單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的模糊控制研究

摘要：隨著工業(yè)發(fā)展對(duì)電機(jī)速度的要求越來越高，傳統(tǒng)工程整定的PID算法已經(jīng)不能滿足要求，本文設(shè)計(jì)了一種基于模糊PID算法的單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)。仿真對(duì)比傳統(tǒng)的工程PID整定法和模糊PID整定法，結(jié)果表明，模糊PID整定法的控制效果更好，能達(dá)到工業(yè)控制領(lǐng)域要求。

關(guān)鍵詞：模糊;PID算法;速度;直流;電機(jī)

中圖分類號(hào)： TP242? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2021）04-0173-02

在電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制中，PID算法不能根據(jù)現(xiàn)場的實(shí)際情況自動(dòng)修改對(duì)應(yīng)的參數(shù)，使得控制的效果很難達(dá)到滿意的狀態(tài)，甚至還會(huì)出現(xiàn)不穩(wěn)定的情況，給工業(yè)生產(chǎn)帶來諸多的不便。而模糊PID算法，則不會(huì)存在需要人為調(diào)節(jié)參數(shù)的問題，能自動(dòng)根據(jù)不同的實(shí)際工作情況進(jìn)行調(diào)整，能較好地滿足實(shí)際生產(chǎn)需求。

1 整體設(shè)計(jì)

4 系統(tǒng)建模仿真

系統(tǒng)建模仿真原理圖如圖3所示。

在模糊轉(zhuǎn)速PID調(diào)節(jié)器中，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)可以構(gòu)造出表1、表2和表3，并根據(jù)該模糊規(guī)則表在Matlab環(huán)境下輸入模糊推理系統(tǒng)，該系統(tǒng)有2路輸入和3路輸出，該模型中輸入和輸出變量的范圍均取（-3，3）。

5 系統(tǒng)仿真測試

在圖3所示的simulink原理圖中，轉(zhuǎn)速設(shè)定值為1000轉(zhuǎn)/分的情況下，將傳統(tǒng)算法和模糊算法進(jìn)行對(duì)比，電機(jī)轉(zhuǎn)速輸出曲線對(duì)比，如圖4所示：

在圖4中，傳統(tǒng)算法下，電機(jī)在220ms時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到最大值為1166轉(zhuǎn)/分，在0.61s時(shí)轉(zhuǎn)速處于穩(wěn)定狀態(tài)，對(duì)應(yīng)穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速值為999轉(zhuǎn)/分，其轉(zhuǎn)速超調(diào)量為16.71%;模糊算法下，電機(jī)在130ms時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到最大值為1019轉(zhuǎn)/分，在286ms時(shí)轉(zhuǎn)速處于穩(wěn)定狀態(tài)，對(duì)應(yīng)穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速值為997轉(zhuǎn)/分，其轉(zhuǎn)速超調(diào)量為2.21%;

參數(shù)對(duì)比分析如下：1）傳統(tǒng)算法下的電機(jī)轉(zhuǎn)速最大值為1166轉(zhuǎn)/分，而模糊算法下電機(jī)轉(zhuǎn)速的最大值為1019轉(zhuǎn)/分，轉(zhuǎn)速最大值的偏差高達(dá)147轉(zhuǎn)/分，且傳統(tǒng)算法下電機(jī)達(dá)到轉(zhuǎn)速最大值的時(shí)間也比模糊算法多了90ms;2）傳統(tǒng)算法和模糊算法相比，雖然穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速更接近1000轉(zhuǎn)/分，但實(shí)際上也只比模糊算法下的穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速多了2轉(zhuǎn)/分，基本上可以忽略不計(jì)，然而到達(dá)穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速的時(shí)間，傳統(tǒng)算法比模糊算法則多出了324ms;3）傳統(tǒng)算法的轉(zhuǎn)速超調(diào)量為16.71%，模糊算法的轉(zhuǎn)速超調(diào)量為2.21%，轉(zhuǎn)速超調(diào)量的偏差為14.5%。

綜合以上的參數(shù)對(duì)比分析，模糊算法在轉(zhuǎn)速最大值、調(diào)節(jié)時(shí)間和轉(zhuǎn)速超調(diào)量這三個(gè)指標(biāo)上的表現(xiàn)要完全優(yōu)于傳統(tǒng)算法，且曲線更加平滑。因此模糊算法更適合單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)，為更好地檢測模糊算法的性能，設(shè)定一個(gè)指標(biāo)為偏差占比，偏差占比等于偏差與設(shè)定轉(zhuǎn)速的比值，當(dāng)偏差占比在±5%以內(nèi)就認(rèn)為系統(tǒng)處于穩(wěn)態(tài)。具體的相關(guān)參數(shù)和測試值如表1所示。

從表4中可以看出：（1）電機(jī)能在0.6s內(nèi)達(dá)到穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速，偏差占比±4%以內(nèi);（2）隨著轉(zhuǎn)速設(shè)定值的加大，電機(jī)到達(dá)穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速時(shí)所需要的時(shí)間也慢慢增大，如圖5所示，橫坐標(biāo)為穩(wěn)態(tài)時(shí)間，縱坐標(biāo)為電機(jī)達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)所對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速，由圖5可以看出，電機(jī)穩(wěn)態(tài)時(shí)轉(zhuǎn)速和到達(dá)穩(wěn)態(tài)所對(duì)應(yīng)的時(shí)間，呈現(xiàn)出線性關(guān)系;（3）當(dāng)轉(zhuǎn)速在1000轉(zhuǎn)/分時(shí)，偏差占比最小，若轉(zhuǎn)速設(shè)定值繼續(xù)增大或繼續(xù)減小，偏差占比則會(huì)慢慢變大，也就是說電機(jī)轉(zhuǎn)速在1000轉(zhuǎn)/分時(shí)，為電機(jī)的最佳工作狀態(tài)，且電機(jī)的轉(zhuǎn)速設(shè)定值低于700轉(zhuǎn)/分或高于1500轉(zhuǎn)/分，都會(huì)使都會(huì)使偏差占比查過±4%，為保證電機(jī)運(yùn)行的精確度，以及實(shí)際的控制效果，最好讓電機(jī)的轉(zhuǎn)速設(shè)定值在700轉(zhuǎn)/分到1500轉(zhuǎn)/分范圍之間。

6 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)的單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)，模糊算法下電機(jī)角速度的輸出曲線要優(yōu)于傳統(tǒng)算法下的轉(zhuǎn)速輸出曲線。轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)更平滑且超調(diào)更小，更適合應(yīng)用在工業(yè)和生活實(shí)際生產(chǎn)中。

參考文獻(xiàn)：

[1] 鄧劍，潘尚峰.基于模糊PID自適應(yīng)控制的動(dòng)力卡盤動(dòng)態(tài)扭矩加載研究[J].機(jī)床與液壓，2019，47（3）：64-67.

[2] 朱嶸濤，武洪濤.基于增量式PID算法的直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)[J].儀表技術(shù)與傳感器，2017（7）：121-126.

[3] 朱嶸濤，陳希湘.基于模糊PID算法的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)中的設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2020，43（14）：34-37.

[4] 周克良，過振宇.基于模糊自適應(yīng)PID的推擠機(jī)線徑預(yù)測控制[J].計(jì)算機(jī)仿真，2019，36（3）：302-306.

[5] 朱嶸濤，陳希湘.T-S模糊模型在單級(jí)倒立擺中的控制研究[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2020，43（8）：179-182.

【通聯(lián)編輯：唐一東】