張小青,楊小崗,樊戰(zhàn)亭,馮自立,陳國棟

(咸陽師范學(xué)院物電院，陜西咸陽,712000）

直流調(diào)速系統(tǒng)減少超調(diào)及加強抗擾的研究

張小青,楊小崗,樊戰(zhàn)亭,馮自立,陳國棟

(咸陽師范學(xué)院物電院，陜西咸陽,712000）

建立雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)仿真模型，設(shè)計了一2輸入1輸出的轉(zhuǎn)速模糊控制器，明顯改善了系統(tǒng)動態(tài)性能。為了提高系統(tǒng)對電網(wǎng)電壓諧波抗擾性能，進一步設(shè)計了PD混合模糊控制器，發(fā)現(xiàn)PD混合模糊控制器對高頻正弦擾動的抗擾性能明顯優(yōu)于傳統(tǒng)PID控制器。

混合模糊控制；減少超調(diào)；抗擾

0 引言

由于模糊控制自身對模型依賴性不強以及其編程實現(xiàn)方面優(yōu)點，模糊控制在雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)中的應(yīng)用相對比較熱門，例如文獻[1-3]都采用了模糊控制，也取得了一定的效果，文獻[4]對系統(tǒng)的內(nèi)阻變化及突加負(fù)載進行了一定的研究，但在對電網(wǎng)環(huán)境方面的抗擾性能的研究卻很少。在實際應(yīng)用中直流電機的供電電源主要來源于交流電網(wǎng)整流后得到的直流，可能含有一定的高低頻的交流諧波分量，因此提高系統(tǒng)抗高低頻電網(wǎng)電壓交流諧波擾動的性能非常重要。

1 模糊控制系統(tǒng)設(shè)計

雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)采用模糊轉(zhuǎn)速控制器的結(jié)構(gòu)圖如圖1。圖中Un*是轉(zhuǎn)速給定，Un是轉(zhuǎn)速反饋信號。模糊控制器在這里主要完成以下功能：模糊化及建立數(shù)據(jù)庫，完成規(guī)則庫及清晰化處理。

圖1 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)模糊控制結(jié)構(gòu)圖

以下面的電動機參數(shù)為例進行系統(tǒng)設(shè)計：UN=220V,nN= 1480r/min，IN=13.6A，允許過載倍數(shù)為λ=1.5，電動機電動勢系數(shù)Ce=0.131v/(r/min)，晶閘管裝置：Ks=76，Ts=0.00167s；電樞回路總電阻R=6.667Ω，電樞回路電磁常數(shù)Tl=0.018s，系統(tǒng)機電時間常數(shù)Tm=0.25445s，反饋系數(shù)：α=0.00337V/（r/min），β=0.4V/A；反饋濾波時間常數(shù)：Toi=0.005s，Ton=0.005s。

1.1 模糊化接口環(huán)節(jié)設(shè)計

轉(zhuǎn)速誤差e及誤差變化率de/dt的比例因子均設(shè)計為1。轉(zhuǎn)速誤差e及誤差變化率de/dt的論域范圍均為[-5,5],都設(shè)計為{NB NM NS ZE PS PM PB}七個等級。由于文獻[5]已討論了隸屬度函數(shù)對調(diào)速控制系統(tǒng)的性能影響不大，故在此隸屬度函數(shù)選用常用的三角函數(shù)即可。其中轉(zhuǎn)速誤差e的NB、NM、NS、ZE、PS、PM、P的中心點分別選為-4、-2.1、-1.1、0、1、2.4、3.5；而誤差變化率de/dt的中心點分別選為-4、-2.2、-1.1、0、1.1、2、3.6。輸出Un*的比例因子也設(shè)計為1，其論域范圍為[-8.16,8.16], 設(shè)為{NB NM NS ZE PS PM PB}七個等級。

表1 轉(zhuǎn)速模糊控制規(guī)則庫

1.2 知識庫的建立

在模糊控制器中知識庫通常由數(shù)據(jù)庫和模糊控制規(guī)則庫兩部分組成。依據(jù)直流調(diào)速系統(tǒng)的經(jīng)驗建立規(guī)則庫如表1。

1.3 解模糊接口

解模糊接口也就是清晰化模塊。清晰化的作用是將模糊推理得到的控制量（模糊量）變換為實際用于控制的清晰量。在這里要經(jīng)過兩個步驟：首先將模糊控制器輸出的控制量通過清晰化變換成能囊括在輸出論域內(nèi)的量，再把已經(jīng)得到的清晰量變成轉(zhuǎn)速控制需要的實際控制量。尺度變換因子在前面已設(shè)置為1。常用的清晰化方法選用重心法。

2 模糊控制的調(diào)速系統(tǒng)仿真與減少超調(diào)分析

2.1 模糊控制的調(diào)速系統(tǒng)仿真

雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)仿真模型如圖2所示，其中轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器采用的是模糊控制器。仿真結(jié)果如圖3，圖中實線為PID控制的仿真結(jié)果，虛線為模糊控制的仿真結(jié)果。從圖中看出，雖兩者都實現(xiàn)了轉(zhuǎn)速穩(wěn)態(tài)無靜差，但模糊控制對應(yīng)的起動動態(tài)性能相對更佳，其對應(yīng)的調(diào)節(jié)時間相對較短，且其超調(diào)量也明顯減少，實現(xiàn)了無超調(diào)的動態(tài)過程。

