據隸屬函數求取隸屬度、模糊推理運算和解模糊;定標環節Gian4、Gian5和Gian6輸出為K p、K i和K d的變化量 ΔK p、ΔK i和 ΔK d。在線運行過程中,模糊控制器完成對PID參數的在線自整定。

圖2 模糊PID控制器結構

我們在設計中應用Matlab自帶的Fuzzy Logic工具箱建立模糊推理系統[7,8],并將其嵌入圖2所示模糊 PID控制器 Simulink模型的 Fuzzy Logic Controller模塊。所設計模糊推理系統為M amdani兩輸入三輸出結構,兩輸入分別為偏差e和偏差變化率ec。三輸出分別為 K p、K i、K d的在線修正量ΔK p、ΔK i、ΔK d。e的語言變量E 的模糊集合取為{NB 、NM 、NS 、NZ 、PZ 、PS、PM 、PB},ec的語言變量EC、ΔK p、ΔK i和 ΔK d的模糊集合均取為{NB、NM 、NS 、ZO 、PS 、PM 、PB};語言變量的隸屬函數均選為高斯型;采用中位數法解模糊得到清晰量輸出。

模糊推理規則直接關系到系統的控制性能,制定規則時應根據實際系統中e及ec的變化規律,也要考慮PID的3個參數在不同時刻的作用及相互之間的關系,以達到最佳控制效果。例如,通過考察系統起動和突加負載時e和ec的變化規律得出,起動階段EC保持為NB而E經歷了從PB、PM、PS、PZ到NZ的過程,負載突變時E保持在PZ而EC卻經歷了從PB、PM、PS、ZO到NS的過程。據此設計了改善階躍響應和負載突變動態性能的部分模糊控制規則如表1和2所示。

表1 階躍響應動態性能的部分控制規則

表2 負載突變動態性能的部分控制規則

3 直流調速系統模糊PID控制實驗

基于PCI-1711數據采集卡和硬件實驗平臺,在Matlab/Sim ulink環境下,完成了直流電動機的不可逆晶閘管調速和可逆脈寬系統的模糊自適應PID控制。系統的Simulink在線控制框圖如圖3所示,其中ASR采用模糊PID控制器。

圖3 雙閉環直流調速系統Simulink在線控制框圖

當實際轉速為1000r/min時,轉速反饋信號為3,即速度反饋比例系數為0.003。速度環模糊PID控制器中,當控制系統的階躍給定為3時,測得轉速偏差e的基本論域為[-3,3],偏差變化率ec的基本論域為[-60,60],e和ec語言變量E和EC的模糊論域取為[-6,6],輸出語言變量的模糊論域取為[-10,10],則輸入標度因子分別為 K e=2、K ec=0.1;ΔK p、ΔK i和ΔK d的輸出標度因子分別為0.3、2和0.001。

轉速環分別采用傳統PID和模糊PID在線運行,0s時加階躍給定使電機起動,10s左右突加相同的負載,得到系統起動和負載突變的動態響應實驗結果如圖4所示。對比可以看出,ASR采用模糊PID控制器,起動時轉速超調約為1.3%,調整時間約0.5s;負載突變時最大轉速降約0.26,恢復時間約3.7s。采用常規PID控制,起動時轉速超調約為7.66%,調整時間4s;負載突變時最大轉速降約1.13,恢復時間約8.9s。對比可以看出,閉環調速系統的動態性能得到了改善,達到了預期目標。

圖4 實驗結果對比

4 結語

在“電機控制”課程的教學實踐中,利用現有的開放式實驗裝置平臺,指導學生在傳統PID控制器中加入模糊控制策略,實現了直流電動機雙閉環調速系統的速度環模糊PID控制器設計和實驗。實踐證明,這一嘗試不僅開發了教學實驗裝置的智能控制器作用,而且鍛練了學生綜合運用知識的能力和實際動手能力。

[1] Rajesh Kumar.Intelligent Tuned PID Controllers for PMSM D rive-A C ritical Analysis.IEEE.2006.2055-2060

[2] 陳伯時.電力拖動自動控制系統—運動控制系統[M].北京:機械工業出版社,2003.7

[3] 許大中,賀益康.電機控制[M].杭州 :浙江大學出版社,2002

[4] 周淵深.交直流調速系統與Matlab仿真[M].北京:中國電力出版社,2007

[5] 李輝.直流電動機調速系統模糊控制的仿真[J].上海:中小型電機.2003.30(1).47-50

[6] 陶永華.新型PID控制及其應用[M].北京:機械工業出版社,2002

[7] 李國勇.智能控制及其Matlab實現[M].北京:電子工業出版社.2005年5月

[8] 馮冬青.一種基于 Matlab的模糊控制器綜合優化設計方法[J].北京:系統仿真學報.Vol.16 No.4.April 2004.849-852

Teaching Practice of Fuzzy Logic Control on Open Type Motor Speed Regulating System

LIU Xin-zheng,HE X iao-yu,FENG Jun-long

(X i'an Jiaotong University,X i'an 710049,China)

The teaching p ractice of fuzzy logic algorithm joined to the conventional PID contro l is p resented in this paper.This work is performed on the demonstration platform of a open type com puter-controlled DCmotor speed regulating system,and fulfilled by students with the guidance of teacher.Themeaning of this effort is discussed,the design p rocess of on line parameters self-tuning fuzzy PID speed controller using Matlab/Sim ulink software is explainted in detail,and the comparison of experiment results between conventional PID and fuzzy logic PID control ismade.This developed the new function for demonstration experimental p latform and cou ld im p rove the teaching experiment effectively.

DC motor speed regulating system;fuzzy PID controller;Matlab

TP273+.4

A

1008-0686(2011)02-0045-03

2010-08-16;

2010-11-30

劉新正(1959-),男,碩士,副教授,主要從事電機及其控制方面的教學、科研工作,E-mail:liuxz@mail.xjtu.edu.cn

賀小玉(1987-),男,本科生,研究方向為電氣工程及其自動化;

馮俊龍(1988-),男,本科生,研究方向為電氣工程及其自動化.