直流调速系统的模糊自适应PID控制器设计

２００６年６月　第２０卷第２期　南昌航空工业学院学报（自然科学版）　Ｊｏｕｒｎａｌ　０ｆ　ＮａＩｌｃｈ叫５　Ｉｍｆｉｔｕｍ　０ｆ　Ａｅｒｏｎａｕｔｉｃａｌ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｆｌｙ（Ｎａｔｕｒａｌ　Ｓｃｉｅｒｌｃｅ）　Ｊｕｎ．．２００６　Ｖ０１．２Ｏ　Ｎｏ．２　

直流调速系统的模糊自适应ＰＩＤ控制器设计　

易宏　，代冀阳　，王文彦　

（１．南昌航空工业学院自动化学院　江西南昌３３００３４；　２．山东济南钢铁集团中厚板厂电气自动化车间　山东济南２５０１０１）　

【关键词】直流调速系统；ＰＩＤ；模糊控制；自适应　【摘要】　利用模糊自适应ＰＩＤ控制器对直流调速系统进行控制，设计了三个自适应模糊控制器分别实时调性ＰＩＤ参数。　结合ＭＡＴＬＡＢ中的Ｆｕｚｚｙｔｏｏｌｂｏｘ和ＳＩＭＵＬＩＮＫ，实现了该模糊自适应ＰＩＤ控制器的计算机仿真。结果表明。该控制器提高了　系统的稳态和动态性能。　【中圈分类号】ＴＰ２１４　【文献标识码】　Ａ　【文章编号】　１００１－４９２６（２００６）０２—００４９—０４　Ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　Ｆｕｚｚｙ　ｓｅｌｆ－—ａｄａｐｔｉｖｅ　ＰＩＤ　ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ　ｆｏｒ　ＤＣ　ｔｉｍｉｎｇ　ｓｙｓｔｅｍ　

ＹＩ　Ｈｏｎｇ　，ＤＡＩ　Ｊｉ—ｙａｎｇ　，ＷＡＮＧ　Ｗｅｎ—ｙａｎ　（１．Ａｃａｄｅｍｙ　ｏｆＡｕｔｏｍａｔｉｏｎ，ＮａｎＣｈａｎｇ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆＡｅｒｏｎａｕｔｉｃａｌ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ＮａｎＣｈａｎｇ。３３００３４；　２．Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ　ａｎｄ　Ｂｏａｒｄ　Ｆａｃｔｏｒｙ　Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ　Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ　Ｗｏｒｋｓｈｏｐ，ＳｈａｎＤｏｎｇ　ＪｉＮａｎ　Ｓｔｅｅｌ　Ｇｒｏｕｐ。ＪｉＮａｎ，２５０１０１）　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＤＣ　ｔｉｍｉｎｇ　ｓｙｓｔｅｍ；ＰＩＤ；ｆｕｚｚｙ　ｃｏｎｔｒｏｌ；ａｄａｐｔｉｖｅ　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｐｐｌｙ　ｆｕｚｚｙ　ｓｅｌｆ－ａｄａｐｔｉｖｅ　ＰＩＤ　ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ　ｔｏ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｔｈｅ　ＤＣ　ｔｉｍｉｎｇ　ｓｙｓｔｅｍ　ａｎｄ　ｄｅｓｉｇｎ　ｔｈｒｅｅ　ｓｅｌｆ－ａｄａｐｔｉｖｅ　ＰＩＤ　ｃｏｎｔｒｏｌｅｒｓ　ｗｈｉｃｈ　ａｄｊｕｓｔ　ｔｈｅ　ＰＩＤ　ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ　ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ　ｉｎ　ｒｅａｌ－ｔｉｍｅ　ｗａｙ．Ｔｈｅ　ｏｒｇａｎｉｃ　ｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｆｕｚｚｙ　ｔｏｏｌｂｏｘ　ａｎｄ　ＳＩＭＵＬＩＮＫ　ｏｆ　ＭＡＴＬＡＢ　ｒｅａｌｉｚｅ　ｔｈｅ　ｅｏａ：ｐｕｔｅｒ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｉｓ　ｓｅｌｆ—ａｄａｐｔｉｖｅ　Ｆｕｚｚｙ　ＰＩＤ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｓｙｓｔｃｍ　ｃｏｎｖｅｎｉｅｎｔｌｙ．Ｔｈｅ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｓｈｏｗ　ｔｈｅ　ｓｔｅａｄｙ　ａｎｄ　ｄｙｎａｍｉｃ　ｐｅｒ－　ｆｏｒｍａｎｃｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ＤＣ　ｔｉｍｉｎｇ　ｓｙｓｔｅｍ　ａｒｅ　ｅｎｈａｎｃｅｄ　ｔｏｇｅｔｈｅｒ．　

当今，自动化控制系统已经在各行各业得到了广泛的应用和发展，直流调速控制因其具有良好的起动、　

制动性能，适合在广泛的范围内平滑调速，在现代化生产中起着重要作用，在轧钢机、矿井卷扬机、高层电梯　等需要高性能可控电力拖动的领域中得到了广泛的应用。因此，研究直流调速系统的控制就显得非常重要。　