圖2 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)仿真模型

圖3 轉(zhuǎn)速仿真結(jié)果

2.2 減少超調(diào)分析與調(diào)試

超調(diào)會導(dǎo)致直流電機承擔(dān)較大的機械方面的壓力，要減少超調(diào)需在轉(zhuǎn)速未達(dá)到穩(wěn)態(tài)值前退飽和。

在此采用模糊控制后從上述結(jié)果看，超調(diào)明顯得到了減少。

模糊控制能減少超調(diào)的實質(zhì)在于其控制器的輸入中有誤差變化率de/dt，這相當(dāng)于對誤差變化方向進行了提前預(yù)告，從而可以根據(jù)經(jīng)驗設(shè)計模糊控制規(guī)則使模糊轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器提前退飽和狀態(tài)，或盡量減少轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器處于飽和狀態(tài)的時間，甚或可以控制其一直接近飽和狀態(tài)但從不進入飽和狀態(tài)。圖4為轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出結(jié)果。從圖中可看出模糊轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器一直未進入飽和狀態(tài)，由于其不需要退飽和，節(jié)省了調(diào)節(jié)時間，使得其在整個上升過程中的整體調(diào)節(jié)時間較短。

3 抗電網(wǎng)電壓諧波擾動研究

3.1 抗電網(wǎng)電壓諧波擾動研究

在工業(yè)現(xiàn)場中電網(wǎng)電壓中一般不可避免地存在各種頻段的諧波擾動，對于這些周期的諧波干擾可分為低頻、中頻與高頻擾動三個頻段，根據(jù)經(jīng)驗頻率越低越接近于階躍擾動，越好控制，所以要評價一個系統(tǒng)對周期性擾動的抗擾性能主要看其高頻抗擾性能。為了加強系統(tǒng)抗擾性能，在此采用混合模糊控制器，即PD與模糊控制器相結(jié)合，控制效果如圖5中所示。從圖中知傳統(tǒng)的PID控制系統(tǒng)與PD混合模糊控制系統(tǒng)在抵抗正弦波電網(wǎng)電壓擾動的方面控制性能稍有區(qū)別。具體來說，對于中低頻正弦波負(fù)載擾動兩種控制方式控制性能不相上下，均保持在單位轉(zhuǎn)速范圍以內(nèi)，而在10Hz高頻上，PD混合模糊控制系統(tǒng)性能較傳統(tǒng)PID性能較好，這說明PD混合模糊控制在抗電網(wǎng)電壓諧波擾動方面具有更好的性能。

3.2 抗隨機擾動研究

為了更穩(wěn)妥地研究系統(tǒng)的抗擾性能，在此增加對隨機電網(wǎng)擾動的分析。圖6是對100Hz寬度的隨機擾動的仿真結(jié)果圖。隨機擾動的模擬采用Random Number模塊，其mean設(shè)置為0，Variance設(shè)置為100。從仿真結(jié)果來看，PD混合模糊控制具有很好的隨機擾動抑制效果。

4 結(jié)論

圖4 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出仿真結(jié)果

諧波擾動在工礦企業(yè)工作環(huán)境中處處存在，為了提高系統(tǒng)的抗擾性能，由于純模糊控制器本身的缺點，在此采用混合模糊控制器來對各頻段電網(wǎng)諧波擾動進行抑制，對其各種抗擾能力均做了詳細(xì)的比較分析。從上面的實驗與分析發(fā)現(xiàn)，模糊控制作為一項智能控制技術(shù)，純模糊控制器能消除系統(tǒng)的退飽和超調(diào)，而將其與PD控制結(jié)合構(gòu)成混合模糊控制后應(yīng)用于雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)中，其高頻抗擾效果良好，這樣系統(tǒng)不僅可以盡可能地減少或消除轉(zhuǎn)速超調(diào)，還具有了較好的諧波電網(wǎng)抗擾性能的優(yōu)點，另外對隨機擾動的抗擾性能也有較好的效果。

[1]陳濤，鄭文婧，胡淮浦.模糊PID雙閉環(huán)直流電機調(diào)速[J].中國科技信息，2009，6：137-139.

[2]于建明.基于閾值開關(guān)模糊PID控制的直流電機調(diào)速系統(tǒng)[J].自動化應(yīng)用，2010，11：18-20.

張小青（1985--）,女，湖南永州人，講師，碩士，主要研究方向為智能控制與運動控制.

Reduce the overshoot and strengthen immunity for DC speed control system

Zhang Xiaoqing,Yang Xiaogang,Fan Zhanting,Feng Zili,Chen Guodong
(1.School of Physics and Electronic Engineering, Xianyang Normal Univ.,Xianyang,712000)

Build a simulation model for double closed loop DC speed control system，design a two input one output fuzzy speed controller, which improves the dynamic performance of the system.To improve the performance of anti disturbance about grid voltage harmonics,further design is given for the PD hybrid Fuzzy controller.and found the disturbance rejection performance of the PD hybrid fuzzy controller is obviously better than that of the traditional PID controller at high frequency.

Hybrid fuzzy control;reduce overshoot;immunity

（c）0.001Hz 10V正弦擾動輸入（低頻）圖5 抗正弦電網(wǎng)電壓擾動仿真結(jié)果

圖6 抗隨機擾動仿真結(jié)果

TP273+.4

：A

陜西省教育廳科研項目（15JK1784），國家級大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目（201610722016）.