基于模糊PID控制双闭环可逆直流脉宽PWM调速系统

摘 要：直流电动机具有启停性能良好、速度控制容易，且在宽范围内可以平滑调速的特点，所以在轻工业、化工、机械制造及冶金领域得到广泛应用。由于传统的控制理论对于线性明确系统有很强的控制能力，但对于非线性难以精确描述的系统，则无法准确的控制。为优化双闭环可逆直流脉宽PWM调速系统、减小双闭环控制系统中传统PI控制器速度超调、解决模糊直流电机控制系统中电流环PI参数调节不能很好地发挥电流反馈作用的问题，提出一种双闭环模糊控制系统。实现了对转速和电流的有效控制。

关键词：模糊PID;双闭环;电机调速

模糊控制其实质上是一种非线性控制方法，是智能控制的一部分。模糊控制的最大特点是既有系统化的理论，又有大量的实际应用背景。模糊控制的发展最初在西方遇到了较大的障碍;然而在东方尤其是日本，得到了迅速的发展和广泛的应用。近20多年来，模糊控制发展比较迅速，不论在理论上还是技术上都有了很大的突破，在自动控制领域成为了一个有代表性的部分。模糊PID控制调速系统是通过双闭环控制系统中电流环和速度环对系统输出曲线的影响，实时跟踪实际转速和给定转速所产生的误差变化进行参数调整。在此过程中需要根据实际条件进行规制整定。本文针对传统PID控制控制器速度超调，加入负载时波动大等缺点，提出了模糊PID控制双闭环可逆直流脉宽PWM调速系统。

1 双闭环模糊PID晶闸管不可逆调速控制系统建模与仿真

1.1 模糊PID 控制器的设计

本文的双模糊闭环直流电机调速系统，速度环和电流环均采用模糊PID 控制[1-2]，系统结构图如图1所示。

1.2 系统建模与仿真

本次研究中使用晶闸管、直流电机作为控制对象，不同以往使用线性化的控制对象传递函数。由已知条件求得参数如表1所示。

转速环、电流环使用PI调节器，使用工程整定法整定比例，积分系数，求得参数如下：kpn=235，kn=0.52，kpi=35.6，ki=0.003。

双闭环模糊PID晶闸管不可逆调速控制系统在MATLAB中的仿真模型[3-4]如图2所示。由以下几部分组成交流电源、移相控制环节、晶闸管整流器、电动机模块和触发器构成，其中控制电路由转速调节器（ASR）和电流调节器（ACR）组成，其仿真结果如图3所示。

图2中上部分是带模糊PID控制器线路图，下部只是用PID控制器的线路图，用来与模糊PID控制器效果进行对比[5-6]。模糊控制器输入为误差及误差变化率，输出为比例、积分、微分系数，输入输出的模糊论域都为[-1，1]。

量化因子比例因子的选择过程如下：首先对PID控制的双闭环调速系统进行仿真，用示波器观察误差及误差变化率，确定误差及其变化率的误差范围，这样可以确定两个输入的量化因子。对比例因子的调节使用控制变量法，首先将输出的三个比例因子尽量调小，然后针对一个参数进行调整，调整到结果较为理想之后再调节下一个变量。本次调节经验总结如下：

①调节ASR模糊控制器输出的比例系数：增大该系数会增加加入负载之后稳态时的震荡，k=2时，震荡会很明显;

②调节ASR模糊控制器输出的积分系数：增大该系数会增加转速的超调量;

③调节ASR模糊控制器输出的微分系数：增大该系数可以增加加入负载之后的稳态精度;

④调节ACR模糊控制器输出的各系数对系统影响较小，这是由于电流环输出波动较大，限幅器的使用减小了该控制器的控制效果。

模糊PID与PID空载并在0.45s加入负载的仿真如图3所示。

从仿真结果可以看出使用直流电机作为控制对象当转速超调后，此时启动过程结束，电枢电流下降到零，虽然转速超调，但是由于系统是不可逆调速，晶闸管装置不能产生反向电流，所以超调后不能调节到额定转速;模糊PID可以减小电机转速超调，并在加入负载之后转速调节时间短，波动小。

2 结论

本文基于双闭环控制理论与传统模糊电机控制理论相结合，提出一种基于建模调优的双闭环模糊PID晶闸管不可逆调速控制系统，双闭环控制调速系统的特点是由两个独立的调节器，一个是转速调节器（ASR），另一个是电流调节器（ACR），其中内环为电流环，外环为转数环，而且电流调节器的输入是转速调节器的输出，因此电流调节器能够随转速的偏差改变电动机电枢电流，通过数学模型，根据反馈控制理论基础，在Matlab/Simulink中建立系统仿真模型，仿真后，通过对仿真结果的比较分析可知，双闭环可逆直流脉宽PWM调速的模糊PID控制系统比传统的PID调速精确性和快速性更好，且平滑性更好，并在直流電机调速系统中，验证方法的有效性。

参考文献：

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作者简介：

孙宏存（1996- ），男，汉族，辽宁省东港市人，学士，研究方向：控制工程。