对于直流调速系统，常采用传统ＰＩＤ控制。ＰＩＤ控制器是过程控制中应用最广泛最基本的控制器，它具　

有简单、稳定性好、可靠性高的特点。然而常规ＰＩＤ不能在线整定参数，并且对于非线性、时变的复杂系统和　

模型不清楚的系统不能很好的控制，其ＰＩＤ参数不是整定非常困难就是根本无法整定，因而不能得到预期的　

控制效果。　智能控制中的简单模糊控制器由于不具有积分环节，因此在模糊控制的系统中很难完全消除稳态误差，　而且在变量分级不够多的情况下，常常在平衡点附近会有小的振荡现象。但模糊控制器对复杂和模糊不清　

的系统却能进行简单而有效的控制。　对于本文所涉及的直流调速系统，采用模糊自适应ＰＩＤ控制，该方法把传统ＰＩＤ控制和模糊控制结合起　

来，构成兼有两者优点的模糊自适应ＰＩＤ控制器。它的原理是：利用模糊控制器为ＰＩＤ控制器在线自整定　ＰＩＤ参数，从而控制电机的转速。通过仿真验证，该模糊自适应ＰＩＤ控制器对被控对象有很强的适应性，其　

响应速度和抗干扰方面明显优于传统ＰＩＤ控制和简单模糊控制。　

１　直流调速系统的模型　

变压闭环调速是直流调速系统调速的主要方法。在电动机轴上安装一台测速发电机ＴＧ，引出与被调　

［收稿日期】２００６一ｏ４—１０　【作者简介］　易宏（１９７７一），女，江西南昌人，

南昌航空工业学院自动化学院讲师　维普资讯 http://www.cqvip.com 南昌航空工业学院学报（自然科学版）　

量——转速成正比的负反馈电压　，与给定转速　相比较以后，得到偏差电压Ａｕ　，经过放大器Ａ，产生触　

发装置ＧＴ的控制电压　，用以控制电动机转速　，原理框图如图１　¨。根据直流调速系统各环节的传递函　数，把它们按在系统中的相互关系组合起来，可以得到系统的动态结构图，如图２所示。由图可见，将晶闸管　

装置按一阶环节近似处理后，带比例放大器的闭环调速系统可以看作是一个三阶线性系统。　

＋　

图１采用转速负反馈的闭环调速系统　图２反馈闭环调速系统的动态结构图　

该反馈控制系统的开环传递函数为：　（ｓ）＝　丽，其中Ｋ＝Ｋ　ｅｃ　Ｋ，￣ｔ　．疋　＝２ｌ，　

Ｋ＝４４，０ｆ＝Ｏ．０１１５８，Ｃ　＝Ｏ．１９２５，　＝Ｏ．００１６７ｓ，　＝Ｏ．０７５ｓ，Ｔｌ＝Ｏ．０１７ｓ，该直流调速系统的开环传递函数　

为：　）＝　可…。　

经验证，该系统闭环不稳定，必须校正。　

２模糊白适应ＰＩＤ控制器设计　

２．１模糊自适应ＰＩＤ控制律设计　模糊控制器是模糊控制系统的核心，模糊控制是以设计人员的经验为基础实施的一种智能控制。它并不　

需要用精确的数学模型描述系统的动态过程，因此，它的设计方法与常规的设计方法不同。模糊控制器的设　计，一般是先在经验的基础上确定各个相关参数及其控制规律，然后在运行中反复进行调整，以达到最佳控　

制效果。模糊控制器结构的设计实质上是模糊控制器输入语言变量及输出语言变量的选取和模糊控制器的　不同组合与扩展问题。目前广泛采用的模糊控制器为二维模糊控制器，这种控制器以误差和误差的变化为　

输入变量，以控制量的变化为输出变量　。　模糊自适应ＰＩＤ控制器以误差ｅ和误差变化ｅｃ作为输入，找出ＰＩＤ三个参数与ｅ和８ｃ之间的模糊关　系，在运行中通过不断检测ｅ和８ｃ，利用模糊规则进行模糊推理，查询模糊矩阵表进行参数调整，在线对ＰＩＤ　

参数进行修改，可以满足不同时刻的ｅ和８ｃ对ＰＩＤ参数自整定的要求，从而使被控对象有良好的动、静态性　

能。模糊自适应ＰＩＤ控制器结构如图３所示。　２．２直流调速系统模糊自适应ＰＩＤ控制律设计　将系统误差ｅ和误差变化率８ｃ的变化范围定义为模糊集上的论域。　ｅ，８ｃ＝｛一５，一４，一３，一２，一ｌ，０，ｌ，２，３，４，５｝，模糊子集为ｅ，ｅｃ＝｛ＮＢ，ＮＭ，ＮＳ，Ｚ，Ｐｓ，ＰＭ，ＰＢ｝，子集中　

