劉新正,賀小玉,馮俊龍

(西安交通大學(xué)電氣工程學(xué)院,陜西西安 710049）

開放平臺下調(diào)速系統(tǒng)模糊控制的教學(xué)實踐

劉新正,賀小玉,馮俊龍

(西安交通大學(xué)電氣工程學(xué)院,陜西西安 710049）

本文介紹了基于開放式計算機(jī)控制直流調(diào)速系統(tǒng)教學(xué)實驗平臺,指導(dǎo)學(xué)生在傳統(tǒng)PID調(diào)節(jié)器中加入模糊控制策略的教學(xué)實踐。筆者分析了Matlab/Simu link軟件環(huán)境下參數(shù)在線自整定模糊PID控制器的設(shè)計過程,并對比分析了不同控制策略實驗結(jié)果。開發(fā)的實驗裝置新功能可以有效提升實驗教學(xué)水平。

直流調(diào)速系統(tǒng);模糊PID控制器;Matlab

0 引言

模糊邏輯和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等智能控制策略引入到實際的電機(jī)控制系統(tǒng),可以實現(xiàn)電機(jī)的智能控制[1]。電氣工程及其自動化專業(yè)本科生的“電機(jī)控制”課程教學(xué),除應(yīng)傳授傳統(tǒng)的交、直流電動機(jī)典型調(diào)速控制系統(tǒng)組成和控制原理之外,也應(yīng)增加先進(jìn)的智能控制策略在電機(jī)控制領(lǐng)域的應(yīng)用知識。

以往的“電機(jī)控制”課程教學(xué)內(nèi)容側(cè)重于前者[2],所配套的電機(jī)閉環(huán)調(diào)速實驗裝置大多是基于傳統(tǒng)PI或者PID調(diào)節(jié)器的模擬或者計算機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)[3],缺少設(shè)計智能控制器環(huán)節(jié)。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(fā)出實驗裝置的新功能,解決智能控制器的空白,保證教學(xué)實驗的系統(tǒng)性、完整性和可對比性,又能減少設(shè)備投入節(jié)省費用。

基于以上考慮,我們利用現(xiàn)有資源,在本科生的課程教學(xué)中做了初步嘗試。我們首先要求學(xué)生在Matlab/Sim ulink環(huán)境下,建立傳統(tǒng)PID控制和模糊PID控制的直流電動機(jī)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)仿真模型,仿真分析系統(tǒng)的動態(tài)過程。然后,基于已有的開放式直流電動機(jī)雙閉環(huán)調(diào)速實驗計算機(jī)控制硬件平臺,速度環(huán)采用傳統(tǒng)PID控制器和所設(shè)計的模糊PID控制器,進(jìn)行直流電動機(jī)雙閉環(huán)不可逆晶閘管相控整流和可逆脈寬調(diào)速系統(tǒng)的在線控制實驗。學(xué)生將所學(xué)的電機(jī)調(diào)速原理和智能控制方法等基礎(chǔ)知識綜合運(yùn)用到實際系統(tǒng),體會現(xiàn)代科技與傳統(tǒng)技術(shù)的有機(jī)融合。

1 實驗平臺簡介

教學(xué)實驗室現(xiàn)有的交、直流電動機(jī)調(diào)速實驗平臺SMCL-I,為開放式的計算機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)。其中的他勵直流電動機(jī)雙閉環(huán)調(diào)速實驗的計算機(jī)控制系統(tǒng)是基于Matlab/Simulink環(huán)境,只需修改上位機(jī)中系統(tǒng)模型的相應(yīng)控制器即可實現(xiàn)不同的控制策略,開放性較好。該系統(tǒng)構(gòu)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(qū)動模塊和電源模塊外,最重要的是數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)采集和運(yùn)行控制卡,以Matlab/Simu link為運(yùn)行軟件環(huán)境的直流電動機(jī)轉(zhuǎn)速和電流雙閉環(huán)調(diào)速計算機(jī)控制系統(tǒng)。速度調(diào)節(jié)器ASR和電流調(diào)節(jié)器ACR均采用數(shù)字PID控制器,起、停和轉(zhuǎn)速給定由信號發(fā)生器實現(xiàn)。外部轉(zhuǎn)速和電流摸擬信號通過PCI-1711卡的A/D通道轉(zhuǎn)換為數(shù)字量,分別反饋到Simu link模型中ASR和ACR的輸入端,ACR輸出的數(shù)字控制信號經(jīng)PCI-1711卡的D/A通道轉(zhuǎn)換為模擬控制信號,控制系統(tǒng)的運(yùn)行。

圖1 Matlab環(huán)境下計算機(jī)控制雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)

2 模糊PID控制器設(shè)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(chǔ),將操作者或?qū)＜业目刂平?jīng)驗和知識表示成語言變量描述的控制規(guī)則,通過自然語言進(jìn)行人機(jī)界面聯(lián)系,容易融入到控制環(huán)節(jié),也容易理解和掌握。本文通過設(shè)計他勵直流電動機(jī)速度與電流雙閉環(huán)調(diào)速控制系統(tǒng)中參數(shù)在線自整定的模糊PID速度調(diào)節(jié)器ASR,在上述的實驗平臺上實現(xiàn)模糊PID控制算法。

圖2所示為在Matlab/Sim ulink環(huán)境下所設(shè)計的模糊自整定PID控制器結(jié)構(gòu)示意圖[6],由一個傳統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)PID控制器和一個單變量二維模糊控制器組成。它在傳統(tǒng)PID控制器中引入模糊控制策略,根據(jù)偏差e和偏差變化率ec在線實時且適當(dāng)?shù)卣{(diào)整PID參數(shù)K p、K i、K d,使系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)快且超調(diào)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(shù)的初始值;Ke、Kec、Fuzzy Logic Controller、Gian4、Gian5 和 Gian6 等環(huán)節(jié)構(gòu)成模糊控制器。模糊控制器由定標(biāo)環(huán)節(jié)K e和K ec完成輸入論域轉(zhuǎn)換;模糊推理系統(tǒng)Fuzzy Logic Contro ller是模糊控制器的主體,完成輸入量的模糊化、根據(jù)隸屬函數(shù)求取隸屬度、模糊推理運(yùn)算和解模糊;定標(biāo)環(huán)節(jié)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(yùn)行過程中,模糊控制器完成對PID參數(shù)的在線自整定。

圖2 模糊PID控制器結(jié)構(gòu)

我們在設(shè)計中應(yīng)用Matlab自帶的Fuzzy Logic工具箱建立模糊推理系統(tǒng)[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(shè)計模糊推理系統(tǒng)為M amdani兩輸入三輸出結(jié)構(gòu),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(shù)均選為高斯型;采用中位數(shù)法解模糊得到清晰量輸出。

模糊推理規(guī)則直接關(guān)系到系統(tǒng)的控制性能,制定規(guī)則時應(yīng)根據(jù)實際系統(tǒng)中e及ec的變化規(guī)律,也要考慮PID的3個參數(shù)在不同時刻的作用及相互之間的關(guān)系,以達(dá)到最佳控制效果。例如,通過考察系統(tǒng)起動和突加負(fù)載時e和ec的變化規(guī)律得出,起動階段EC保持為NB而E經(jīng)歷了從PB、PM、PS、PZ到NZ的過程,負(fù)載突變時E保持在PZ而EC卻經(jīng)歷了從PB、PM、PS、ZO到NS的過程。據(jù)此設(shè)計了改善階躍響應(yīng)和負(fù)載突變動態(tài)性能的部分模糊控制規(guī)則如表1和2所示。

表1 階躍響應(yīng)動態(tài)性能的部分控制規(guī)則

表2 負(fù)載突變動態(tài)性能的部分控制規(guī)則

3 直流調(diào)速系統(tǒng)模糊PID控制實驗

基于PCI-1711數(shù)據(jù)采集卡和硬件實驗平臺,在Matlab/Sim ulink環(huán)境下,完成了直流電動機(jī)的不可逆晶閘管調(diào)速和可逆脈寬系統(tǒng)的模糊自適應(yīng)PID控制。系統(tǒng)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(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)Simulink在線控制框圖

當(dāng)實際轉(zhuǎn)速為1000r/min時,轉(zhuǎn)速反饋信號為3,即速度反饋比例系數(shù)為0.003。速度環(huán)模糊PID控制器中,當(dāng)控制系統(tǒng)的階躍給定為3時,測得轉(zhuǎn)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(biāo)度因子分別為 K e=2、K ec=0.1;ΔK p、ΔK i和ΔK d的輸出標(biāo)度因子分別為0.3、2和0.001。

轉(zhuǎn)速環(huán)分別采用傳統(tǒng)PID和模糊PID在線運(yùn)行,0s時加階躍給定使電機(jī)起動,10s左右突加相同的負(fù)載,得到系統(tǒng)起動和負(fù)載突變的動態(tài)響應(yīng)實驗結(jié)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(zhuǎn)速超調(diào)約為1.3%,調(diào)整時間約0.5s;負(fù)載突變時最大轉(zhuǎn)速降約0.26,恢復(fù)時間約3.7s。采用常規(guī)PID控制,起動時轉(zhuǎn)速超調(diào)約為7.66%,調(diào)整時間4s;負(fù)載突變時最大轉(zhuǎn)速降約1.13,恢復(fù)時間約8.9s。對比可以看出,閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)性能得到了改善,達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。

圖4 實驗結(jié)果對比

4 結(jié)語

在“電機(jī)控制”課程的教學(xué)實踐中,利用現(xiàn)有的開放式實驗裝置平臺,指導(dǎo)學(xué)生在傳統(tǒng)PID控制器中加入模糊控制策略,實現(xiàn)了直流電動機(jī)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的速度環(huán)模糊PID控制器設(shè)計和實驗。實踐證明,這一嘗試不僅開發(fā)了教學(xué)實驗裝置的智能控制器作用,而且鍛練了學(xué)生綜合運(yùn)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(tǒng)—運(yùn)動控制系統(tǒng)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2003.7

[3] 許大中,賀益康.電機(jī)控制[M].杭州 :浙江大學(xué)出版社,2002

[4] 周淵深.交直流調(diào)速系統(tǒng)與Matlab仿真[M].北京:中國電力出版社,2007

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

[6] 陶永華.新型PID控制及其應(yīng)用[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2002

[7] 李國勇.智能控制及其Matlab實現(xiàn)[M].北京:電子工業(yè)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(yōu)化設(shè)計方法[J].北京:系統(tǒng)仿真學(xué)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(jī)及其控制方面的教學(xué)、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.