元素分别代表负大。负中，负小，零，正小，正中，正大。设ｅ，ｅｃ和　，Ｋ，　均服从正态分布，因此可得各模　

糊子集的隶属度，根据各模糊子集的隶属度赋值表和各参数模糊控制模型，应用模糊合成推理设计ＰＩＤ参数　的模糊矩阵表，查出修正参数代人下式计算　］：　

＝　＋　，８ｃ　｝　，Ｋ＝　＋　，ｅｃ　｝　，　＋　，ｅｃ　｝　，　，　，　的模糊控制规则表建立以后，可根　

据上述方法进行　。Ｋ，　的自适应校正。

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图３　自适应模糊控制器结构　

３仿真结果及讨论　图４模糊自适应ＰＩＤ控制的直流调速系统仿真　

根据上述方法，建立直流调速系统的ＳＩＭＵＬＩＮＫ仿真图，如图４所示。给定ＰＩＤ参数的初值：　＝０．　

００５，Ｋ　＝０．０３３，　＝４．４５３，加入阶梯信号作为输入，并在２秒加入持续时间０．０５秒的冲激信号作为干扰。　比较简单ＰＩＤ控制和模糊自适应ＰＩＤ控制下直流调速系统的输出转速，分别如图５和图６所示。可以　

看出，模糊自适应ＰＩＤ控制下的直流调速系统既具有ＰＩＤ控制无振荡、高精度的优点，又具有模糊控制的快　

速响应的优良性能。　

阶梯辅人并加千扰信号自　简晕ｐｌＤ校正　

・　Ｖ　

ｆ　ｆ　、．　

０　０　５　１　１　５　２　２　５　３　３　・卯　时问静　

４　结论　图５简单ＰＩＤ控制的系统　阶梯蕈ｉＡ并加干扰信哥的模糊ＰＩＰ掖正　

０　０＋５　１　１　５　２　２　５　３　３　５　时间．秒　

图６模糊自适应ＰＩＤ控制的系统　

仿真结果表明，采用模糊自适应ＰＩＤ控制的方法，系统的响应速度快、调节精度高；稳态性能好，没有振　荡。　

实践表明，Ｆｕｚｚｙ　Ｌｏｇｉｃ　Ｔｏｏｌｂｏｘ可以方便的通过编辑ＦＩＳ文件来设计模糊控制器，灵活的设定和修改控　制器参量，ＳＩＭＵＬＩＮＫ可以直接构造控制系统并观察仿真结果。ＭＡＴＬＡＢ中的工具箱和ＳＩＭＵＬＩＮＫ是进行　

计算机仿真的有力工具。　

（下转第５６页）　珊　瑚　恤　啪　∞　０　窭圭圭．蜘辜圭甜缔　∞　∞　∞　加　∞　田　∞　∞　柏　扣　０　末　．

卅”聿圭习辑　维普资讯 http://www.cqvip.com 南昌航空工业学院学报（自然科学版）　

目前该检测装置对于简单的裂缝或圆孔型缺陷具有一定的分辩能力，而对于形状复杂的缺陷识辨出其　

类型和大小则存在一定的困难，因为不能单从检测信号幅度大小和信号的峰峰值之间的距离上来区分，还跟　缺陷存在的位置有关。要做到这点还有待今后进一步改进。　

５　结论　

（１）通过选择灵敏度高的集成霍耳元件、采用高性能ＡＤ转换器、低通滤波电路及用软件消除漏磁检测　中很强的背景磁场和磁场梯度的影响。通过这些措施简化了硬件电路的设计。　

（２）采用嵌入式网络模块ＥＴＲ１００，进一步简化了ＣＰＵ各种外围电路的设计，还可以利用Ｃ语言编程进　

行复杂的计算，缩短了仪器的开发周期。　（３）研制的便携式管道漏磁检测装置，能实现对在用管道的检测，从管道外侧能检测出管道深度为２％　

壁厚的矩形槽人工缺陷。对管道外壁相同宽度、不同深度的矩形槽人工缺陷的实验表明。缺陷信号幅度与缺　

陷深度基本成线性关系；这为基于此装置对缺陷量化检测和最终实现无损评价提供了实验依据。　

［　参考文献　］　

［１］丁玉兰，石来德．机械设备故障诊断技术［Ｊ］上海：上海科学技术文献出版社．１９９４．　［２］朱奕中．钢管精磁探伤方法初探［Ｊ］．无损检测．１９９９，１２（７）：１８５—１８８　［３］Ａｔｈｅｒｔｏｎ　ＤＬ，Ｄａｌｙ　ＭＧ　Ｆｉｎｉｔｅ　ｅｌｅｍｅｎｔ　ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｍａｇｎｅｔｉｃ　ｆｌｕｘ　ｌｅａｋａｇｅ　ｄｅｔｅｃｔｏｒ　ｓｉｇｎｔ￣，；ｓ．ＮＤＴ　Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａ１．１９９７．２０（４）２３５—２３８　［４］曹雄恒。罗飞路．一种宽动态范围的智能测量系统设计［Ｊ］．单片机与嵌人式系统应用２００２。１０　１８８—１９３　［５］ＥＴＲ１００嵌人式网络模块使用手册［Ｍ］成都：成都人民出版社，２００１。